Форумы ЦВВМ СПб Филиала - Как работают шины

Часто вижу одно и тоже недопонимание. Большинство людей считает, что резина после достижения определенной температуры сразу меняет свои свойства. Отсюда и возникают порой сомнительные результаты тестов шин. Резина – это сложный высокомолекулярный полимер. Вспомните, как ведет себя растопленный жир. Его кладешь в холодильник, а он несколько часов продолжает оставаться сначала жидким, а потом мягким с аморфной структурой, зато спустя некоторое время кристаллизуется и становится как камень. Но когда он по-настоящему промерзнет, то на оттаивание уйдет тоже много часов. Термометр и при замерзании и при оттаивании уже будет показывать одну и туже достигнутую температуру, а свойства продукта будут продолжать меняться. Т.е. при одной и той же температуре жир может быть и как камень, и жидким!

У резины могут быть три физических состояния:
1) Твёрдое – кристаллическое или аморфное
2) Эластичное
3) Пластичное
Для нормальной работы резина в шинах должна быть в эластичном состоянии, т.е. после значительной и многократной деформации (сжатия или растяжения), она должна восстанавливать свою прежнюю форму не разрушаясь. Во время движения шина подвергается постоянной циклической нагрузке. Набегающие элементы шины сжимаются, а выходящие из пятна контакта расширяются. В результате чего происходит весьма значительный разогрев резины даже при прямолинейном движении машины по трассе с постоянной скоростью. Летом протектор дорожных шин разогревается внутри до температур в 70-90С, а зимой до температур от +20 до +40С. Соответственно состав летней резины разработан для проявления максимума свой эластичности при температурах от +70С до +90 С, а состав зимней резины при температурах от +20С до +40С. Такие физические характеристики как мягкость и твердость не имеют ни какой привязки к сезонности шины. Есть высокоскоростные шоссейные зимние шины более твердые, чем например низкоскоростные или грязевые летние. Для гонок, например, можно подобрать более мягкие шины с теми же температурными характеристиками, они имеют лучшие сцепные свойства, но быстрее снашиваются. Выбор шин по мягкости определяется длинной их потенциального пробега.
После охлаждения ниже определенной температуры и только спустя некоторое время резина переходит в твердое состояние, после чего она становится хрупкой и ломкой. Калоши на сильном морозе трескаются, как и резиновые коврики, рассчитанные на эксплуатацию внутри помещений. Точно также трескается летняя резина, когда на ней пытаются ездить зимой. Разумеется, что и у резины в шинах переход из эластичного состояния в твердое происходит не мгновенно, по достижении температуры, а спустя некоторое время. Для летних шин переход в твердое состояние начинает происходить при снижении температуры ниже +5-7С и длится по времени несколько часов. Для зимних шин граница не четкая и зависит от производителя, но обычно зимние шины дубеют при температурах ниже -35 С. Зимой возможно выехать из теплого салона на прогретых эластичных шинах и совершить относительно безопасную поездку на несколько сот километров. НО! Если летние шины пробыли на настоящем морозе несколько дней, то не стоит пытаться ехать в них во время короткой оттепели – они уже стали деревянными.
В пластичное состояние шина переходит при перегреве, после деформации резина уже не восстанавливает свою форму. Она переходит в смолоподобное состояние, начинает течь, приближаясь к плавлению. Состояние перегрева также опасно тем, что начинает происходить процесс девулканизации, в результате чего после остывания резина безвозвратно теряет прежние свойства эластичности и прочности. Для летних дорожных шин перегрев наступает при +100-110С, для зимних при +50-60С.
Температура шин растет не линейно от скорости, после превышения скорости 80-100 км в час разогрев шин резко возрастает. При скоростях не превышающих 60-70 км в час шины нагреваются не значительно выше окружающей среды.
ВЫВОД:
НА ЗИМНИХ ШИНАХ ЛЕТОМ В ЖАРУ НЕЛЬЗЯ БЫСТРО ЕЗДИТЬ, НЕ ПОТОМУ, ЧТО ОНИ МЯГКИЕ, А ПОТОМУ, ЧТО РАССЧИТАНЫ НА БОЛЕЕ НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.
ЕСЛИ ВСЁ ЖЕ ПОЛУЧИЛОСЬ, ЧТО ВЫ ДВИЖЕТЕСЬ НА ЛЕТНИХ ШИНАХ ЛЕТОМ ПО РАСКАЛЕННОМУ АСФАЛЬТУ, НЕ ПРЕВЫШАЙТЕ СКОРОСТЬ ВЫШЕ 60-70 КМ В ЧАС .
ОСОБЕННО ЧРЕВАТО ЕЗДИТЬ НА ШИПОВАННЫХ ШИНАХ, ТАК КАК ШАРКАЮЩИЕ ПО АСФАЛЬТУ ШИПЫ ЯВЛЯЮТСЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ РАЗОГРЕВА. ПРИ СКОРОСТЯХ ВЫШЕ 100 КМ В ЧАС В ЖАРУ ОНИ МОГУТ РАЗОГРЕВАТЬСЯ ВЫШЕ +200С, ПЛАВЯ ВОКРУГ СЕБЯ РЕЗИНУ И ВЫЛЕТАЯ.
ТОЧНО ТАКЖЕ НЕЛЬЗЯ В ХОЛОДНОЕ ВРЕМЯ ЕЗДИТЬ НА ЛЕТНИХ ШИНАХ, НЕ ПОТОМУ ЧТО ОНИ БОЛЕЕ ТВЕРДЫЕ, И НЕ ПОТОМУ ЧТО НЕТ ЛЬДА, А ПОТОМУ ЧТО ОНИ ПЕРЕСТАЛИ БЫТЬ «РЕЗИНОВЫМИ» ЭЛАСТИЧНЫМИ, И ПО СВОЙСТВАМ НАПОМИНАЮТ ОРГСТЕКЛО ИЛИ ДЕРЕВО.

С ШИПАМИ ИЛИ БЕЗ?
Там, где проявляются преимущества шипованной резины, они на столько бесспорны, очевидны, и несравнимы с её недостатками, что спорить по этому поводу начинают только неосведомленные люди, приводящие исключительно субъективные аргументы. Например, что кто-то на шипах там улетел, а вот другой на липучках проехал. При этом сразу встают вопросы, как кто смотрел, какая реакция у водителей (способность принимать решения на основе увиденного), а также каковы водительские навыки.
Давайте отбросим эти не поддающиеся учету при сравнении шин вещи, и оценим только разницу в их сцепных свойствах (т.е. не будем рассуждать о технике вождения и об особенностях реакции водителя).
Сцепление в контакте двух поверхностей всегда зависит от свойств материала каждой из поверхностей, и ограничено прочностью на сдвиг материала самой слабой из поверхностей. Можно мысленно приклеить пятно контакта шины к дороге супер клеем, сцепление с глиной будет ограничено прочностью глины, а сцепление с асфальтом прочностью шины. Также влияет на трение и наличие дополнительных веществ между поверхностями (например, смазки).
Так условно можно считать, что коэффициент сцепления двух поверхностей k, равен произведению коэффициента сцепления k1 первой поверхности с идеальной поверхностью, и коэффициента сцепления k2 второй поверхности с такой же идеальной поверхностью. Т.е. k=k1*k2, из этой формулы по-прежнему следует, что общий коэффициент сцепления в паре зависит от сцепных свойств каждой из поверхностей. Так как бывают явно скользкие поверхности, такие например как ровный гладкий несильно холодный лед, с коэффициентом сцепления падающим почти до нуля, общее сцепление шины, т.е. просто резины на льду будет также сильно падать, так как один из множителей стремится к нулю. Не смотря на то, что сцепление при этом по-прежнему зависит от свойств шины, . k=k1*k2, оно все равно падает до значений от 0,05 до 0,1.
Так в паре со льдом, при отсутствии каких либо сыпучих материалов (снег, ледяная крошка) работают любые типы шин. Тормозной путь прямо пропорционален коэффициенту сцепления, во сколько раз он падает, во столько раз удлиняется тормозной путь. Если на зимнем асфальте коэффициент сцепления был около 0,6, то на льду в лучшем случае будет 0,1. На 60 км в час тормозной путь (не путать с остановочным) увеличится с 23м до 138м. Такая разница, например, будет для липучек на «катке» по сравнению с сухим асфальтом.
А как же работают шипы? Кроме трения покоя при движении шины всегда присутствует составляющая скольжения. Набегающие элементы шины сжимаются в пятне контакта, становятся ниже, но шире, элементы протектора проскальзывают в стороны. При выходе из контакта, элемент протектора восстанавливает свою форму, становится выше и уже, проскальзывая в обратную сторону. Можно взять молярную кисть, приложить её к столу и надавить. Будет видно, как она распушается, а при отпускании щетина проскальзывает обратно. Таким же образом в пятне контакта возникает небольшое проскальзывание, а при ускорении продольном или боковом оно дополнительно растет.
Максимальное сцепление наблюдается при 10-15% проскальзывании. Из-за этого явления мы наблюдаем истирание и износ шины, даже при умеренной езде. Но что такое истирание – это же разрушение, а для любого разрушения тратится дополнительная энергия. Всем понятно, для того, чтобы ошкурить слой дерева, надо приложить усилие. Эта анергия разрушения является дополнительным источником трения при движении шины. На скользких поверхностях типа льда разрушения почти не происходит, и, также как сила трения покоя, сила трения скольжения простого протектора сильно падает. Но если есть шипы, то они начинают царапать и разрушать лед. Это дополнительный и не зависимый источник сцепления. За счет энергии резания появляется добавочный коэффициент сцепления от 0,07 до 0,15, который добавляется к сцепным свойствам самого протектора.
Так просто протектор на скользком льду имеет сцепные свойства от 0,05 до 0,1, а с шипами от 0,05+0,07 до 0,1+0,15. Т.е. шипованная резина на «катке» почти удваивает сцепные свойства по сравнению с липучками, сокращая тормозной путь в 2-2,5 раза. При 60 км в час липучки на асфальте 23м, на льду 138м, шипованная резина на льду 55-69 м.
Ещё больший эффект получается от цепей противоскольжения.
Если снег и лед в регионе редкость нужно брать липучки, а в багажнике на случай катаклизма держать цепи, если же вы живете там, где снег и лед норма, рассуждать, что липучки не уступают шипам весьма наивно.
Насколько шипы уступают липучкам на асфальте?
Коэффициент сцепления шипованой резины падает на чистом асфальте на 5-10% не более.
Например, если для липучек он был 0,6, для шипов он будет 0,54. Предельный тормозной путь на 60 км в час будет удлиняться с 23м на липучках до 25 на шипах. Разве это сопоставимо с разницей на льду 60 для шипов и 138 для липучек? Такое увеличение предельного тормозного пути разумнее считать технологической особенностью, а не недостатком.