Как функционируют зимние фрикционные шины

Работа зимних автомобильных покрышке основана на применении целого ряда идей, сочетание которых дает оптимальный совокупный эффект.

Рисунок протектора

Рисунок протектора автомобильных шин оказывает существенное влияние на проходимость автомобиля. Когда-то давно, в середине XX века, когда дороги с усовершенствованным покрытием существовали наряду с гравийными и грунтовыми дорогами (такие дороги поддерживались в хорошем состоянии при помощи грейдеров), автомобили оснащались шинами с так называемым «универсальным» рисунком протектора.

В то время универсальный рисунок протектора выступал в роли, так называемого, компромисс между шинами повышенной проходимости с самоочищающимся протектором и шоссейными шинами, предназначение которых – длительная езда по шоссе на высоких скоростях.

Универсальный рисунок протектора, как правило, не обладал ярко выраженными продольными ребрами (для улучшения управляемости и курсовой устойчивости) и глубокими продольными канавками, которые сегодня используются для сведения к минимуму аквапланирования.

В большинстве случаев представлял набор ориентированных продолговатых шашечек. Эти шашечки, в свою очередь, применялись в качестве грунтозацепов (без эффекта самоочищения) при движении по гравийным и грунтовым дорогам. Что касается движения по шоссе, то канавки между шашечками служили для отвода воды из пятна контакта шины с дорогой.

В зимнее время универсальный рисунок протектора обеспечивал удовлетворительное сцепление при движении по расчищенным дорогам и по укатанному снегу. Однако на обледенелой дороге универсальный протектор не позволял уверенно затормозить или уверенно тронуться в горку.

В то время, как сеть шоссейных дорог стремительно увеличивалась вместе с улучшением качества дорожного покрытия, всё больше автомобилей выпускались с заводов с шоссейной резиной. Данная разновидность шин обладает выраженным продольным рисунком, обеспечивающим необходимую степень управляемости и сцепление при движении по сухому и мокрому асфальту. При этом шоссейная резина не позволяет уверенно двигаться по снегу из-за отсутствия грунтозацепов.

Шоссейная резина, по сути, является летней резиной, которая устанавливается на большинство автомобилей. Что касается покрышек повышенной проходимости для внедорожников с выраженными грунтозацепами, то они в данной статье не рассматриваются.

При попытке разогнаться по заснеженной дороге на летней (шоссейной) резине водитель заметит срабатывание ESP и индикацию срабатывания ESP на приборной панели.

При попытке затормозить по заснеженной дороге на летней резине водитель заметит срабатывание системы ABS даже при несильном нажатии на педаль тормоза.

При всесезонной эксплуатации автомобиля возникла необходимость в изготовлении шин, способных обеспечить оптимальную безопасность управления в зимнее время. Соответственно, данную разновидность назвали зимней резиной.

Зимние шины, в свою очередь, могут быть, как фрикционными, так и снабжаться шипами противоскольжения. Надо признать, что инновации при разработке допустим, фрикционных шин находят своё место при разработке зимних шин с шипами противоскольжения. Так, например зимние шины с шипами противоскольжения получили шашечки протектора, разделённые на ламели. Изменился и состав резины, применяемый для изготовления зимних шин с шипами противоскольжения.

Протектор фрикционной зимней шины снабжен грунтозацепами, аналогично любому другому самоочищающемуся протектору. Однако эти грунтозацепы обладают более высокой плотностью расположения, что положительно сказывается на ходимости, а также позволяет увеличить число используемых ламелей.

Протектор фрикционной шины может быть направленным или ненаправленным, симметричным или несимметричным. Но из-за плотного расположения грунтозацепов протекторы большинства фрикционных шин не предназначены для движения по глубокому рыхлому снегу.

Что касается сферы применения так называемых липучек (зимних шин) – это расчищенные улицы городов, скоростные трассы и автобаны. Фрикционные зимние шины отлично подходят для межсезонья, когда ночью всё замерзает и выпадает немного снега, а днём – лужи и всё тает.

Конструирование протектора фрикционной шины выполняется таким образом, чтобы эффект отталкивания воды из пятна контакта был максимальным, во избежание возникновения аквапланирования.

Свойства резины

Для улучшения сцепления с зимней дорогой состав резины, из которой производится фрикционная зимняя шина, должен обеспечивать её эластичность при отрицательных температурах.

Фрикционная резина первых образцов обладала излишней эластичностью, что создавало видимость абсолютной непригодности таких шин в летний период. В процессе дальнейшего совершенствования резина стала менее эластичной, благодаря чему производители получили возможность нарезания шашек протектора меньших размеров.

С целью повышения устойчивости и управляемости автомобиля на льду (или на ледяной поверхности) конструкторы зимних фрикционных шин применяли специальную микропористую резину в качестве материала для изготовления рабочего слоя шины. Миниатюрные поры микропористой резины как бы прилипают ко льду (как миниатюрные присоски), обеспечивая более короткий тормозной путь и стабильное управление автомобилем на ледяной поверхности. Большая эффективность прилипания была достигнута за счет разделения шашечки протектора на ламели, которые, в свою очередь, не выступают за пределы геометрии шашечки. Под воздействием веса машины ламели раскрываются, заставляя шину буквально прилипать ко льду, подобно присоске.

За счёт этого эффекта прилипания подобные зимние фрикционные шины и получили название “липучки”. Работа этих самых липучек весьма интересна. По мере износа протектора шины на его поверхности открываются новые поры, что позволяет сохранить долгосрочную эффективность подобной фрикционной шины при длительной эксплуатации.

Не менее значимой инновацией от производителей автомобильных шин стала разработка нового состава резины с наличием волокон стекла. Благодаря применению этих волокон, поверхность льда царапается для обеспечения лучшего сцепления с шиной.

Разновидности ламелей

Как было упомянуто выше, универсальный рисунок протектора (по сравнению с рисунком шоссейной шины) обеспечивал вполне удовлетворительную управляемость на зимней дороге. Посредством изучения данного феномена ученым удалось выяснить, что на сцепление с зимней дорогой влияют шашечки протектора. Более того, была установлена прямая взаимосвязь между количеством шашечек в пятне контакта и сцеплением колеса с зимней дорогой. Более глубокий анализ полученных свойств резины позволил обнаружить так называемый “кромочный эффект”.

Основывается кромочный эффект на том, что сцеплению шины с зимней дорогой способствует не собственно шашечка протектора, а её кромка. Кроме того, если при разгоне автомобиля задействуется задняя (по ходу движения) кромка шашечки протектора, при торможении – передняя кромка шашечки.

Из сказанного следует вывод, что сцепление фрикционной шины с дорожным покрытием зависит от количества кромок и их суммарной длины в пятне контакта шины с дорогой.

Способы увеличения сцепления фрикционной шины с дорогой

Решение по увеличению сцепления показалось простым – надо разделить шашечки протектора на отдельные части, тогда количество кромок в пятне контакта фрикционной зимней шины возрастёт. Однако выполнение данной задачи с технической точки зрения оказалось достаточно сложным по той причине, что увеличение числа ламелей приводило к сокращению их ширины, в результате чего они становились попросту неустойчивыми, в особенности, если речь шла о слишком мягкой резине. Естественно, у водителей появилось мнение о том, что фрикционные шины можно использовать только при низких температурах, иначе ламели подламываются, и шина быстро приходит в негодность.

По истечению определенного количества времени в ходе экспериментов в сочетании с полученным опытом были созданы современные конструкции фрикционных покрышек, которым были не присущи недостатки первых моделей.

Изменённый состав резины позволяет современной фрикционной шине сохранять свои свойства в широком диапазоне температур, поддерживать долгосрочную эффективность шины при длительной эксплуатации, а также обеспечивает высокую ходимость фрикционных шин.

Кроме того, значительным изменениям были подвержены конструкции ламелей. Применение компьютерного 3D моделирования позволило значительно повысить устойчивость ламелей уже на этапе разработки конструкции. Благодаря отказу от чересчур мягкой резины, эффект подламывания ламелей в процессе резкого разгона, либо торможения был практически исключен.

Конфигурация ламелей, используемая при создании фрикционных шин, призвана обеспечить самоочищение протектора. В конструкции фрикционной шины предусмотрено эффективное отведение воды из пятна контакта с поверхностью дороги. Фрикционные шины последнего поколения обеспечивают автомобилю высокую курсовую устойчивость и отличную управляемость.

Выпуская фрикционные шины последнего поколения, производители лишили свою продукцию практически всех недостатков, которые присутствовали у первых моделей. Они способны сохранять свои первоначальные качества под воздействием широкого диапазона температур, ламели обладают высокой устойчивостью, а длительная эксплуатация не оказывает столь пагубного влияния на длительность эффективного функционирования шины.