Кажуть, що нешиповані шини «прилипають ” до льоду, але як? вивчаємо їх гумову суміш

19

Як не дивно, перші серійні зимові шини були саме нешипованими: в 1933-1934 роках французька марка michelin, а потім і фінська suomen gummitehdas oy почали виробництво покришок з виступаючими блоками протектора, спеціально призначених для покритих снігом доріг. Але називати ці моделі “зимовими шинами сучасного типу” все ж не варто, тому що до ідеї ламелей і інтенсивно розсіченого протектора їх творці ще не дійшли. Зимовим шинам ще мав довгий шлях розвитку… У 60-70 роках минулого століття розробники повернулися до ідеї оснащення зимових шин шипами. Чому повернулися? та тому що ще на початку століття було чимало експериментів з оснащення автомобільних коліс шипами. Інша справа, що колеса вантажних автомобілів в той час оснащувалися литими шинами, так що вкрутити в них металеві шипи було відносно нескладно (чим і скористалися, наприклад, брати шеннон з сша). Але щоб забезпечити «залізними кігтями» покришки пневматичних шин, включаючи безкамерні, потрібно було винайти шип сучасного типу – такий собі металевий грибок з твердосплавним сердечником, «капелюшок» якого втоплена в гумове тіло протектора. На якийсь час склалося враження, що проблема вирішена остаточно і безповоротно, а «шиповані» і «зимові» шини стали синонімами. Але дуже швидко з’ясувалося, що шипи завдають величезної шкоди дорожньому полотну, і з 1975 року почався лавиноподібний процес заборони на використання шипів. В даний час ця заборона діє в багатьох країнах, в тому числі і в тих, де є звична нам справжня зима, з морозами і рясними снігопадами..

Але якщо не можна використовувати сталь, значить, потрібно змусити протектор працювати ефективніше. А що для цього потрібно зробити? зробити нарізку блоків протектора дрібніше, щоб з’явилося безліч гострих граней, чіпляються за найдрібніші нерівності. А такі нерівності є завжди, в тому числі і на поверхні льоду або укоченого снігу!

У підсумку сучасні фрикційні шини, особливо шини “скандинавського» або “арктичного” типу відрізняються дуже високою щільністю нарізки протектора (ми розповідали про це досить докладно). І тут варто відзначити, що японські шинники накопичили в області розробки фрикційних зимових шин нітрохи не менший досвід, ніж компанії з фінляндії, швеції та інших європейських країн. А що їм залишається робити? зима на хоккайдо цілком серйозна, при цьому використання шипів в японії заборонено законом. Так що вивчати методи, якими конструктори змушують шини» прилипати ” до слизької поверхні, ми будемо на прикладі відносно нових для нашого ринку шин toyo observe gsi-6. Вони були представлені в 2019 і надійшли в шинні центри в минулому, 2020 році, так що можуть вважатися “новітніми”. Про особливості їх конструкції ми вже писали, але в даному випадку не гріх і повторитися…

Фрикційні зимові шини можуть мати самий різний тип малюнка протектора: спрямований і ненаправлений, симетричний і асиметричний… Observe gsi-6 мають симетричний спрямований малюнок протектора. Від безлічі інших шин подібного типу цю модель відрізняє наявність центрального ребра з безліччю зазубрених стрілоподібних виступів.

Уздовж всього ребра проходить проріз у вигляді “сліду хитного маятника”, а в поперечному напрямку його розсікають численні прямі і зубчасті канавки, жодна з яких не перетинає ребро наскрізь і не з’єднується з поздовжньою зигзагоподібної канавкою. Таке рішення має зберегти високу щільність ребра, поліпшити реакції автомобіля на рулювання і його розгінно-гальмівну динаміку.

Але ламелі observe gsi-6 – це не просто вертикальні прорізи. Ламелі мають складну тривимірну структуру і містять хвилеподібні взаємопроникаючі елементи, що обмежують їх взаємну рухливість. Крім того, під навантаженням ламелі складної просторової форми починають працювати як мікронасоси, забезпечуючи ефективне відведення води з плями контакту.

Блоки протектора в плечовій зоні зроблені здвоєними (це зменшує взаємне зміщення блоків і покращує поведінку шини в поворотах), а в розділяють їх канавках є трикутні елементи, що отримали назву «снігові кігті». Вони не тільки покращують зчеплення шин зі сніговим покриттям, але і працюють, як контрфорси фортечних стін, які не дають блокам зміщуватися під навантаженням. Зовнішні блоки мають дуже високу щільність ламелізації, причому крім звичних хвилеподібних ламелей в кожному блоці двох внутрішніх рядів розміщені ламелі, закручені в спіраль (або, якщо завгодно, в п’ятикутний «коловрат»). Саме вони відповідають за збереження високого зчеплення при будь-якому векторі навантаження і при будь-якому куті повороту коліс. Навколо цих канавок розташовані “пентагони” борозенок, головне призначення яких – почати працювати буквально з перших метрів обкатки тільки що встановленої шини. Відповідно до цього призначення ці борозенки отримали власне найменування first edge.

Але всі ці хитрощі творців нешипованих зимових шин прекрасно працюють в снігу, на засніженому асфальті або в тій сніжно-водяній каші, яка покриває в зимовий період вулиці наших міст. Власне кажучи, в цих умовах фрикційні шини, як правило, перевершують своїх шипованих конкурентів. Але ось на чистому гладкому льоду і ламелі, і зазубрені кромки блоків виявляються безсилі – твердість навіть жорсткої гуми виявляється недостатньою для того, щоб кромки гумових блоків могли врізатися в лід і запобігати неконтрольоване ковзання. Тут потрібні шипи, але що робити, якщо використовувати їх заборонено? ну або що робити тим автовласникам, які в основному пересуваються в умовах, коли використання фрикційних шин вигідніше (тим більше, що вони істотно перевершують шиповані з точки зору акустичного і їздового комфорту), але чистий лід і сніговий накат на їхньому шляху все ж іноді зустрічається? вихід може бути тільки один: потрібно щось зробити зі складом гумової суміші, причому таким чином, щоб різко збільшити зчеплення з гладкою поверхнею льоду або снігового накату.

Варто згадати, що склад гумової суміші зимових шин і літніх шин має масу серйозних відмінностей. Спочатку до складу шинної гуми входили каучуки (природний і синтетичний), сірка і цинк, які зшивали полімерні ланцюжки каучуків в складні структури і перетворювали каучукове «тісто» в пружну і щільну гуму, і технічний вуглець (або просто сажа), який надає шинам міцність і всім знайомий чорний колір. У міру розвитку технологій склад шинного компаунда ставав все складніше: так, на рубежі 21 століття шинники почали активно додавати до складу суміші другий наповнювач, так звану «силіку», тобто відновлену кремнієву кислоту. Її застосування дозволило знизити опір коченню, а заодно поліпшити зчеплення шин з поверхнею дороги, зокрема – мокрою.

Однак проблема полягала в тому, що шина не може бути занадто м’якою – вона буде занадто швидко зношуватися. Але вона не може бути і занадто твердою, адже чим вище твердість, тим менше коефіцієнт зчеплення! у той же час жорсткість гумової суміші дуже сильно залежить від температури. Літні шини розраховані на експлуатацію при позитивних температурах, і вже при нулі градусів цельсія вони стають «дубовими». Щоб зимові шини зберігали еластичність, треба було ввести до складу суміші інші речовини, зокрема – масла.

Для того щоб всі входять до складу гумової суміші компоненти працювали узгоджено, а готова шина видавала задані параметри, довелося зайнятися вивченням взаємодії між речовинами на молекулярному рівні. Саме так народилася запатентована компанією toyo tires технологія nano balance, яка дозволила поглянути на звичайні фізичні процеси з точки зору хімії, зменшити внутрішнє тертя між компонентами гумової суміші за рахунок стимуляції дисперсії і впровадити високоточне регулювання співвідношення компонентів в суміші. Проте ця технологія сама по собі все ж не може вирішити проблему зчеплення поверхні блоків протектора нешипованих зимових шин з гладким льодом…

Провідні виробники шин довго шукали свої підходи до вирішення цього питання. Ще в 80-х роках минулого століття компанія dunlop (з якої і почалася історія пневматичних шин ще в xix столітті) спробувала ввести до складу суміші тонкий металевий дріт, причому таким чином, щоб поверхня гуми стала нагадувати своєрідну щітку. Виготовленим за такою технологією шинам було присвоєно амбітну назву winter winner («переможець зими”), проте наскільки-небудь широкого поширення ця технологія все ж не отримала. Мабуть, дріт в гумі, покращуючи зчеплення з льодом, серйозно погіршила інші параметри.

Проте ідея ввести до складу гуми якісь тверді частинки,Своєрідні мікроскопічні кігтики, якими не має шипів шина все-таки могла б чіплятися за гладкий лід, не померла і отримала свій розвиток. Так, один з провідних світових брендів пропонує шини, до складу суміші яких входять вкраплення менш щільних полімерів. У міру зносу ці полімери утворюють мікронерівності, які ефективно абсорбують водяну плівку на льоду і створюють додаткові кромки, що чіпляються за сніг.

Інша компанія, відома в першу чергу своїми зимовими шинами, запропонувала додавати в гумову суміш тверді частинки, за формою нагадують багатогранні кристали. Саме ці частинки, що отримали фірмову назву cryo crystal, працюють як мікроскопічні вбудовані шипи, причому з кожним новим кілометром пробігу ці кристали, розподілені в товщі протектора, виходять на поверхню і навіть дещо підвищують зчеплення з гладкими поверхнями. У компанії запевняють, що кристали ці «екологічно безпечні», але їх хімічний склад тримається в найсуворішій таємниці, не меншій, ніж коди управління американськими розвідувальними супутниками.

На відміну від них, toyo tires, де теж вирішили забезпечити свої нешиповані шини observe gsi-6 «льодовими мікрокоготкамі», не стали тримати в секреті матеріал, з якого вони складаються. Дійсно, що може бути секретного в подрібненої шкаралупі волоських горіхів? цей матеріал за визначенням екологічний, але разом з тим, якщо розглянути дрібні частинки шкаралупи під мікроскопом, можна побачити якусь природну огранювання, що перетворює шматочки шкаралупи в ті самі крихітні льодові шипи, які і були потрібні. При цьому осколки шкаралупи мають достатню твердість для того, щоб надійно чіплятися за лід, а ось пошкодити асфальтове покриття вони вже не здатні. Ця технологія отримала назву microbit.

Але з усіх складних ситуацій, з якими повинна справлятися фрикційна шина, найскладнішою, мабуть, є робота на льоду в умовах навколонульових температур. Вся справа в тому, що при терті гумових блоків об гладку крижану поверхню утворюється тонка водяна плівка, яка починає грати роль свого роду мастила, що ще більшою мірою знижує і без того невисокий коефіцієнт зчеплення. Щоб поліпшити розгінно-гальмівну динаміку в таких умовах, японські інженери додали до складу гумового компаунда розмелений в порошок бамбукове вугілля, який є природним абсорбентом і здатний ефективно вбирати цю водяну плівку. Природно, застосування такого природного матеріалу дає всі підстави говорити про екологічність цієї технології, і хоча вона не дозволяє їхати по льоду настільки ж впевнено, як по сухому асфальту, але все ж дозволяє виграти пару секунд на старті або кілька рятівних метрів при гальмуванні, які, можливо, і відокремлюють вас від дтп з серйозними наслідками.

Ну а на закінчення відзначимо, що ніякої ковід і ніякі кризові явища у світовій економіці не можуть зупинить науково-технічний прогрес. Ви читаєте цей матеріал, а в цей час хіміки в дослідницьких центрах шинних компаній чаклують зі складом шинної суміші, пробують використовувати різноманітні добавки і включення, моделюють процеси, що відбуваються всередині матеріалу шини під час руху в різних умовах. Проте навряд чи ми можемо з будь-яким ступенем достовірності передбачити, які технології будуть використовувати шинники років через 20-30. Хто знає, можливо, шини будуть являти собою квазіжівой організм, здатний змінювати і малюнок протектора, і властивості суміші в залежності від характеру покриття і зовнішніх умов. А що, в науковій пресі вже з’явилися повідомлення про те, що роботи в цьому напрямку вже ведуться… Але це «світле завтра», насправді, настане далеко не завтра і не післязавтра, та й створені за цим новим супертехнологіям шини спочатку будуть коштувати не просто дорого, а дуже дорого. Так що ще протягом багатьох років ми будемо орієнтуватися на співвідношення ціни і якості, а за цим параметром шини toyo можуть посперечатися з продукцією найвідоміших марок.