От чего зависит сцепление шин с дорогой? Часть 2

Или от чего зависит коэффициент сцепления?

В прошлой статье я вкратце описал, от чего зависит сцепление шины с дорогой с точки зрения физики. Все известные мнеспециальные справочники и научные труды описывают силу сцепления шин с дорогой известной формулой Амонтона-Кулона: F = µmg, и она отлично подтверждается практикой, несмотря на свою простоту. В итоге, мы имеем единственный параметр, входящий в эту формулу и имеющий отношение к шине – коэффициент сцепления. И за внешней простотой формулы Амонтона-Кулона скрывается достаточно сложный процесс, поскольку коэффициент сцепления не является постоянным и явно зависит от ряда других параметров:

• тип и качество дорожного покрытия
• состав резины протектора
• температура шины
• скорость движения автомобиля
• степень проскальзывания шины
• увод шины

Вот и поговорим о них в этой и следующих статьях.

Влияние качества дорожного покрытия на коэффициент сцепления

Это самый очевидный параметр, влияющий на сцепление шины с дорогой, и не нуждается в долгом обсуждении. Даже ребенку известно, что лед скользкий, а асфальт – нет. Приведу классический набор коэффициентов сцепления шины с разными дорожными покрытиями:

Значения примерны, могут отличаться в зависимости от справочника и, кроме того, были актуальны еще лет 20-30 назад. По некоторым данным, современные шины могут обеспечивать сцепление с сухим асфальтом с коэффициентом 1,0-1,1. Так что, вполне возможно, табличка устарела, но я все же рекомендую вам ориентироваться на нее – целее будете 

Практические рекомендации

1. Помните, что состояние дорожного покрытия очень и очень сильно влияет на сцепление шин с дорогой. Тормозной путь на льду зимой может превышать тормозной путь на асфальте летом до 10 раз. Даже летом в дождь тормозной путь может увеличиться в 2 раза по сравнению с тормозным путем на сухом асфальте. Поэтому всегда думайте о том, по какому покрытию едете, и выбирайте соответствующие дистанцию до автомобиля-лидера и скорость перед поворотом.

Влияние типа протектора на коэффициент сцепления

Состав резины протектора

Как я уже писал выше, в зависимости от предназначения шины, она имеет тот или иной тип протектора: летний, дождевой, зимний, грязевой и т.п.  На фото ниже изображены зимняя и летняя шины. Обращаю ваше внимание на то, что важен не рисунок протектора сам по себе (в ёлочку, в полосочку, в клеточку, в линеечку), а его тип. Конечно, рисунок у них разный, но не он принципиально отличает шины друг от друга, а разный тип протектора. У летней шины гладкие края, есть непрерывные продольные водоотводящие канавки, отсутствуют ламели, а глубина канавок заметно меньше, чем у зимней шины, хотя это и не видно из рисунка. У зимней же шины, наоборот, грубые острые края, котрые помогают разрушить снежно-ледяную корку и «зубами» зацепиться за снежную массу. Аналогичные и более ярко выраженные «зубы» есть у грязевых шин, позволяющие лучше зацепляться за рыхлые поверхности. Сам протектор зимней шины испещрён множеством прорезей – ламелей, канавки более глубокие, чем у летней шины. А самое главное отличие зимней и летней шин в том, что у летней резина жесткая – для асфальта, а у зимней – мягкая – для снега и морозов.

Логика следующая:

мягкий состав => хорошее сцепление на морозе и плохое в жару

жесткий состав => хорошее сцепление с теплым асфальтом и плохое на морозе

Практические рекомендации

2. Всегда учитывайте качество шин, которые установлены на вашем авто. Помните, что зимние шины никогда не будут держать асфальтированную дорогу так же хорошо, как летние, в силу особенностей состава резины. Причем летний асфальт зимние шины держат еще хуже, чем зимний. А летние шины эконом-класса всегда будут уступать в качестве сцепления с дорогой дорогим шинам премиум-класса. Учитывайте это и выбирайте стиль вождения в соответствии с возможностями вашего автомобиля и ваших шин.

3. Не экономьте на шинах, шины – единственное связующее звено автомобиля с дорогой и залог вашей безопасности. Используйте летом летние шины, не нужно ездить на зимних. Избегайте всесезонных шин, они не дают хорошего сцепления ни ни летом, ни зимой. Не стоит экономить и покупать дешевые шины эконом-класса. Лучше переплатить за хороший комплект шин и тем самым сэкономить на кузовном ремонте, а то и на лечении…

Влияние рисунка протектора

Что касается именно рисунка, он больше нужен для эстетического восприятия шины, и даже сами производители шин говорят, что рисунок – маркетинговый инструмент. Вы же не можете, глядя на стенд с шинами в магазине, определить состав их резины? Не можете. А отличить один рисунок от другого – очень даже. Вот на том и стоят…

Если вы когда-нибудь обращали внимание на гоночные шины, в частности, на болидах Формулы 1, наверняка замечали, что у гоночных шин вообще нет рисунка. Протектор есть, а рисунка нет. И это гоночный тип протектора для сухого асфальта.

Но на шинах для дождя уже есть рисунок, там протектор дождевого типа, и рисунок сделан так, чтобы максимально эффективно отводить воду из пятна контакта, чтобы вода не препятствовала контакту шины с асфальтом. При этом и состав резины особый, специально для влажного асфальта, и именно он задает сцепление. Таким образом, канавки в дождевом протекторе не могут повлиять на сцепление как таковое, они лишь не дают потеряться контакту шины с дорогой, а сцепление при наличии контакта обеспечивает состав резины.

Эта логика выглядит следующим образом:

дождевой тип протектора => эффективное удаление воды из пятна контакта => обеспечение лучшего контакта шины с дорогой => меньшая потеря первоначальных сцепных свойств => обеспечение сцепления за счет состава резины

неправильная логика:

дождевой тип протектора => улучшение сцепления с мокрой дорогой из-за рисунка «в ёлочку»

Практические рекомендации

4. Помните, что если у вас шины с модным, современным и навороченным рисунком протектора, это не дает принципиальных преимуществ в дождь или снег и не дает никаких преимуществ на сухом асфальте или льду. Возможно, ваш модный рисунок «нарисован» на высококачественном протекторе дорогих шин, тогда у вас действительно хорошее сцепление с дорогой в силу хорошего состава резины. Но и это не дает вам повода лихачить, поскольку даже самые хорошие шины не могут обойти законы физики.

5. Не стоит также при выборе шин гнаться за красивым рисунком протектора. По рисунку вы не сможете определить качество шины, все определяется составом резиновой смеси, который не виден глазом. Выбирайте шины премиум-сегмента ведущих производителей, ориентируйтесь на независимые шинные тесты и исследования.

Влияние износа протектора

Еще определенное влияние на сцепление шины с дорогой оказывает степень износа протектора. Есть такое народное заблуждение: лысые, то есть сильно изношенные шины плохо держат дорогу, особенно мокрую, потому что нет рисунка. Конечно, в случае с дождем это отчасти так и есть. Гладкие шины – те же гоночные слики буквально всплывают на водяной пленке (явление аквапланирования), а дождевые канавки в протекторе, как я писал выше, помогают отводить воду и избежать этого.

Но не только поэтому лысые шины хуже держат дорогу, а в случае сухого асфальта – вообще не поэтому. Просто состав резины протектора, который и отвечает за сцепление с дорогой, находится в поверхностном слое шины, глубже которого – уже другая резина, играющая другую роль. И когда шина изнашивается «долыса», этой цепкой резины просто не остается, а резина, находящаяся под протектором не может обеспечить должного сцепления, поскольку не предназначена для этого. Таким образом, износ протектора по сути означает не истирание рисунка, а исчезновение состава резины, который обеспечивает хорошее сцепление с дорогой.

Есть еще мнение, что наполовину изношенная шина имеет лучшее сцепление с дорогой, чем новая, но это больше актуально в поворотах, и об этом – в одном из следующих разделов.

Так что наибольшее влияние на сцепление шины с дорогой оказывает именно состав резины протектора. И широкая низкопрофильная спортивная шина обеспечивает лучшее сцепление, чем эко-шина с узким и высоким протектором, не потому что она широкая или с большим диаметром и не потому что у нее новый асимметричный рисунок протектора, а потому что имеет протектор спортивного предназначения с соответствующим составом резины.

В итоге, неправильная логика:

лысая шина => отсутствие рисунка протектора => ухудшение сцепления

правильная логика:

лысая шина => отсутствие резинового слоя с составом, обеспечивающим хорошее сцепление => ухудшение сцепления

Практические рекомендации

6. Не стоит бояться езды на шинах с частичным износом протектора, от этого они держат дорогу только лучше. Но вождение на полностью изношенных «лысых» шинах становится опасным, особенно, на мокрой дороге. Следите за износом и вовремя меняйте шины на новые.

Влияние температуры шины на коэффициент сцепления

Деформация любого тела приводит к его нагреву. Шина в процессе езды деформируется, особенно при разгонах, торможениях и поворотах, и, как следствие, нагревается. При прямолинейном и равномерном движении она тоже деформируется, но в большей степени из-за вертикальных колебаний вследствие дорожных неровностей. Поэтому температура шины, скажем, через час после начала поездки, значительно отличается от ее температуры до поездки, и еще более значительно, если на машине «отжигали» – много и интенсивно тормозили, ускорялись и с ветерком «вваливали» в повороты.

Коэффициент сцепления шины с дорогой зависит от температуры шины, причем его максимуму соответствует некая оптимальная температура. То есть на холодной шине коэффициент имеет какое-то значение, при нагреве увеличивается, а при перегреве шины снова уменьшается. Оптимальная температура для разных шин разная, для летних дорожных шин она находится в интервале 60-90 градусов, для гоночных шин – выше и может превышать 100 градусов.

В обычном дорожном вождении важно не перегреть шину, а в автогонках актуально избежать не только перегрева, но и недогрева. Недогрев в гонке означает недостаточно большой коэффициент сцепления, а значит, недостаточно большую скорость пилотирования. Перегрев опасен не только временным ухудшением сцепления с дорогой, но и повышенным износом протектора шины, а значит, преждевременным уменьшением сцепления, но для изношенной шины уже навсегда.

Практические рекомендации

7. Если вы – любитель динамичной езды, отправились в поездку, а на улице не стоит палящий зной, не стоит сразу динамично разгоняться и тормозить и «закладывать» в повороты. Дайте некоторое время шинам, чтобы они прогрелись до рабочей температуры и достигли максимального сцепления с дорогой.

8. Если же вы выезжаете на гоночный трек, помните, что от гоночной езды обычные дорожные шины могут перегреться и резко ухудшить свои свойства либо временно, пока перегретые, либо уже постоянно, если вы вовремя не отследите их перегрев и они быстро износятся.

Влияние ширины профиля шины на ее нагрев

Так вот как раз на температурную стабильность и устойчивость к перегреву и износу влияет ширина шины. Чем шире шина, тем выше ее теплоемкость и лучше обдув воздухом, тем самым она лучше отводит тепло, меньше нагревается и изнашивается. Следовательно, широкая шина имеет меньший риск уменьшения коэффициента сцепления в течение активной езды по дороге или гонки и дольше сохраняет первоначальные сцепные свойства. Хотя при одинаковом составе широкая шина изначально имеет тот же коэффициент сцепления, что и узкая шина, но она дольше его сохраняет. Так что для любителей активного «отжига» широкая шина должна быть предпочтительнее узкой.

Однако для увлекающихся гоночной ездой водителей важно найти золотую середину. Ведь увеличив ширину резины сверх меры, в результате можно не достичь оптимальной температуры. Излишне широкая шина будет охлаждаться слишком сильно, и есть риск, что, как ни старайся, выше 60 градусов мы шину не нагреем, а значит, получим меньший коэффициент сцепления, чем если бы поставили более узкую шину, и прогрели бы ее до нужной температуры.

Так что при увеличении ширины профиля шины имеет место следующая логика:

широкая шина => меньше перегрев и износ => долгое сохранение первоначальных сцепных свойств при повышенных нагрузках

неправильная логика:

широкая шина => больше площадь пятна контакта => больше сила сцепления с дорогой

Таким образом, ширина шины прямо не влияет на сцепление шины с дорогой, но влияет косвенно. Повторюсь, при одинаковом составе резины широкая шина изначально имеет тот же коэффициент сцепления, что и узкая шина, но дольше его сохраняет за счет меньшего риска перегрева и меньшего износа.

Практические рекомендации

9. Если вы любите динамичную езду и, что особенно важно, выезжаете на гоночный трек, используйте соответствующие шины – с широким и низким профилем, желательно из премиум-сегмента и от зарекомендовавших себя производителей. Для трека лучше всего использовать специализированные шины – полуслики или слики.

10. Помните также, что слишком широкие шины конкретно на вашем автомобиле могут не прогреваться до рабочей температуры вследствие интенсивного охлаждения, и тогда вы не сможете выйти на максимальный коэффициент сцепления и полностью использовать потенциал вашей машины. Во всем нужна мера – в том числе и в установке шин оптимальной ширины.

Влияние давления воздуха в шине на ее нагрев

Еще один фактор, влияющий на нагрев  шины – давление воздуха, до которого она накачана. Как я уже писал, шина нагревается от деформации. Чем больше деформация, тем больше нагрев. А чем больше давление воздуха в шине, тем она жестче и тем меньше деформация и тем меньше нагрев. Справедливо и обратное: низкое давление приводит к быстрому нагреву и, возможно, перегреву. Поэтому в инструкции к любой машине можно наряду с рекомендуемым давлением в шинах увидеть рекомендацию перекачать шины при езде с большим грузом или с большой скоростью.

Так что спущенные шины ухудшают ездовые характеристики из-за большей деформации шины. Но эта деформация плоха как сама по себе (это увеличивает увод, об этом – ниже), так и вследствие повышенного нагрева шины.

В итоге:

пониженное давление в шине => большая мягкость шины => большая деформация шины => увеличенный нагрев => повышенный риск временного снижения коэффициента сцепления и преждевременного износа

Не стоит путать температуру протектора шины и температуру воздуха в шине. Из закона Менделеева-Клапейрона

 PV=RT                                                                                            (7)

где Р – давление воздуха, V – объем воздуха, R – универсальная газовая постоянная, Т – температура воздуха,

немедленно вытекает, что при повышении температуры воздуха повышается и его давление, и, наоборот, при похолодании давление снижается. Это означает, что если сегодня при 0 градусов за окном вы накачали шины до оптимального давления, а завтра похолодало до -15, надо идти подкачивать шины. Хотя воздух из них никуда не делся, его давление заметно снизилось вследствие снижения температуры. Аналогично, при резком потеплении имеет смысл стравить воздух и избавиться от лишнего давления.

То есть:

похолодание на улице => снижение температуры воздуха в шине  => снижение давления воздуха в шине  => необходимость подкачать шины

Но этот факт никак не противоречит тому, что перед поездкой с большой скоростью, в том числе и по гоночному треку, следует перекачать шины во избежание их перегрева. Ведь шины перегреваются от повышенной деформации вследствие недостатка давления воздуха. А к переизбытку давления приводит нагрев воздуха в самой шине.

Практические рекомендации

11. Регулярно (1 раз в 1-2 недели) делайте плановую проверку давления в шинах с помощью манометра. В случае резкой смены температуры на улице делайте внеплановую проверку давления в шинах. Если проверка показала несоответствие давления рекомендованному заводом-изготовителем АВТОМОБИЛЯ, обеспечьте нужное давление – подкачайте спущенные или подспустите перекачанные шины.

12. Перед поездкой с большой скоростью и/или с большим грузом или на гоночном треке увеличьте давление в шинах примерно на 20%. Не забудьте по окончании поездки выпустить лишний воздух.

13. Помните, что давление воздуха в шинах следует проверять на холодных шинах – не менее, чем через 2 часа по окончании поездки. Если же машина проехала больше, чем 1 км пути, воздух в шинах нагревается, и манометр покажет завышенное давление.

Коэффициент сцепления шин с дорогой. Итоги

В этой статье я рассмотрел влияние на коэффициент сцепления шин с дорогой следующих параметров:

• тип и качество дорожного покрытия
• состав резины протектора
• температура шины

И вот выводы:

1. С дорожным покрытием все просто: шины хорошо держатся за асфальт и плохо за лед. Тормозной путь на этих покрытиях может отличаться даже в 10 раз.

2. Что касается самой шины, то наибольший вклад в сцепление вносит состав резины протектора. Рисунок протектора не влияет на сцепление на сухом асфальте, а на мокром влияет косвенно – выдавливает воду из пятна контакта и не дает шине всплыть на водяном клине, но само сцепление обеспечивает состав резины. Внешний вид рисунка протектора – эстетический момент, по нему вы не сможете на глаз определить качество сцепления шины с дорогой. Поэтому и лысая изношенная шина плоха не отсутствием рисунка, а отсутствием резины протектора.

3. Коэффициент сцепления зависит от температуры шины и достигает максимума при ее разогреве до рабочей температуры в 60-90 градусов. Широкий профиль шины страхует ее от перегрева и обеспечивает меньший износ и температурную стабильность за счет лучшего охлаждения воздухом. Поэтому спортивные шины для асфальтовой езды делаются широкими.

В следующей статье – о влиянии скорости движения автомобиля и проскальзывания шин на коэффициент сцепления.

Продолжение следует…