Характеристики шин: параметры, коэффициент сцепления с дорогой

Всё о коэффициенте сцепления шин с дорогой

Как шины влияют на безопасность, когда вы ведете машину по шоссе? Какие факторы помогают предотвратить занос и позволяют контролировать ваш автомобиль при повороте и остановке?

Вопросы безопасности на дорогах включают не только выбор правильной резины, но и учитывают фактор дорожного покрытия, технические характеристики транспортного средства ТС, другие факторы о которых узнаете ниже.

Измерение коэффициента сцепления дорожного покрытия по ГОСТ 50597-93

Исследования проводились динамометрическим приборомПКРС-2, результаты сведены в таблицу, где указаны виды дорожного покрытия и их состояние в зависимости от погодных и климатических условий. С момента ввода этих коэффициентов прошло много лет. Изменились технологии строительства дорог, в частности контактная поверхность дорожного покрытия. Данные таблицы надо рассматривать, как ориентировочные.

Сцепление шин с дорогой

Совершенно ясно, что эти коэффициенты не есть величина постоянная, а зависят от многих факторов:

• тип дорожного полотна, качество состояния;
• состояние шин транспортного средства их скоростные, нагрузочные и другие характеристики, входящие в маркировку;
• скорость движения ТС;
• наличие веществ, снижающих сцепление в зоне контакта поверхности колеса и покрытия (грязь, пролитые ГСМ);
• уклоны и опасные закругления автомобильной дороги.

Коэффициент сцепления между шиной и дорогой является одним из важных факторов, влияющих на безопасность дорожного движения. Состояние деформации шины различается в зависимости от силы торможения, вертикальной нагрузки на колесо.

Силы воздействия на участок поверхности шины во время торможения

Есть классическая формула в физике F =µN =µmg, которая связывает прямо пропорциональную зависимость силы трения от коэффициента сцепления контактирующих областей и прижимной силы. N равна произведению массы нагруженного колеса на ускорение свободного падения. Конечно распределение веса на переднюю ось будет больше при торможении, но эта классическая формула дает возможность понять какие факторы рассматриваются производителями шин, чтобы обеспечить безопасность автомобиля.

Зависимость тормозного пути от коэффициента сцепления шин с дорогой

Рисунок протектора колеса играет важную роль в определении трения или сопротивления скольжению. В сухих условиях на дорогах с твердым покрытием гладкая шина дает лучшую тягу, чем рифленый или узорчатый протектор, потому что имеется большая площадь контакта для создания сил трения. По этой причине резина, используемая для автогонок, имеет гладкую поверхность без рисунка протектора. К сожалению, гладкая шина развивает очень мало сцепления при влажных условиях, потому что фрикционный механизм уменьшается благодаря смазочной пленке воды между протектором и дорогой.

Рисунок канавки или каналы, по которым идет водоотвод, обеспечивает область прямого контакта между шиной и дорогой. Типовая шина дает коэффициенты сухого и влажного сцепления около 0,7 и 0,4 соответственно. Эти значения представляют собой компромисс между экстремальными значениями около 0,9 (сухих) и 0,1 (влажных), полученными с гладкой шиной.

Торможение на мокрой дороге

Когда автомобиль заторможен до жесткой остановки на сухой дороге, максимальная сила трения может быть больше, чем прочность протектора. В результате, вместо того, чтобы шина просто скользила по дороге, резина отрывается от протектора в области контакта шины и дороги. Несомненно, сопротивление протектора этому разрыву представляет собой сочетание прочности резины, канавок и щелей, составляющих дизайн протектора. Это тоже учитывают производители шин.

Сцепление шин таблица

Кроме того, размер контактной зоны очень важен в автомобильных шинах, потому что тяга является динамической, а не статической; то есть она изменяется по мере того, как колесо катится вперед. Максимальный коэффициент трения может происходить где угодно в области контакта, и чем больше площадь, тем больше вероятность максимальной тяги.

Таким образом, при одинаковой нагрузке и на одной и той же сухой поверхности более широкий профиль имеет большую площадь контакта и развивает более высокую тягу, что приводит к большей тормозной способности. Хотя некоторые специалисты считают, что большая площадь снижает давление на единицу поверхности и таким образом прижимная сила становится меньше, а потому выигрыш в тормозной способности остается под вопросом.

Европейская маркировка шин

В целях предоставления стандартизованной информации о расходе топлива, сцеплении на мокром покрытии и внешнем шуме от качения, Европейский Союз решил ввести обязательную маркировку всех новых шин (европейская маркировка).

С ноября 2012 года все новые шины, продаваемые в ЕС, должны иметь стикер европейской маркировки. Основанием для этого является предоставление базовых сведений о шине и помощь конечному пользователю при принятии решения о выборе новой шины.

Топливная эффективность

От чего зависит экономичность шины?

Простыми словами, топливо сберегающие шины требуют меньше энергии для преодоления сопротивления качению. Шины с низким сопротивлением качению позволяют снизить расход топлива, поскольку они требуют меньше энергии на трение и нагрев. Возможно, вам знаком термин “низкое сопротивление качению”, который, по сути, означает то же самое.

Как измеряется топливная экономичность?

Топливная экономичность находится в диапазоне от «А» до «G» на цветовой шкале.

A (зеленый цвет)= максимальная топливная экономичность

G (красный цвет)= минимальная топливная экономичность

Для легковых автомобилей рейтинг “D” не используется.

Расход топлива: разница между оценкой «А» и «G» составляет 0,5 л/100 км, что представляет собой 80 литров топлива в год (на базе 15 000 км/год).

Что означает этот рейтинг

Различие между рейтингом “A” и “G” может указывать на разницу в расходе топлива до 7,5%. Если выразить это в абсолютных показателях, использование шин с рейтингом “A” вместо шин с рейтингом “G” позволит экономить более 6 литров на каждой тысяче километров.*

При средней цене топлива 1,50 евро за литр можно сэкономить более 300 евро на протяжении всего срока эксплуатации шин*

И не забудьте о снижении влияния на окружающую среду!

*При условии среднего расхода 8 литров на 100 км, цены топлива на уровне 1,50 евро за литр и среднего пробега шин 35 000 км

Что еще влияет на топливную экономичность?

Для максимальной экономии топлива следите за уровнем давления в шинах. Низкое давление в шинах увеличивает сопротивление качению и влияет на эффективность сцепления с мокрым дорожным покрытием. Масса автомобиля и стиль вождения также влияют на расход топлива. Энергосберегающий стиль вождения, также называемый “эковождением”, может существенно снизить расход топлива.

*При условии среднего расхода 8 литров на 100 км, цены топлива на уровне 1,50 евро за литр и среднего пробега шин 35 000 км

Представленные здесь значения приводятся только в качестве иллюстрации. Значения для различных типоразмеров шин могут отличаться.

Маркировка:

A- максимальная топливная экономичность (Коэффициент сопротивления качению (RR), en kg/t RR ≤ 6,5)

Топливная эффективность — первый критерий, который можно увидеть на этикетке автошины. От шины зависит приблизительно 20 % расхода топлива автомобиля. Чем выше сопротивление качению шины, тем выше расход топлива автомобиля. Этикетка указывает класс сопротивления качению шины и ранжируется от A до G.

B– очень высокая топливная экономичность (Коэффициент сопротивления качению (RR), enkg/t6,6 ≤ RR ≤ 7,7)

Топливная эффективность — первый критерий, который можно увидеть на этикетке автошины. От шины зависит приблизительно 20 % расхода топлива автомобиля. Чем выше сопротивление качению шины, тем выше расход топлива автомобиля. Этикетка указывает класс сопротивления качению шины и ранжируется от A до G.

C- высокая топливная экономичность (Коэффициент сопротивления качению (RR), enkg/t7,8 ≤ RR ≤ 9)

Топливная эффективность — первый критерий, который можно увидеть на этикетке автошины. От шины зависит приблизительно 20 % расхода топлива автомобиля. Чем выше сопротивление качению шины, тем выше расход топлива автомобиля. Этикетка указывает класс сопротивления качению шины и ранжируется от A до G.

D- средняя топливная экономичность (Коэффициент сопротивления качению (RR), enkg/tНе используется)

Топливная эффективность — первый критерий, который можно увидеть на этикетке автошины. От шины зависит приблизительно 20 % расхода топлива автомобиля. Чем выше сопротивление качению шины, тем выше расход топлива автомобиля. Этикетка указывает класс сопротивления качению шины и ранжируется от A до G.

E– ниже-среднего топливная экономичность (Коэффициент сопротивления качению (RR), enkg/t9,1 ≤ RR ≤ 10,5)

Топливная эффективность — первый критерий, который можно увидеть на этикетке автошины. От шины зависит приблизительно 20 % расхода топлива автомобиля. Чем выше сопротивление качению шины, тем выше расход топлива автомобиля. Этикетка указывает класс сопротивления качению шины и ранжируется от A до G.

F- низкая топливная экономичность (Коэффициент сопротивления качению (RR), enkg/t10,6 ≤ RR ≤ 12)

Топливная эффективность — первый критерий, который можно увидеть на этикетке автошины. От шины зависит приблизительно 20 % расхода топлива автомобиля. Чем выше сопротивление качению шины, тем выше расход топлива автомобиля. Этикетка указывает класс сопротивления качению шины и ранжируется от A до G.

G- минимальная топливная экономичность (Коэффициент сопротивления качению (RR), enkg/tRR ≥ 12,1)

Топливная эффективность — первый критерий, который можно увидеть на этикетке автошины. От шины зависит приблизительно 20 % расхода топлива автомобиля. Чем выше сопротивление качению шины, тем выше расход топлива автомобиля. Этикетка указывает класс сопротивления качению шины и ранжируется от A до G.

Сцепление на мокрой поверхности

Узнать больше о маркировке шин ЕС

Сцепление с влажной дорогой – это важный фактор при выборе новых шин. Сцепление на мокрой дороге — это важный фактор при выборе новых шин.

Что такое сцепление с влажной дорогой?

Сцепление с влажной дорогой – это способность шины удерживать контакт с мокрой поверхностью. В классификации ЕС рассматривается только один аспект сцепления с влажной поверхностью – характеристики торможения шины на мокрой дороге.

Как измеряется сцепление с влажной дорогой?

Сцепление на мокрой дороге классифицируется от «А» до «F»:

А = максимальный уровень

F = минимальный уровень

Для легковых автомобилей индексы “D” и “G” не используются.

Торможение: разница между шиной с оценкой A и G равна дистанции в 18 метров, что представляет собой расстояние в 4 автомобиля.

Что означает этот рейтинг

В экстренных ситуациях сокращение тормозного пути на несколько метров может иметь решающее значение. Тормозной путь легкового автомобиля, на котором установлены шины с индексом А, при резком торможении со скорости 80 км/ч будет на 18 метров короче, ==>чем при использовании шин с индексом “F”. *

Внешний шум

Подробнее о маркировке шин ЕС

Значительная часть шума, создаваемого автомобилем при движении, связана с шинами. Использование тихих шин помогает снизить воздействие вашего автомобиля на окружающую среду.

Какие показатели охватывает шумовая классификация шин ЕС

Классификация ЕС измеряет уровень наружного шума, создаваемого шинами, в децибелах.

Класс шумности

Поскольку многие люди не ориентируются в децибелах, также приводится графическое обозначение класса шумности. Этот код показывает, как показатели шины соотносятся с будущими европейскими ограничениями на уровень шума от шин.

· 1 черная волна: тихая шина (как минимум на 3 дБ ниже будущего предельного значения для Европы)

· 2 черные волны: умеренно шумная шина (между будущим предельным значением и -3 дБ)

· 3 черные волны: шумная шина (превышает будущее предельное значение для Европы)

Что означает этот рейтинг

Количество децибел измеряется по логарифмической шкале. Дополнительные несколько децибел приводят к значительному увеличению уровня шума. Фактически разница в 3 дБ в два раза увеличивает уровень шума, производимого шиной.

Каждый день на дороги выезжают тысячи автомобилей. Если использовать более тихие шины, шум в наших городах станет значительно меньше.

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Сцепление шин грузовых автомобилей

Определение точных характеристик шин является важным условием оптимизации управляемости, ходовых качеств, комфорта­бельности автомобиля и уменьшения вибра­ций в трансмиссии. Мы уже затрагивали тему сцепления шины с дорогой в разделе «Физика автомобиля». По этой причине в этом статье мы поговорим о шинах размером 11 R 22,5, нашедшим широкое применение, и как происходит сцепление шин грузовых автомобилей с дорогой.

Приведенные ниже данные по рабочим характеристикам шин относятся к шине Michelin XZA 11 R 22,5.

Характеристики шины при свободном качении колеса и заданном угле увода

Когда шина вращается при заданном угле увода, боковые усилия являются функцией этого угла. Наличие боковых усилий вызывает появление стабилизирующего момента (рис. «График взаимозависимостей рабочих характеристик шин» ). Эта диа­грамма часто используется для иллюстрации подобного явления. Боковое усилие зависит от угла увода и медленно возрастает при при­ложении к колесу более высоких нагрузок (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шины (нагрузка на колесо и угол развала)» ). Боковые усилия обратно пропорциональны скорости движения, в то время как влияние скорости возрастает в зависимости от измене­ния нагрузки на колесо (рис. «Соотношение между боковым усилием, стабилизирующим моментом и углом увода шины (параметр скорость)» ).

При рассмотрении работы шин для легко­вых и малотоннажных грузовых автомобилей выявляется следующее. При качении колеса с заданным углом увода, определяемым развалом колеса, развал и боковые усилия приводят к параллельному смещению кривых «боковое усилие — угол увода».

Шины большегрузных грузовых автомоби­лей также подвержены воздействию боковых усилий, зависящих от развала, что приводит к дополнительному смещению этих же кривых; это явление имеет место только при больших углах увода. В результате практически все кривые пересекаются в точке начала коорди­нат (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шины (нагрузка на колесо и угол развала)» ). При движении по сухим дорогам уменьшенная глубина рисунка протектора шины приводит к большей крутизне кривых «боковое усилие — угол увода», что также со­провождается увеличением значений макси­мальных боковых усилий (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шины (глубина протектора)» ).

Характеристики шины при ускорении и торможении во время качения колеса по прямой

Относительное скольжение воздействует на шину аналогично воздействию угла увода (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шины (нагрузка на колесо и скорость движения)«). Мак­симальное окружное усилие (сила торможения) обычно находится в диапазоне 10-20% относительного скольжения шины на сухом дорожном покрытии. Коэффициент сцепления в перифе­рийном направлении уменьшается с ростом на­грузки на колесо не так сильно, как в попереч­ном направлении. На шинах больших размеров влияние, которое скорость движения оказывает на поперечный коэффициент сцепления, менее заметно в нормальном скоростном диапазоне для большегрузных грузовых автомобилей, чем для шин, устанавливаемых на легковых автомобилях (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шины (нагрузка на колесо и скорость движения)«).

Величина внутреннего давления в шине ока­зывает только минимальное влияние на макси­мальные окружные усилия при низкой нагрузке на колесо. При более высоких нагрузках на ко­леса пониженные давления в шинах в гораздо большей мере оказывают влияние на увеличе­ние максимального окружного усилия (рис. «Соотношение между тормозным усилием и углом увода шин грузовых автомобилей (внутреннее давление в шине и нагрузка на колесо)» ).

Боковые и окружные усилия по-разному изме­няются при высокой нагрузке на шину при изме­нении внутреннего давления в шине (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шин грузовых автомобилей (внутреннее давление в шине и нагрузка на колесо)» и «Соотношение между тормозным усилием и углом увода шин грузовых автомобилей (внутреннее давление в шине и нагрузка на колесо)).

Характеристики шины при разных углах увода и относительном скольжении

Если при качении шин к ним, кроме продоль­ных сил, прикладываются и боковые силы, то любое проскальзывание, вызванное про­дольными силами, будет снижаться с уве­личением угла увода. Чем больше значение угла увода, тем в большей степени кривая изменения максимальной продольной силы смещается в сторону более высоких показа­телей скольжения (рис. «Соотношение между тормозным усилием и углом увода (угол увода)» ).

Эллиптические кривые, характеризующие зависимость между боковым и окружным (тор­мозным) усилиями, изменяются в соответствии с изменением величины нагрузки на колесо (рис. «Соотношение между боковой силой и тормозным усилием» ). При критической колесной нагрузке эта кривая соответствует пределу сцепления шины с дорогой для автомобилей, оборудован­ных антиблокировочной системой тормозов.

Измеренные характеристики шин пока­зывают кривую боковой силы как функцию силы торможения в диапазоне углов бо­кового увода 0-10°. Такие параметры, как вертикальная нагрузка на колесо, скорость движения и давление в шине, остаются по­стоянными (рис. «Кривые, полученные на основе замеренных характеристик шин при нагрузке на колесо 30 кН» ).

Шины на мокрой дороге

Когда шины движутся по мокрой дороге (рис. «Контактное пятно шины, зависящее от состояния дороги» ), в передней части контактного пятна шины образуется зона вытеснения А. За короткой пере­ходной зоной В следует зона фактического кон­такта С в задней части контактного пятна. Зона А характеризуется водяным клином, полностью отделяющим шину от поверхности дороги. Если зона А охватывает всю контактную поверхность «шина/дорога», то автомобиль аквапланирует. Ниже перечислены ключевые переменные, влияющие на коэффициент сцепления шин на мокрой дороге:

• Скорость движения;
• Глубина слоя воды;
• Нагрузка на колесо;
• Ширина шины;
• Глубина протектора;
• Рисунок протектора;
• Распределение контактного давления в контактном пятне шины;
• Состав резины;
• Состояние поверхности дорожного по­крытия.

В свою очередь, каждый из этих параметров также зависит от ряда других влияющих пере­менных.

Например, распределение контактного давления в контактном пятне шины также за­висит от конструкции шины, рисунка протек­тора, угла развала колес, брекерного пояса шины, конструкции боковин и, в увязке с двумя последними переменными, — от кри­вой рисунка протектора, параллельной оси колеса.

На левой схеме на рис. «Влияние глубины слоя воды на силу торможения и боковую силу» показаны кривые сил, воздействующих на шины, в функции их конструктивных параметров. Примечательно, что наблюдаются в принципе одинаковые кривые для боковой силы как функции угла бокового увода и силы торможения как функ­ции проскальзывания колеса на различной глубине воды. Форма характеристической кривой также одинаковая при разной глубине.

На средней схеме на рис. «Влияние глубины слоя воды на силу торможения и боковую силу» показана зави­симость силы торможения от скорости движе­ния на различной глубине слоя воды. В диа­пазоне сцепления шин с мокрой дорогой, т.е. при минимальной глубине воды, на сцепление в значительной мере влияет состав резины. Однако в диапазоне аквапланирования, т.е. при высоком уровне воды и на высокой скорости (в остальном параметры шин идентичны) преоб­ладающими влияющими переменными будут рисунок протектора и распределение контакт­ного давления в контактном пятне шины Другим крупным влияющим параметром является глубина рисунка протектора, явля­ющаяся частью сложной системы — рисунка протектора. На правой схеме на рис. «Влияние глубины слоя воды на силу торможения и боковую силу» по­казан эффект глубины рисунка протектора при различной глубине воды.

На рис. «Зависимость пределов сцепления от глубины воды» приведена карта-схема, ото­бражающая пределы сцепления с дорогой, зависящие от глубины слоя воды.

На рис. «Характеристики аквапланирования грузовых шин различных изготовителей» показаны силы торможения, до­стигаемые с различными шинами в условиях аквапланирования. Разница в уровнях характе­ристик шин различных изготовителей в усло­виях аквапланирования очень значительна. Они могут противоречить концепции управления ди­намикой, используемой автопроизводителями на многих этапах оптимизации.

Шины на скользкой зимней дороге

Схемы характеристик шин на льду и снегу очень похожи на схемы характеристик на сухой дороге. Ключевыми параметрами, влияющими на сцепление с дорогой явля­ются температура, условия образования слоя льда и снега, возраст ледяной или снежной структуры и степень загрязнения.

Другой важной переменной, влияющей на сцепление шин со скользкой зимней дорогой, является состав резины шины.

Предъявляемые к шине требования при движении по снегу и по льду часто различа­ются. В то время как для снега идеально под­ходит большая компрессионная нагрузка и высота рисунка протектора, самоочищающе­гося и обеспечивающего хорошее сцепление, для оптимального сцепления на льду пред­почтительна небольшая компрессионная на­грузка.

На схеме боковых сил и угла бокового увода показано влияние температуры на поверхно­сти льда (рис. «Влияние температуры льда на поведение шин при прохождении поворотов«, слева).

В дополнение к широкому спектру макси­мально достигаемых боковых сил, ключевую роль в их формировании играет и темпера­тура. Здесь максимум боковых сил образу­ется на льду при температуре около 0 °С. Аналогично образуется максимум тормозных сил, как показано на схеме «силы торможе­ния / скольжение колес».

На правой схеме на рис. «Влияние температуры льда на поведение шин при прохождении поворотов» показано влияние температуры на поверхности льда на максимальную боковую силу при разной скорости. При падении температуры эффек­тивность шины вновь повышается.

Требования к системе «колесо/шина»

Требования, предъявляемые к шинам буду­щего:

• Общее соответствие системе «колесо/шина» в целом;
• В настоящее время предлагается меньше ва­риантов шин;
• Разработки новых шин должны либо соот­ветствовать, либо превосходить текущие требования к функциональной безопасности, экономичности и сроку службы;
• Минимизированное сопротивление качению;
• Стандартизированные шины на всех колесах;
• Сниженная масса шины;
• Общая совместимость с цепями противо­скольжения;
• Пониженный уровень шума от качения шины;
• Значительно меньше неоднородностей в шине;
• Значительное улучшение сцепления шин с дорогой совершенно необходимо (как в по­перечных, так и в продольных направлениях) для увеличения безопасности движения в потоке с другими участниками дорожного движения;
• Раннее составление схем-характеристик шин для анализа и оптимизации управления ди­намикой.

Непрерывная адаптация грузовых автомоби­лей к существующим и предсказуемым за­просам рынка — также требует расширения пределов характеристик шин. Это порождает следующие основные требования к конструк­ции шин:

• Снижение массы шины;
• Увеличение грузоподъемности;
• Уменьшение неровности колес;
• Увеличение долговечности колес в точках, подверженных растрескиванию (т.е. борт диска и вентиляционные отверстия, свар­ной шов между диском и ободом, радиус утопленного центра).

Карты динамических характеристик шины

Характеристические кривые для шин стро­ятся на основе тех параметров, которые под­вергаются постепенным изменениям при про­ведении измерений, т.е. в квазистатических условиях. Реальные условия работы, с другой стороны, характеризуются динамическими процессами. Увеличение скорости изменения влияющих параметров приведут к опреде­ленным изменениям реакции шины в плане маневрирования, которыми больше нельзя будет пренебрегать.

Наиболее важными яв­ляются динамические изменения:

• Угла увода;
• Ширины колеи;
• Развала;
• Проскальзывания;
• Нагрузки на колесо.

Реакция шины на эти быстро изменяющиеся параметры обычно описывается как функ­ция частоты в программных картах, т.е. частотно-зависимые амплитуды и фазовые углы воздействующих на шину сил и момен­тов изображаются как функция сил, воздей­ствующих на шину. Сюда относится частотно-­зависимая характеристическая кривая для средних значений сил и моментов.

Таблица 3. – Значения коэффициента сцепления шин с дорогой для различных дорожных условий

Асфальтобетон и цементобетон

Дорога, покрытая укатанным снегом

Обледенелая дорога, лед

Рис. 2. – Схема возникновения аквапланирования колеса:

а – вода из пятна контакта удалена через канавки на протекторе шины; б – вода не успевает удаляться из пятна контакта полностью и передняя часть колеса всплывает на “водяной подушке”; в – колесо полностью теряет контакт с дорогой; Gк – сила тяжести, приходящаяся на колесо.

Чтобы избежать подобных явлений, необходимо снимать с эксплуатации шины при уменьшении глубины канавок протектора до минимально допустимой величины. При наличии на дороге больших луж не въезжать в них на высокой скорости.

При торможении (рис. 3) на колеса действует тормозная сила Pтр, которая создает тормозную реакцию между колесами и дорогой Rтр. Реакция Rтр складывается с Pк, Pп, Pв и вызывает замедление транспортного средства.

Силой, препятствующей замедлению транспортного средства, является сила инерции транспортного средства Pи, которая равна сумме сил сопротивления движению:

Pи = Pтр + Pк +/- Pп + Pв (3.9)

Величина реакции торможения Rтр, Н, между колесами и дорогой не может превысить силы сцепления Pсц:

где – коэффициент сцепления; Ga – вес транспортного средства, Н.

Поскольку центр масс (ЦМ) транспортного средства расположен выше плоскости дороги на величину ha, сила инерции Pи создает момент Pи * ha, который увеличивает нагрузку передних колес и разгружает задние колеса. Изменение вертикальных реакций Rz1 и Rz2 приводит к соответствующему изменению сил сцепления на передних Pсц1 и задних Pсц2 колесах.

Рис. 3. – Силы, действующие на транспортное средство при торможении: Rтр1, Rтр2 – тормозная реакция между передними и задними колесами и дорогой соответственно; Pк1, Pк2 – силы сопротивления качению передних и задних колес соответственно; Pв – сила сопротивления воздуха; Pи – сила инерции Rz1, Rz2 – вертикальные реакции на передних и задних колесах соответственно; Ga – сила тяжести транспортного средства; ЦМ – центр масс; ha – высота ЦМ.

Чтобы тормозной путь был минимальным, необходимо обеспечить достижение момента блокировки передних и задних колес одновременно. А для сохранения устойчивости при торможении блокировка передних колес должна происходить несколько раньше, чем задних (об этом см. ниже “Торможение педалью тормоза при выжатой педали сцепления”).

Тормозная система проектируется так, чтобы обеспечить выполнение этого условия при полной массе автомобиля. Опережающая блокировка передних колес при уменьшении массы транспортного средства и снижении ее доли, приходящейся на задние колеса, достигается установкой регулятора тормозных сил, который ограничивает тормозную силу на задних колесах при уменьшении нагрузки автомобиля. В процессе эксплуатации транспортного средства необходимо следить за исправностью регулятора.

Криволинейное движение. Чтобы транспортное средство перешло от прямолинейного движения к криволинейному, к нему необходимо приложить поворачивающий момент. Момент создается поворотом управляемых колес на угол (рис. 4), при этом колеса становятся своего рода преградой на пути прямолинейного движения транспортного средства. А так как транспортное средство стремится двигаться по прямой, сила инерции “давит” на “преграду”. Сопротивление “преграды” и является реакцией между повернутыми колесами и дорогой – Rк.п. Эта реакция может быть заменена двумя составляющими, одна из которых действует в плоскости вращения колеса и является дополнительной силой сопротивления качению при криволинейном движении Pк.к, а другая, направленная перпендикулярно плоскости вращения колеса к центру поворота, является реакцией между управляемыми колесами и дорогой Ry1, создающей поворачивающий момент M1.

Величина дополнительного сопротивления качению при криволинейном движении Pк.к увеличивается с возрастанием поперечной реакции Ry1 и угла поворота управляемых колес:

С учетом изложенного уравнения баланса сил продольного движения (3.7) и (3.9) на повороте примут соответственно следующий вид:

Pт = Pк + Pк.к +/- Pп + Pв + Pи (3.12)

Pи = Pтр + Pк + Pк.к +/- Pп + Pв (3.13)

Движение транспортного средства на повороте описывается двумя движениями: траекторией ЦМ и углом поворота относительно него продольной оси транспортного средства .

Как можно видеть из рис. 4, величина поворачивающего момента M1 равна произведению поперечной реакции на передних колесах Ry1 на расстояние a от ЦМ до передних колес:

При криволинейном движении в ЦМ возникает центробежная сила Pц, которая уравновешивается поперечной реакцией Ry. Эта реакция равна сумме поперечных реакций на передних Ry1 и задних Ry2 колесах (рис. 4а):

Pц = Ry = Ry1 + Ry2 (3.15)

Поворачивающий момент M1 уравновешивается стабилизирующим моментом M2, который равен произведению поперечной реакции на задних колесах Py2 на расстояние b от ЦМ до задних колес:

Когда поворачивающий и стабилизирующий моменты равны между собой (M1 = M2), движение является устойчивым. В случае, если M1 станет больше M2, произойдет занос транспортного средства.

Величины центробежной силы Pц и уравновешивающей ее поперечной центростремительной реакции Ry равны произведению массы транспортного средства Ma на квадрат его скорости Va2, деленному на радиус поворота Rпв:

Pц = Ry = Ma Va2 / Rпв (3.17)

Поперечная реакция Ry распределяется между передними и задними колесами обратно пропорционально расстояниям от ЦМ до передних a и задних b колес соответственно. С учетом уравнения (3.17) получим:

Ry1 = b Ry / L = b Ma Va2 / Rпв L (3.18)

Ry2 = a Ry / L = a Ma Va2 / Rпв L (3.19)

где L – база транспортного средства.

Угловая скорость поворота продольной оси транспортного средства при прямолинейном движении равна нулю. При круговом движении с постоянной линейной скоростью Va угловая скорость поворота продольной оси равна . Поэтому при входе в поворот должен произойти разгон до угловой скорости поворота , а при выходе из поворота – замедление угловой скорости до нуля, т.е. возникает угловое ускорение .

Можно сказать, что транспортное средство является своего рода маховиком, который сначала необходимо раскрутить относительно ЦМ, а затем остановить. Поэтому для входа и выхода из поворота к транспортному средству необходимо приложить дополнительно поворачивающий и тормозной моменты соответственно. Так же как величина силы инерции пропорциональна произведению массы на линейное ускорение, так и при вращении величина момента инерции вращения Mиz равна произведению момента инерции массы транспортного средства Iz на угловое ускорение транспортного средства :

Чтобы создать момент инерции вращения Mиz, между колесами транспортного средства и дорогой должны возникнуть дополнительные поперечные реакции в виде пары сил Ryм (рис. 4б, в). Чтобы определить величину Ryм, необходимо разделить момент инерции вращения Mиz на плечо приложения сил – базу транспортного средства L. С учетом уравнения (3.20) получим выражение для определения Ryм:

Центростремительные реакции Ry1 и Ry2 всегда направлены в одну сторону – к центру поворота. Одна из реакций Ryм направлена к центру поворота, а другая – от центра. Поэтому на одних колесах происходит сложение реакций Ry и Ryм, а на других – их вычитание. При входе в поворот (см. рис. 4б) реакции на передних колесах Ry1 и Ryм складываются, а на задних колесах Ry2 и Ryм вычитаются. При выходе из поворота (см. рис. 4в) имеет место обратная картина. Реакции на передних колесах Ry1 и Ryм вычитаются, а на задних колесах Ry2 и Ryм складываются.

С учетом изложенного, суммарные поперечные реакции на передних и задних колесах будут равны:

Рис. 4. – Силы, действующие на транспортное средство на повороте:

а – движение повороте с постоянной скоростью ; б – вход в поворот, т.е. увеличение угловой скорости поворота от 0 до ; в – выход из поворота, т.е. уменьшение угловой скорости поворота от до 0; Rк.и. – реакция между повернутыми колесами и дорогой под действием силы инерции; Pк.к. – составляющая Rк.и, увеличивающая сопротивление качению на повороте; Ry1 – как составляющая Rк.и поперечная реакция между передними управляемыми колесами и дорогой, создающая поворачивающий момент; Ry2 – поперечная реакция между задними колесами и дорогой, создающая стабилизирующий момент; Pц – центробежная сила; Rу м – поперечная реакция на колесах, создающая пару сил; – угол поворота управляемых колес; Va – скорость автомобиля; – угловая скорость поворота автомобиля; – угловое ускорение поворота автомобиля; L – база автомобиля; a – расстояние между ЦМ и передними колесами; b – расстояние между ЦМ и задними колесами; Rпв – радиус поворота автомобиля.

Суммарные поперечные реакции на колесах и не могут превышать силы сцепления. Условие движения без поперечного скольжения колес запишется в следующем виде:

где – коэффициент сцепления; G1 – вес транспортного средства, приходящийся на передние колеса, Н; G2 – вес транспортного средства, приходящийся на задние колеса, Н.

Из изложенного следует, что когда на входе в поворот суммарная поперечная реакция на передних колесах достигнет силы сцепления, реакция будет меньше силы сцепления и начнется поперечное скольжение передних колес – снос транспортного средства. При выходе из поворота будет иметь место обратная картина. Поперечное скольжение начнется на задних колесах – произойдет занос транспортного средства.

Поперечное скольжение колес грузового автомобиля и автобуса возможно на скользком покрытии, когда . При более высоких значениях ограничение Py и, соответственно, скорости автомобиля Va происходит вследствие его опрокидывания.

Причиной поперечного опрокидывания транспортного средства на повороте является центробежная сила. На рис. 5 представлена схема сил, от которых зависит поперечная устойчивость транспортного средства. Поперечная сила Py действует на плече ha, равном высоте ЦМ, и стремится опрокинуть транспортное средство. Удерживает транспортное средство от опрокидывания его сила тяжести Ga, которая в случае равномерного распределения нагрузки в кузове действует на плече, равном половине ширины колеи транспортного средства Ka / 2. На основании изложенного условие движения без опрокидывания описывается уравнением:

Параметры шин автомобилей

От шин напрямую зависят многие факторы. К примеру, покрышки обеспечивают максимальный коэффициент сцепления с дорогой, что приводит к повышению управляемости как на сухом, так и влажном асфальте. Кроме того, состояние и характеристики шин могут оказывать воздействие на время разгона, состояние подвески и даже расход топлива в различных ездовых режимах. Сегодня мы расскажем о том, какими бывают характеристики автомобильных шин, и почему так важно обращать на них особое внимание.

Технические параметры

Параметры шин, относящиеся к их размерности, крайне важны. Во-первых, именно от них зависит, какого размера должен быть диск и какими параметрами будет обладать. Кроме того, производитель достаточно точно рассчитывает подобные показатели таким образом, чтобы максимально сократить энергозатраты, но при этом повысить управляемость автомобиля и комфорт от вождения железного коня.

Вообще говоря, автомобилисты достаточно часто подходят к выбору шин по размеру со всей ответственностью. Дело не только в том, что, приобретя дешевые или некачественные покрышки, можно лишить себя многих преимуществ того или иного автомобиля, которым посчастливилось владеть.

Главная проблема заключается в том, что, даже поместившись на колесный диск, шина может банально не вместиться в колесную арку или задевать ее при вороте руля. Это может напрямую влиять на показатели сцепления с дорожным полотном и другие жизненно важные факторы.

Так или иначе, самой главной цифрой, которая оказывает основное влияние на выбор автовладельца, является диаметр покрышки. От этой величины зависит, каков должен быть радиус колесного диска, на который планируется установка. Обычно радиус выражается в дюймах, и его числовое обозначение на покрышке должно полностью совпадать с маркировкой самого диска. Как правило, обозначение на шине и на диске найти не составляет большого труда: все, что нужно сделать, — обратить внимание на боковину, где обычно и находится штамповка.

Второй параметр, на который также крайне важно обращать внимание, — это ширина профиля. Ширина всегда выражается в миллиметрах и означает расстояние между двумя крайними точками шины, если развернуть ее в профиль. Разумеется, ширина зависит от параметров диска, поэтому стоит заглянуть в сервисную книжку машины, прежде чем идти в магазин за новыми шинами.

Высота профиля мало зависит от параметров колесного диска. Этот показатель означает, каково расстояние от внутреннего обода покрышки до внешнего. Обычно владельцы ориентируются на рекомендации производителя, однако в исключительных случаях устанавливают завышенный профиль, что несколько увеличивает дорожный просвет.

Динамические показатели

Размер шины, безусловно, крайне важен: от него зависит, насколько будут точны показатели спидометра, как машина будет вести себя при езде, и как быстро будет происходить износ самих покрышек.

Однако еще один показатель, который невероятно важен в плане обеспечения безопасности и управляемости, — это коэффициент сцепления с дорогой. Обычно коэффициент не имеет обозначений в физической величине: это просто цифра, которую специалисты учитывают при проектировании и разработке покрышек.

Но, с другой стороны, коэффициент сцепления с дорогой может сказать владельцу достаточно многое. К примеру, очевидно, что пропорция между управляемостью автомобиля на любом типе покрытия и коэффициентом сцепления с дорогой всегда остается прямой: чем выше данный показатель, тем меньше вероятность того, что машина потеряет управление и уйдет в занос.

К слову, иногда свойство низкого коэффициента сцепления с дорогой используют в профессиональном спорте. К примеру, на соревнованиях по дрифту, где важно, чтобы машину можно было легко отправить в занос, заведомо применяют покрышки с невысоким коэффициентом сцепления с дорогой. Это позволяет не только добиться больших возможностей автомобиля при заносе, но и сделать шоу более зрелищными и привлекательными.

Коэффициент сцепления с дорогой по большому счету необходим для того, чтобы у производителей появилась возможность рассчитать конечные значения силы трения и тяжести, которые действуют на шину при приложении различных нагрузок. К примеру, при передвижении на нагруженном автомобиле и при неизменном коэффициенте сцепления с дорогой сила трения будет выше.

С одной стороны, это означает, что управляемость машины значительно повысится, поскольку покрышка будет плотнее прилегать к дорожному полотну. С другой стороны, это приведет к повышению расхода топлива и к ускоренному износу корда. Поэтому важно соблюдать баланс между экономичностью и управляемостью, чем и занимаются производители по всему миру, которые ставят вопрос качества автошин превыше всего.

Подводя итоги

Показатели и данные шин играют значительную роль при выборе и покупке подобных комплектующих. Грамотный подход к выбору гарантирует, что машина раскроет свой потенциал максимально полно, а безопасность передвижения в любых погодных условиях будет оставаться максимальной.

От чего зависит сцепление шин с дорогой? Часть 1

Дорогие друзья! Два года назад я написал статью «Сцепление шин с дорогой не зависит от площади пятна контакта?», и она вызвала бурную реакцию аудитории. Статья до сих пор находится в блоге, и на ее странице много комментариев, вопросов, споров, рассуждений. Кто-то, прочитав, поблагодарил меня за развенчивание мифов и простое, доступное объяснение физики процесса. Кто-то, наоборот, раскритиковал за излишнюю упрощенность и ограниченность моих рассуждений и аргументов.

За два года, что прошли с момента написания этой статьи, я поучаствовал во многих дискуссиях на эту тему, познакомился с новой литературой, пообщался с другими физиками (сам я – тоже физик по специальности), гонщиками и кое-что переосмыслил. Суть моих размышлений не поменялась, они стали более систематизированы и поменялись формулировки. Вот их я и изложу ниже. Поехали.

Сила трения покоя: закон Амонтона-Кулона

Снова вернусь к школьной физике. Напомню, школьная физика и классическая механика достаточно точно описывают повседневные явления. Пока речь не заходит об очень маленьких масштабах или релятивистких скоростях, классическая механика отлично работает. Более того, в какие бы научные труды о сцеплении шин с дорогой я не заглядывал, я видел в них много страшных зубодробящих формул, интегралов, рядов, но в конце концов все сводилось к одной простой школьной формуле, которая называется законом Амонтона-Кулона:

где µ — коэффициент сцепления, N – сила, прижимающие одно тело к другому (в данном случае, вес шины плюс вес части автомобиля, приходящейся на эту шину), m — масса тела (шины и части автомобиля, приходящейся на эту шину), g — ускорение свободного падения.

То есть сила трения пропорциональна силе, прижимающей одно тело к другому, и коэффициенту трения. В самом простом случае эта сила — вес и представляет собой силу тяжести, то есть произведение массы тела на ускорение свободного падения. И тогда сила трения покоя пропорциональна коэффициенту трения, массе тела и ускорению свободного падения.

Сила трения покоя – она же сила сцепления

Автомобиль движется благодаря силе трения покоя в области контакта шины с дорожным полотном, а не силе трения качения, как иногда думают. Сила трения качения – следствие деформации шины. Она наоборот тормозит движение автомобиля. А пятно контакта шины с дорогой покоится относительно дороги в случае качения шины. Конечно, во время качения в пятне контакта всегда присутствуют элементы протектора, проскальзывающие относительно дороги, но в случае равномерного прямолинейного движения автомобиля в первом приближении их можно не учитывать и считать силу трения силой трения покоя или еще ее называют силой сцепления шины с дорогой, а коэффициент трения покоя – коэффициентом сцепления. При торможении большая часть элементов протектора может скользить вдоль дорожного полотна. В этом случае вращение колеса (и следовательно автомобиль) тормозится силой трения скольжения. Стоит отметить, что обычно сила трения скольжения меньше силы трения покоя.

Перераспределение веса авто между шинами и сцепление с дорогой

Теперь разберем, что есть что в формуле Амонтона-Кулона. Ускорение свободного падения постоянно, его из обсуждения исключаем. Масса в целом тоже постоянна. Конечно, вес автомобиля распределен между 4 шинами, и при изменении скорости и/или траектории движения распределение веса может существенно меняться: какие-то шины разгружаются, а какие-то нагружаются дополнительно.

Перераспределение веса автомобиля между шинами тоже косвенно влияет на их сцепление с дорогой. Скажем, при торможении вес машины частично смещается с задней оси на переднюю, следовательно, сила прижатия задних шин к дороге уменьшается и поэтому сила их сцепления с дорогой ухудшается. Это повышает вероятность заноса автомобиля, но на тормозной путь не влияет, потому что сила сцепления передних колес с дорогой увеличивается из-за перераспределенной нагрузки. Если на одних и тех же шинах будут тормозить Porsche 911 и Porsche Cayenne, у последнего вследствие большей высоты смещение веса с задних шин на передние будет в большей степени, и Cayenne больше рискует попасть в занос. Но тормозной путь от этого меньше не станет. То, что Cayenne тяжелее – тоже не влияет, об этом читайте статью «Тормозной путь не зависит от массы авто?». Поворачивать Cayenne будет конечно же хуже 911-го и на меньших скоростях – как раз из-за более высокого центра тяжести и большего смещения веса и больших кренов.

Кроме того, на перераспределение веса влияет манера вождения. При аккуратном вождении, когда водитель избегает резких поворотов, перестроений, ускорений и торможений (читай, чем меньше нажата педаль тормоза или чем на меньший угол поворачивается руль), запас сцепления шин с дорогой максимален, то есть шины находятся «максимально далеко» от перехода в состояние полного скольжения и, как следствие, управление автомобилем максимально безопасно. Во-вторых, одно и то же перемещение педалей или руля можно совершить по-разному: быстро, резко или по нарастающей, прогрессивно. Резкое нажатие на педаль или поворот руля приведет к соответствующему резкому перераспределению веса с одних шин на другие, и это чревато их срывом в скольжение и сходом с траектории движения. Постепенное же воздействие на органы управления приводит к столь же плавному перераспределению веса, что позволяет шинам цепляться за дорогу без риска скольжения и потери управляемости или устойчивости автомобиля. Убедиться в этом на практике вы можете на курсах контраварийной подготовки водителей, например, при выполнения упражнения «экстренный объезд препятствия».

Практические рекомендации

1. Если вы хотите водить машину по дорогам общего пользования безопасно, а по гоночному треку быстро, перемещайте органы управления (руль, педали газа и тормоза) плавно и постепенно.

Теперь поговорим о том, что в самой шине влияет на ее сцепление.

Коэффициент сцепления шины с дорогой

Остается последний параметр в формуле силы трения Амонтона-Кулона – коэффициент сцепления µ, который, в первую очередь, зависит от природы соприкасающихся поверхностей. Самый показательный пример – сцепление резины с асфальтом куда лучше, чем той же резины со снегом и тем более льдом, несмотря на разные механизмы трения между шиной и этими тремя покрытиями. А при одном и том же дорожном покрытии коэффициент сцепления будет зависеть уже от состава резины и конструкции протектора. Например, на зимних шинах автомобиль куда лучше держит скользкую дорогу, чем на летних. И главное отличие зимних и летних шин – именно разный состав резины и конструкция протектора.

А если вы когда-нибудь смотрели по телевизору Формулу 1, наверняка слышали о разных типах шин и разных составах: «мягкий состав, сверхмягкий состав, жесткий состав». Именно это и оказывает ключевое влияние на коэффициент сцепления, даже в Формуле 1.

Так что же, все? Больше ничего не влияет? И что, этот коэффициент сцепления постоянен? Влияет, и как раз потому, что коэффициент сцепления не является постоянным и зависит от некоторых факторов. Но для начала расскажу о пресловутой площади пятна контакта.

Влияет ли площадь пятна контакта на сцепление шины с дорогой?

На всякий случай напомню, что такое пятно контакта. При контакте с плоским дорожным покрытием ВСЯ шина деформируется, сминаясь и становясь плоской в зоне контакта. Эту зону и называют пятном контакта. Пятно контакта имеет площадь, примерно равную размеру ладони. Обыватели часто думают, что чем больше площадь пятна контакта, тем лучше сцепление шины с дорогой. И еще многие думают, что чем шире шина, тем больше площадь пятна контакта. А следовательно, думают, что чем шире шина, тем лучше ее сцепление с дорогой. Ниже я расскажу обо всем этом по порядку.

Как видно из формулы Амонтона-Кулона, площадь пятна контакта в силу трения не входит. Почему? Ведь, казалось бы, чем больше площадь, тем больше элементов шины участвует в зацеплении и тем больше сила трения. С одной стороны – да, а с другой – чем больше площадь соприкосновения, тем меньше давление шины на дорогу. Выходит баш на баш, и площадь не играет никакой роли. Теперь объясню то же самое на языке физики.

Чтобы было понятнее, куда же делась площадь, можно формулу Амонтона-Кулона (1) переписать иначе, с учетом площади пятна контакта и отразить влияние пятна на давление. Все просто: давление тела на опору или, в нашем случае, шины на асфальт равно весу тела (шины), деленному на площадь контакта:

где P — давление шины на дорогу, N = mg — все тот же вес шины.

Тогда отсюда можно выразить вес через давление:

Теперь, если подставить эту формулу в закон Амонтона-Кулона, получим:

Или, выражаясь человеческим языком, сила сцепления шины с дорогой пропорциональна коэффициенту сцепления, давлению шины на дорогу и площади пятна контакта. Это именно то, как воспринимает силу сцепления большинство людей. Но здесь зарыта собака – в том, что давление напрямую зависит от площади пятна контакта и обратно пропорционально ему. Об этом нам говорит формула (2). Подставляя сюда выражение для давления, получим:

Тогда площадь мы успешно сокращаем и приходим к закону Амонтона-Кулона (1) и силе сцепления, не зависящей от площади пятна контакта.

Влияние адгезии на коэффициент сцепления

Многие интуитивно полагают, что механизм трения резины объясняется адгезией — её приклеиванием к дорожному покрытию: чем больше площадь соприкосновения, тем больше приклеивание и тем больше сцепление. При этом приклеивание, вроде бы, не очень зависит от прижимающей силы. Действительно, тот же скотч липнет к гладким чистым поверхностям без всякого усилия, обеспечивая великолепное сцепление. Ключевое слово тут – гладкие чистые поверхности. Если поверхность шероховатая и грязная, как асфальт, то скотч будет держать гораздо хуже. На этом эффекте основан принцип защиты поверхностей в городской среде от наклеивания объявлений. И скотч, и объявления не держатся на неровных поверхностях потому, что реальная площадь контакта гораздо меньше площади самого скотча или бумаги. Если материал текучий и его контакт с неровной поверхностью сохраняется достаточно долго, то склеивание будет возможно. Обычная резина – материал мягкий, но не текучий, а времена ее контакта с дорожным полотном довольно малы. В результате, вкладом прилипания в формирование коэффициента трения можно пренебречь. Для желающих разобраться в вопросе самостоятельно, я могу порекомендовать ознакомиться с теориями Гринвуда-Вильямсона и Джонсона-Кендалла-Робертса и последующим развитием теории механики контактного взаимодействия.

Что же касается езды по гоночному треку на спортивных и гоночных шинах, там эффект прилипания шины к поверхности трека может быть более заметным. Отчасти это связано со специфическим составом резины протектора и отчасти – с более высокой температурой, до которой прогреваются шины при гоночной езде. Этот эффект и объясняет, почему коэффициент сцепления гоночных шин может быть заметно больше 1 (у шин в Формуле 1 – около 1,8).

И вот как такой коэффициент сцепления сказывается на практике:

Тормозной путь гоночного болида F1 со скорости 140 км/ч оказался короче на 32 метра, чем обычного дорожного автомобиля, 48 метров против 80, то есть в 1,66 раза короче. Во столько же раз коэффициент сцепления гоночной шины в этом видео больше, чем у дорожной.

Влияние аэродинамической прижимной силы на силу сцепления

Не стоит путать эффект прилипания шин к поверхности трека с эффектом аэродинамической прижимной силы, благодаря которой пилоты Формулы 1 при торможениях, ускорениях и поворотах могут испытывать перегрузки, в несколько раз превышающие величину ускорения свободного падения. А болиды, соответственно, иметь в несколько раз большую динамику торможения и скорость прохождения поворотов, чем обычные дорожные машины. То есть в повороте боковое ускорение величиной 4g (где g – ускорение свободного падения) болиды развивают не за счет прилипания шины и коэффициента сцепления, якобы, в 4 раза большего, чем у дорожных шин, а за счет большой прижимной силы, которая создается антикрыльями на большой скорости и в несколько раз превышает силу тяжести болида.

Увеличенное пятно контакта – спущенные шины

Из практики, площадь пятна контакта можно увеличить, уменьшив давление в шинах. Если спустить шины до 1 атмосферы, то при норме в 2 атмосферы это вдвое меньшее давление и вдвое большая площадь пятна контакта. Так что же, ездовые характеристики машины улучшатся в 2 раза? Конечно же нет и, более того, они ухудшатся. Хотя… тормозной путь уменьшится, но не из-за увеличившегося пятна контакта, а из-за увеличившейся силы трения качения вследствие более мягкой шины и большей ее деформации. А ускорение не станет лучше и будет только хуже – все из-за той же силы трения качения. Ну а в поворотах… машина будет вести себя, как будто водитель сильно пьян В общем, не делайте этого – не спускайте шины без необходимости, и, кстати, об этой необходимости…

Увеличение площади пятна контакта за счет спускания шин реально может помочь, если нужно проехать через какие-то рыхлые, зыбучие места. За счет большей площади контакта с поверхностью уменьшится давление шин на поверхность, а значит, и риск провалиться или увязнуть.

Увеличим ширину шин в 10 раз и спасем мир от ДТП?

Обратный пример, узкие шины мотоцикла не делают его более медленным, чем машина, и, более того, он заметно быстрее ее. Быстрее он по другим причинам, но значительно меньшая ширина шины негативного влияния точно не оказывает.

И еще идея – а давайте увеличим ширину шины в 10 раз и тем самым увеличим сцепление в 10 раз, и раз и навсегда решим все проблемы зимней езды, а на асфальте машина вообще будет останавливаться, как вкопанная! И всем всегда будет хватать тормозного пути! Что, вам не нравится эта идея? Правильно, если б все было так просто, это бы давно уже сделали…

увеличение площади пятна контакта => увеличение количества элементов шины, участвующих в зацеплении, и одновременно уменьшение давления шины на дорогу => оба эффекта компенсируют друг друга в равной степени => сцепление шины с дорогой не меняется

Влияет ли ширина шины на площадь пятна контакта?

Более того, увеличив ширину шины, хоть в 10 раз, мы не увеличим площадь пятна контакта, а лишь изменим его форму. Пока вы не закидали меня тухлыми помидорами после этой фразы, я попробую успеть доказать ее :)))

Вспомним, что такое давление – это сила (в нашем случае – сила тяжести, прижимная сила), приходящаяся на единицу площади. Об этом нам говорит формула (2), продублирую ее:

где m – масса тела (шины и части машины, приходящейся на эту шину), а S – площадь соприкосновения тел, то есть, в нашем случае площадь пятна контакта.

Отсюда площадь пятна контакта равна

То есть площадь пятна контакта шины с дорогой тем больше, чем больше вес машины, приходящийся на эту шину, и чем хуже она накачана. И, конечно, на площадь влияет и жесткость боковин шины. Чем жестче боковины, тем меньше деформируется шина и тем меньше деформируется шина при уменьшении давления воздуха в ней. Хороший пример – современные шины с усиленными боковинами Run Flat, которые даже будучи полностью спущенными могут довезти автомобиль до места назначения, не особо проседая. От ширины шины площадь пятна контакта при одном и том же давлении и одной и той же нагрузке не зависит (в первом приближении).

Ширина шины влияет на форму пятна контакта

Прекрасно! А куда же делась ширина шины. Очень просто, и тут опять работает принцип «баш на баш». Пятно контакта – следствие деформации шины, которая, в свою очередь, возникает вследствие приложенной сверху силы, то есть cилы тяжести самой шины и автомобиля. Чем шире шина, тем шире пятно контакта, что, казалось бы, должно увеличить площадь пятна. С другой стороны, чем шире шина, тем меньшее давление она оказывает на дорогу и тем меньше деформируется. В итоге, при увеличении ширины профиля шины мы имеем ту же площадь пятна контакта, но более вытянутую по ширине и узкую его форму.

В одном из серьезных научных трудов, который попался мне на глаза за последнее время (Автомобильные шины, диски и ободья, Евзович В.Е., Райбман П.Г.), авторы привели результат эксперимента с тремя шинами, две из которых были одной и той же модели, но разного диаметра ширины:

205/55 R16 с площадью отпечатка 173*143 мм = 247,39 см2

225/45 R17 с площадью отпечатка 185*134 мм = 247,90 см2

Как видим, у более широкой шины пятно более вытянутое и узкое, чем у более узкой шины. При этом в квадратных сантиметрах площадь пятна контакта практически одна и та же.

То есть, да, при одном и том же давлении у широкой шины пятно контакта по площади больше, чем у узкой. Но насколько? В данном примере на десятые доли процента, а вообще – максимум на несколько процентов. Теоретически, мы можем поставить на машину вместо шин с шириной профиля 195 мм шины с профилем, скажем, 245 мм. Но на практике это недопустимо по требованиям завода-изготовителя автомобиля. В любом случае, как я писал выше, площадь пятна контакта непосредственно не влияет на силу сцепления, поэтому ни эти доли процента, ни большее увеличение площади (например, за счет снижения давления в шине) погоды нам не сделают.

увеличиваем ширину профиля шины => увеличиваем ширину пятна контакта и одновременно уменьшаем давление шины на дорогу и деформацию шины в зоне контакта => уменьшаем длину пятна контакта => изменяется форма пятна контакта, но не меняется его итоговая площадь (меняется незначительно)

А увеличить площадь пятна контакта можно либо уменьшив давление воздуха в шине, либо увеличив нагрузку на шину сверху.

Сила сцепления шины с дорогой. Итоги

Итак, ширина шины напрямую не влияет на ее сцепление с дорогой по двум причинам:

а) площадь пятна контакта не влияет на сцепление

б) ширина шины не влияет на площадь пятна контакта

Я бы сказал, сила трения имеет «двойную защиту» от ширины шины :)))

Однако ширина шины все же косвенно влияет на силу сцепления, и независимость площади пятна контакта от ширины никак не мешает этому влиянию. Обо всем этом – ниже.

В итоге, сцепление шины с дорогой зависит от:

1) веса, приходящегося на шину, от развесовки автомобиля и динамического перераспределения веса, а значит, и от конструктивных его особенностей – высоты центра тяжести, колесной базы, колеи, подвески, жесткости кузова. Обсуждение этих моментов – отдельная тема и выходит за рамки этой серии статей.

2) коэффициента сцепления (трения покоя). А он, в свою очередь, много от чего зависит, но не от площади пятна контакта! Вот параметры, влияющие на величину коэффициента сцепления шины с дорогой, известные мне из университетского курса физики, специальной литературы и из водительского и инструкторского опыта:

Обо всем этом я подробно напишу в следующих статьях. Кроме того, все эти вопросы мы подробно обсуждаем на курсе безопасного вождения «МВА для водителя: Мастерство Вождения Автомбиля». Конкретно в следующей статье — о влиянии дорожного покрытия, типа протектора шины, рисунка протектора и степени его износа на коэффициент сцепления, а также о зависимости коэффициента сцепления от температуры шины.

ТОП-15 летней резины сезона-2021 от шинной сети №1

Автовладельцам, которые в этом сезоне планируют приобретать новые летние шины, предлагаем перед покупкой обратить внимание на наш рейтинг, чтобы быть во всеоружии. А тем, кто уже имеет комплект резины на сезонную замену – просто утвердится в обоснованности своего выбора, невзирая на то, присутствуют ли их шины в данном обзоре.

Конечно, шин, достойных вашего внимания, гораздо больше, и топовый перечень летних покрышек мог быть шире. Но мы включили в рейтинг те модели, которые стали одними из лучших и в независимых тестах, и по реальным отзывам водителей, и по потребительскому спросу. Кроме того, в нашем ТОПе присутствуют некоторые новинки сезона, на которые тоже стоит обратить внимание.

ТОП-5 ЛЕТНИХ ШИН ПРЕМИУМ-СЕГМЕНТА

Continental Premium Contact 6
Шина высочайшего немецкого качества с истинным уровнем комфорта для легковых и внедорожных автомобилей. Модель 2017 года является абсолютным лидером в независимых тестах, сочетает в себе отменную управляемость спортивной резины и высокий уровень комфорта в городском режиме езды. Размерный ряд включает диаметры от 15 до 22 дюймов.

Преимущества Continental Premium Contact 6: великолепное поведение на любых летних покрытиях при любой погоде; лучшие тормозные свойства на сухом асфальте; высокий уровень акустического комфорта; топливная экономичность.

Bridgestone Turanza T005
Модель от японских разработчиков для легковых автомобилей, кроссоверов и внедорожников. Шина №1 в торможении на мокром покрытии по результатам внутренних тестов производителя (лето 2018г.) в сравнении с пятью основными конкурентами в своем сегменте. Типоразмеры: от R15 по R21.

Преимущества Bridgestone Turanza T005: прекрасно сбалансирована; великолепные тормозные качества и управляемость на всевозможных летних дорогах; высокая устойчивость к продольному аквапланированию; низкий уровень шума и расход топлива.

Michelin Primacy 4
Легковые шины французского концерна с высокой производительностью даже в изношенном состоянии. Новинка 2018 модельного года. Диаметры: с 15 по 20 дюймов. В большинстве сравнительных тестов – в тройке лидеров.

Преимущества Michelin Primacy 4: отличные управляемость, тяга и эффективность торможения на мокром покрытии; устойчива к аквапланированию; короткий тормозной путь на сухом асфальте; плавная ходимость за счет мягких, но прочных боковин; отличная износостойкость.

Pirelli Cinturato P7 (P7C2)
Свою новинку итальянские инженеры представили в прошлом году. Это эко-шина с высокими эксплуатационными характеристиками. Покрышка для автомобилей премиум-класса с фокусом на отличное поведение на мокрой дороге. Размерный ряд с 16 по 19 диаметры.

Преимущества Pirelli Cinturato P7: короткий тормозной путь и хорошая управляемость на сухом и мокром асфальте; отменная курсовая устойчивость и хорошая сопротивляемость аквапланированию; экономят топливо; предсказуемые шины, которые не подведут при экстремальном маневрировании.

Nokian Hakka Black 2
Финская летняя модель класса Ultra-High Performance для легковых, мощных и спортивных автомобилей. Для внедорожников выходит в версии с приставкой SUV. Шина отвечает строгим требованиям сложных климатических условий, с чрезвычайно стабильным управлением и предсказуемым поведением при интенсивном движении. Типоразмеры представлены в диаметрах от R17 по R22.

Преимущества Nokian Hakka Black 2: отличное сочетание управляемости на сухих и влажных покрытиях; превосходные тормозные и хорошие сцепные свойства на мокром асфальте; надежное поведение при резких маневрах; четкое следование курсу; низкий уровень сопротивления качению.

ТОП-5 ЛЕТНИХ ШИН СРЕДНЕЦЕНОВОГО СЕГМЕНТА

Nokian Hakka Green 3
Абсолютная новинка летнего сезона 2021 года от финской компании. Экологичная шина для легковых автомобилей, позиционирующаяся как премиальная модель. Создана для переменчивой летней погоды и выпускается в типоразмерах диаметром R13 – R18.

Преимущества Nokian Hakka Green 3: класс “А” по сцеплению с мокрой дорогой по евро-этикетке; высокие характеристики и предсказуемая управляемость на сухом покрытии; повышенная износостойкость (на 35% в сравнении с предшественницей) может увеличить срок службы шины на 1 дополнительный сезон; экономит топливо.

Bridgestone Ecopia EP300
Легковые «зеленые» автошины, представленные японцами в 2017 году, являются новым поколением резины с низким сопротивлением качению и длительным сроком службы. Размерный ряд включает с 15 по 18 диаметры.

Преимущества Bridgestone Ecopia 300: топливосберегающая и долговечная шина; высокие характеристики комфорта; отличный уровень влажного сцепления; высокоэффективная универсальная покрышка для летнего сезона.

Hankook Ventus Prime 3
Флагман комфорта от корейских шинников для легковых автомобилей среднего класса, семейных автомобилей и класса люкс. Пример идеального баланса производительности и безопасности. В тестовых испытаниях всегда держится рядом с лидерами, а иногда одерживает громкие победы, как например, в 2018 году в тесте среди 51 модели шин, проведенном немецким изданием «Auto Bild». Релиз модели – 2016 год, типоразмеры – от R15 по R18.

Преимущества Hankook Ventus Prime 3: демонстрируют одни из лучших результатов на мокром асфальте – великолепные тормозные свойства и лучшая скорость выполнения переставки; отличное сцепление и тормоза на сухом асфальте; достойный уровень комфортности и низкий расход топлива.

Goodyear Eagle Sport
Американская модель 2016 года с балансом надежности и долговечности для легковых автомобилей различной мощности и ценового сегмента. Славится эффективным торможением и хорошей управляемостью при маневрах. Выпускается в диаметрах: R14 – R16.

Преимущества Goodyear Eagle Sport: очень мягкие, комфортные, но при этом – износостойкие; сниженный расход топлива и уровень шума; адекватное поведение в условиях повышенной влажности, уверенно противостоят аквапланированию; спортивная резина, которую можно с уверенностью отнести к сегменту комфортных, долгоиграющих шин.

Dunlop SP Touring R1
Туринговые летние шины от британских инженеров для малых и средних автомобилей, с размерной линейкой от 13 до 15 дюймов в диаметре. Износостойкие покрышки рассчитаны на длительную эксплуатацию на некачественных дорогах.

Преимущества Dunlop SP Touring R1: превосходные показатели по акустическому комфорту, плавности хода и топливной экономичности; отличные тягово-сцепные свойства на сухом асфальте и грунтовой дороге; хорошая управляемость на влажных покрытиях.

ТОП-5 ЛЕТНИХ ШИН БЮДЖЕТНОГО СЕГМЕНТА

Pirelli Formula Energy
Надежная шина для легковых автомобилей разных классов. Яркий пример того, как можно выдержать баланс характеристик в летней резине бюджетного класса. В течение семи лет производитель не забывает совершенствовать эту модель, которая часто участвует в независимых испытаниях и показывает в них крепкие средние результаты в сравнении с премиальными шинами. Широкий ряд типоразмеров от R14 по R18.

Преимущества Pirelli Formula Energy: отличное сцепление на мокром и сухом асфальте; понятная управляемость при экстремальных маневрах; четкая курсовая устойчивость; комфортные шины с низкой ценой, экономящие расход топлива.

Nokian Nordman SX2
Долговечный продукт бюджетного класса от Nokian для малых и средних автомобилей. Сравнительно новая модель 2017 года в тестах, как правило, прочно держится в середнячках и оценивается всегда как хорошая шина. А в своем бюджетном сегменте как правило в числе лидеров. Диаметры: с 13 по 16 дюймов.

Преимущества Nokian Nordman SX2: отменная управляемость при маневрировании на мокрой дороге; лучшая плавность хода; понятное поведение на всех типах летних покрытий; высокая устойчивость к аквапланированию и надежная устойчивость по курсу.

Laufenn G FIT EQ (LK41)
Бюджетная, но высокотехнологичная летняя шина класса туринг, вышедшая на мировой рынок в 2016 году. Данная модель хоть и является суббрендом корейской Hankook, разрабатывалась инженерами Европейского технического центра в Германии. Шины (диаметров R13 – R17) ориентированы на рациональных водителей для безупречного сцепления со всеми типами дорожного покрытия в летний сезон.

Преимущества Laufenn G FIT EQ: хорошие сцепные свойства на влажных и сухих дорогах; эффективное торможение на мокром асфальте; топливная экономичность; баланс в соотношении качества и цены.

Viatti Strada Asimmetrico (V-130)
Надежные шины с высокой прочностью от отечественного производителя «KAMA TYRES». Проверенные временем шины широкого размерного ряда (R13 – R18) адресованы малым и средним легковым автомобилям для езды не только по городу, но и по проселочным дорогам. Модель, появившаяся в 2013 году, до сих пор является одной из самых востребованных на отечественном рынке.

Преимущества Viatti Strada Asimmetrico: стабильная управляемость при резких перестроениях на мокрой дороге; отличное преодоление подъемов по грунту; прочные боковины; умеренный уровень шума; нормальные тормозные свойства; низкая стоимость.

Cordiant Road Runner
Еще одна бюджетная модель от российских шинников, заслуживающая внимания экономных автовладельцев. Летние шины для комфортного вождения в непростых дорожных и погодных условиях. Типоразмеры включают диаметры от 13 до 16 дюймов.

Преимущества Cordiant Road Runner: Хорошие тягово-сцепные характеристики на мокром покрытии; заметная устойчивость к аквапланированию; предсказуемость при маневрировании; хорошее преодоление подъемов на грунтовой дороге.

При смене автомобильной резины на летнюю нужно учитывать, что +7°C и более считается стандартом для смены покрышек. Но ориентироваться стоит и на такую тенденцию: если утром и вечером нет наледи, а прогноз погоды предвещает плюсовую температуру на недели вперед – пришло время летних шин.

Тем, кто часто ездит по трассе, передвигаться на летних шинах, если их сменили раньше срока, небезопасно. В таких случаях рекомендуем дождаться чуть более высоких среднесуточных показателей в +10°C.