Зимние, летние, всесезонные шины

В определенный момент автор понял, что вождение автомобиля очень интересное и непростое занятие, способное приносить удовольствие, после чего занялся углубленным изучением теории и практики вождения. Но, вспоминая обучение в автошколе и анализируя то, как в большинстве книг по вождению дается материал, пришел к выводу, что надо менять подход к обучению и улучшать качество учебной  литературы. Кроме того, целью автора является популяризация самой физики с точки зрения движения автомобиля.

Резина шин – эластична. Это означает, что шина может испытывать значительные деформации без разрушения, и полностью восстанавливать форму в спокойном состоянии. Однако все это верно только при определенном температурном отрезке, вне которого шина не способна испытывать прежние деформации без разрыва. А значит, у шин в таких условиях происходит повышенное усталостное изнашивание.

Усталостное изнашивание материала происходит при циклически повторяющихся нагрузках. Главные причины такого изнашивания – это накопление необратимых изменений в материале, вызывающее образование и развитие микротрещин, которые постепенно увеличиваются в размерах и объединяются, образуя все более крупные дефекты. Примером усталостного изнашивания может быть многократно изгибаемый кусок проволоки. После нескольких изгибов проволока полностью разрушается. Эластичную резину и за несколько тысяч изгибов так не разрушить, но тот же кусок резины на сильном морозе начинает вести себя подобно проволоке и быстро переламывается, а погруженный в кипяток начинает тянуться, и уже не восстанавливает формы после снятия нагрузки. При снижении температуры ниже определенного уровня, в резине происходит кристаллизация («задубевание»). Области резины, в которых произошла кристаллизация, полностью теряют свойства эластомера, так как подвижность отдельных звеньев кристаллической решетки невозможна (невозможно, например, помять кусок сахара или соли, состоящие из кристаллов). В летних шинах явление кристаллизации начинается уже при температурах ниже +5С. При температурах ниже -20С явления частичной кристаллизации начинает иметь место во многих сортах автомобильных зимних резин.

Максимальная сила сцепления колес с дорогой пропорциональна числу атомов двух поверхностей, вступивших в контакт, или ФАКТИЧЕСКОЙ ПЛОЩАДИ КОНТАКТА (ФПК). В общем случае при небольших нагрузках она пропорциональна силе нормального давления. Линейная зависимость силы трения от нагрузки известна как закон трения. Чем лучше прилегают друг к другу колесо и дорога, тем лучше сцепление и больше ФПК. У резины наблюдается явно выраженная зависимость ФПК, и соответственно, сцепных свойств от температуры.

Для того чтобы шина имела максимальный коэффициент сцепления с дорогой, она должна быть максимально эластична. Для этого ее необходимо прогревать до выхода на узкий диапазон оптимальных рабочих температур. Для летней дорожной шины оптимальные рабочие температуры протектора 78-95С, для зимних шин 15-40С.

Многие неверно представляю себе, что является основной причиной разогрева шин во время движения автомобиля, полагая, что это трение шин об асфальт. Главная причина разогрева шин во время движения – это внутреннее трение в слоях резины при циклических нагрузках, так называемые потери на гистерезис. Например, при растяжении жгута требуется больше энергии, чем выделяется при его сокращении до той же длины. В тепло может переходить до 30% энергии. Подобные же явления происходят при качении шины. В набегающей части шины отдельные элементы протектора сжимаются, а сбегающей возвращаются в свою прежнюю форму. Типичные потери энергии для шин составляют 10-20%. Выделение тепла и сопротивление качению заметно возрастают при скоростях выше 100 км в час. Сопротивление качению и потери возрастают с увеличением толщины протектора. Так как около 60% потерь энергии при качении связаны с гистерезисом резины, то пути снижения сопротивления качению в первую очередь связаны с подбором рецептуры резиновой смеси.

Для расширения диапазона рабочих температур резины ее производят из смеси нескольких сортов каучука. Часть цепочек молекул такой резины начинает обладать свойствами эластомера при одной температуре, другая часть при другой, более высокой, третья часть при еще более высокой температуре. Но за такой компромисс приходится платить небольшим снижением максимально достижимого коэффициента трения, по сравнению, например, с гоночными шинами, работающими только в узком диапазоне температур. Применение всё новых технологий постепенно сводит к минимуму этот недостаток, обеспечивая высокие показатели трения в максимально широком диапазоне температур, но в настоящий момент пока не создано всесезонной шины, обладающей столь же хорошими характеристиками летом по сравнению с летней шиной и зимой по сравнению с зимней.

При температурах шины ниже зоны эластичности на ровной твердой поверхности (сухой асфальт) практически достижимая (ФПК) при тех же величинах нормального давления ощутимо падает, пропорционально падает и коэффициент трения. Максимально достижимая сила трения у непрогретой или не по сезону обутой шины ниже привычных значений в 2-4 раза, а коэффициент трения на даже сухом асфальте может падать до значений 0,2-0,3.

Довольно часто в изданиях появляются опасные рекомендации, из которых следует, что можно до последнего затягивать с переходом на зимнюю резину. Вышеизложенный материал дает качественное представление о том, как в действительности работает резина. Нижняя граница температуры воздуха для работы летней резины 5-7С, ниже этой температуры резина летних шин практически теряет свойства эластомера, и езда на таких шинах ниже указанной границы температур опасна. Кроме того, летние шины при этом имеют повышенный износ, и значит, потребуется их преждевременная замена, да и дефекты, образующиеся на них, как правило, скрытые. Отдельные шины позже неожиданно выходят из строя (например, следующим летом), а владелец полагает, что ему попался некачественный продукт, или просто не повезло. При положительной температуре воздуха до +5С (и по прогнозу синоптиков, и по показаниям термометра за окном), на улице часто виден иней и замерзшие лужи, а это значит, что температура почвы ниже 0С. По наблюдениям она на 5-7 градусов ниже плюсовой температуры воздуха. Шина на неподвижном автомобиле охлаждается примерно так же, как и покрытие. В результате в начале движения шины часто имеют температуру ниже, чем окружающий воздух. Летние шины при таких стартах заметно уступают в сцеплении в сравнении с зимними шипованными, и при этом очень быстро изнашиваются. Зимние нешипованные шины при температурах воздуха ниже +5С превосходят летние по всем параметрам и на любых поверхностях.

Полезность тестов, в которых приводится сравнение тормозного пути летних и зимних шипованных шин сомнительна, так как они проводятся после прогрева летних шин до рабочих температур. Такой прогрев у типичного владельца автомобиля на практике при температуре воздуха ниже 5-7С неосуществим. Большинство водителей садится за руль и едет по делам, часто простаивая в пробках. А для прогрева шин в данных обстоятельствах нужно с полчаса усиленно покататься, и далее ехать не останавливаясь, постоянно заставляя шины работать, чтобы они не остывали. В реальности не поможет даже выезд из теплого гаража, так как шины быстрее будут охлаждаться воздухом и холодным покрытием, чем успевать поддерживать свою температуру. Кроме того, в жизни практически не бывает случаев, когда возникает дефицит тормозного пути при использовании зимних шипованных шин на сухом асфальте при температурах ниже 5-7С. Любой грамотный водитель легко контролирует автомобиль в таких условиях. Так что доводы, приводимые в пользу того, чтобы до последнего момента использовать летние шины, ошибочны. Но вот что бывает, когда ну «совершенно неожиданно для осени, внезапно», температура падает на 7-10С и начинает падать снег. Мы видим в новостях, что произошли десятки аварий, что водители, как ошпаренные, едут на шиномонтаж и выстаивают километровые многочасовые очереди. Всегда хочется спросить в такой момент: «Ну как, сэкономили?» Почти любой кузовной ремонт стоит дороже комплекта шин! Почему-то в любое другое время года изменение температуры на 7-10С никого не удивляет, а вот осенью это вдруг становится неожиданным.

Владимир Пушин

Автоклуб-Казань

Метки: резина шина

Похожие

Яндекс.Метрика