Почему покрышки автомобильных колес изготовляют из особой резины которая не теряет прочности при

Обновлено: 05.07.2024

Технологии шин прошли долгий путь с тех пор, как Ford Model T впервые выкатился с завода в 1908 году. Современные шины не только отличаются по размерности, сложности и общей структуре, но также имеют совершенно другой цвет в отличие от старой резины, применяемой в автопромышленности. Напомним, что первые шины были белыми, и только после Первой мировой войны они стали черными. И вот почему.

Вы когда-нибудь видели старый автомобиль, выпущенный в начале 20 века? Например, обратите внимание на первые модели Ford T. Вы наверняка замечали, что у некоторых первых машин были белые шины. Но у некоторых старых машин колеса оснащались черной резиной, примерно такого же цвета, как мы привыкли видеть сегодня.

Но вот вопрос: почему много старых автомобилей имели белую резину? Мы связались с представителем компании Michelin, чтобы разгадать эту тайну.

Вот что нам рассказал представитель компании:

– В начале развития автопромышленности большинство автомобильных шин имели более светлый оттенок из-за естественного цвета резины, которая используется в их производстве. Такая светлая резина выпускалась по всему миру до 1917 года, когда производители начали добавлять в состав резины углеродистую сажу (тонкозернистая сажа). Эта сажа позволила добиться десятикратного увеличения износостойкости автомобильных покрышек.

А все это стало возможным благодаря открытию инженера-химика Джека Кенига, который научным путем доказал, что без добавления в состав резины сажи шин хватит максимум на 8000 км. Для сравнения: благодаря саже и современным материалам ресурс сегодняшних автомобильных шин составляет от 12 000 до 30 000 км. Также за счет сажи увеличился срок службы шин по времени. Например, даже самая дешевая резина сегодня может без особых проблем служить три, четыре, пять и более лет. Вы представляете, как быстро изнашивалась резина, выпускаемая автопромышленностью в начале 21 века, по сравнению с сегодняшними покрышками?

В том числе представитель компании Michelin заявил, что углеродная сажа в настоящий момент составляет до 30 процентов от общего состава резины. Кроме того помимо увеличения износостойкости сажа придает шинам черный цвет. Это защищает резину от ультрафиолетовых лучей, которые могут вызывать растрескивание шин. В том числе сажа дает пластичность шинам, что улучшает сцепление с дорогой.

Кстати, о преимуществах добавления сажи в состав покрышек рассказывает и компания Whitewall, отмечая, что сажа делает шины крепче. В своем блоге об уникальном свойстве сажи, добавляемой при производстве шин, пишет и компания Goodyear, подчеркивая, что сажа улучшает устойчивость покрышек к озону, а также дает им лучшее сцепление с дорожной поверхностью. В том числе Goodyear говорит о том, что сажа помогает протектору резины переносить тепло, которое образуется от сцепления с дорогой, что увеличивает срок службы покрышек.

Так, а теперь пришло время спросить:

Что такое углеродная сажа?

На протяжении многих лет углеродная сажа изготавливалась различными способами. Например, раньше ее получали с помощью масляной лампы, пламя которой попадало на холодную поверхность, где и образовывалась порошкообразная сажа (летучая сажа), которую нужно было счищать. На протяжении многих веков эта сажа использовалась в качестве чернил.

Но в 1970-х годах произошел прорыв, который назвали канальным процессом. По сути, в мире появилась новая технология добычи углеродной сажи путем сжигания природного газа с применением водяного охлаждения с помощью металлических каналов. В результате этого процесса образуются углеродные отложения.

Причем эта технология позволила добывать сажу в больших промышленных масштабах, что в итоге повлияло и на производство резины. Причем этот прорывной инновационный способ получения сажи позволял добывать более мелкую фракцию углерода, которую было удобно добавлять в автомобильную резину.

В итоге благодаря новой технологии добычи углеродной сажи в автомире появилась более долговечная резина, способная проезжать более 20 000 км и служить несколько лет. Это реально был мировой прорыв.

К сожалению, этот процесс добычи сажи не был эффективным и экологически чистым. Вот фото снимок, который демонстрирует, как дым от таких производств распространялся на многие километры от места добычи сажи.

Высокие температуры этой реакции заставляют исходное сырье превращаться в дым, который охлаждается водой и отфильтровывается в виде крошечных кусочков сажи и газа. Далее получается тонкоизмельченный порошок, который с помощью воды и связывающих химических веществ принимает необходимую форму.

Порошок углеродной сажи чрезвычайно тонкий. Для того чтобы увидеть истинную форму материала, необходимо использовать электронный микроскоп, через который можно обнаружить крошечные частицы размером от 10 до 500 нм.

Посмотрев в такой микроскоп на сажу, вы увидите, как структура этого вещества сливается в цепи различной формы.

Кстати, в мире существует множество различных марок сажи, которые классифицируются в зависимости от их площади поверхности, а также скорости отверждения резины.

Дело в том, что сажа добавляется не только в шины, но и практически в любые резиновые изделия: в резиновые конвейерные ленты, подушки двигателя, приводные ремни и, конечно, в высокопроизводительные покрышки.

Как мировая война, возможно, стала причиной появления черных шин

История того, как шины получили свой черный цвет, сложная и увлекательная, но также и мутная. В автомире существуют разные версии, когда именно и из-за чего впервые производители шин решили использовать углерод.

Вполне возможно, что черными шины стали в результате нехватки боеприпасов во время Первой мировой войны.

Так, есть версия, что в начале 1900-х годов производители шин выяснили, что они могут добавлять к каучуку оксид магния для увеличения прочности покрышек. Но оксид магния был необходим в промышленности для производства боеприпасов во время Первой мировой войны.

Дело в том, что в те годы для изготовления боеприпасов использовали латунь и медь, которой катастрофически не хватало. В итоге производителям шин запретили при изготовлении продукции использовать не только латунь, но и оксид меди. Так что производители были вынуждены искать какие-то другие химические вещества для увеличения прочности и долговечности автомобильных покрышек. И это вещество было найдено. Им стала сажа.

Но компания Michelin была не первой, кто начал добавлять в шины сажу. Как мы уже сказали, многие производители покрышек это начали делать еще во время Первой мировой войны. В итоге уже к началу массового производства автомобилей многие из них уже поставлялись с черной резиной благодаря саже, которая сделала шины крепче и долговечнее. Но шины могли быть еще лучше, если бы у производителей во время Первой мировой войны был доступ к альтернативным химическим веществам, которые, также как и сажа, улучшают свойства резины.

В общем, факт остается фактом: именно во время Первой мировой войны сажа взяла верх над другими химическими веществами, ранее популярными у производителей автомобильных покрышек. В частности, повторим, что производители шин перестали добавлять в них оксид цинка, магния и т. д. Но мир не пожалел об этом, а также покупатели автомобилей. Шины из-за сажи не только стали выглядеть более стильно, но и стали по качеству даже лучше, чем при добавлении других химических веществ. А самое главное – шины с сажей максимально долго сохраняют свой цвет и защищают покрышки от разрушительного воздействия ультрафиолета.

Ну и, наконец, что больше всего удивляет, это то, что на протяжении стольких лет сажа используется и в современных шинах. Как ни странно, за долгие годы автопромышленность так и не изобрела более эффективную альтернативу саже для использования ее в автомобильной резине.

Так что скажите спасибо тем, кто решил применять в начале 20 века в шинах сажу. Иначе, вполне возможно, автомобильные колеса сегодня имели бы странный, некрасивый цвет.

Но если нельзя использовать сталь, значит, нужно заставить протектор работать эффективней. А что для этого нужно сделать? Сделать нарезку блоков протектора мельче, чтобы появилось множество острых граней, цепляющихся за мельчайшие неровности. А такие неровности есть всегда, в том числе и на поверхности льда или укатанного снега!

Фрикционные зимние шины могут иметь самый разный тип рисунка протектора: направленный и ненаправленный, симметричный и асимметричный… Observe GSI-6 имеют симметричный направленный рисунок протектора. От множества других шин подобного типа эту модель отличает наличие центрального ребра со множеством зазубренных стреловидных выступов.

Но ламели Observe GSI-6 – это не просто вертикальные прорези. Ламели имеют сложную трехмерную структуру и содержат волнообразные взаимопроникающие элементы, ограничивающие их взаимную подвижность. Кроме того, под нагрузкой ламели сложной пространственной формы начинают работать как микронасосы, обеспечивая эффективный отвод воды из пятна контакта.

Но все эти ухищрения создателей нешипованных зимних шин прекрасно работают в снегу, на заснеженном асфальте или в той снежно-водяной каше, которая покрывает в зимний период улицы наших городов. Собственно говоря, в этих условиях фрикционные шины, как правило, превосходят своих шипованных конкурентов. Но вот на чистом гладком льду и ламели, и зазубренные кромки блоков оказываются бессильны – твердость даже жесткой резины оказывается недостаточной для того, чтобы кромки резиновых блоков могли врезаться в лед и предотвращать неконтролируемое скольжение. Тут нужны шипы, но что делать, если использовать их запрещено? Ну или что делать тем автовладельцам, которые в основном передвигаются в условиях, когда использование фрикционных шин выгодней (тем более, что они существенно превосходят шипованные с точки зрения акустического и ездового комфорта), но чистый лед и снежный накат на их пути всё же иногда встречается? Выход может быть только один: нужно что-то сделать с составом резиновой смеси, причем таким образом, чтобы резко увеличить сцепление с гладкой поверхностью льда или снежного наката.

Для того чтобы все входящие в состав резиновой смеси компоненты работали согласованно, а готовая шина выдавала заданные параметры, пришлось заняться изучением взаимодействия между веществами на молекулярном уровне. Именно так родилась запатентованная компанией Toyo Tires технология Nano Balance, которая позволила взглянуть на обычные физические процессы с точки зрения химии, уменьшить внутреннее трение между компонентами резиновой смеси за счет стимуляции дисперсии и внедрить высокоточное регулирование соотношения компонентов в смеси. Тем не менее эта технология сама по себе все же не может решить проблему сцепления поверхности блоков протектора нешипованных зимних шин с гладким льдом…

Тем не менее идея ввести в состав резины какие-то твердые частицы, своеобразные микроскопические коготки, которыми не имеющая шипов шина все-таки могла бы цепляться за гладкий лед, не умерла и получила свое развитие. Так, один из ведущих мировых брендов предлагает шины, в состав смеси которых входят вкрапления менее плотных полимеров. По мере износа эти полимеры образуют микронеровности, которые эффективно абсорбируют водяную пленку на льду и создают дополнительные кромки, цепляющиеся за снег.

Но из всех сложных ситуаций, с которыми должна справляться фрикционная шина, самой сложной, пожалуй, является работа на льду в условиях околонулевых температур. Все дело в том, что при трении резиновых блоков о гладкую ледяную поверхность образуется тонкая водяная пленка, которая начинает играть роль своего рода смазки, что еще в большей степени снижает и без того невысокий коэффициент сцепления. Чтобы улучшить разгонно-тормозную динамику в таких условиях, японские инженеры добавили в состав резинового компаунда размолотый в порошок бамбуковый уголь, который является природным абсорбентом и способен эффективно впитывать эту водяную пленку. Естественно, применение такого природного материала дает все основания говорить об экологичности этой технологии, и хотя она не позволяет ехать по льду столь же уверенно, как по сухому асфальту, но все же позволяет выиграть пару секунд на старте или несколько спасительных метров при торможении, которые, возможно, и отделяют вас от ДТП с серьезными последствиями.

Автомобильная шина отличается сложной, высокотехнологичной конструкцией, что необходимо для обеспечения безопасного и комфортного хода автомобиля. Современные производители покрышек применяют в процессе изготовления продукции новейшие разработки и специальные резинотехнические смеси, программы для компьютерного моделирования, что необходимо для достижения максимальной эффективности и производительности шины. Такой подход позволяет изготавливать колеса, устойчивые к внешним негативным факторам, обеспечивающие отличные показатели на любой дороге или обладающие необходимыми свойствами для эксплуатации в определенное время года.

Состав резины

Точный состав резиновой смеси для производства шин держится в секрете, хотя основные компоненты известны. Всего их более 20, они необходимы для придания покрышкам тех или иных свойств. Среди базовых составляющий компаунда следующие:

1. Синтетический или натуральный каучук. Такой компонент является основным, он добавляется в разных пропорциях и обладает различными характеристиками. Наиболее качественным считается натуральный каучук, производимый из сока гевеи. Чаще всего такое сырье применяется азиатскими брендами, что связано с особенностью добычи и рядом требований, предъявляемых к экологичности продукции. Европейскими производителями чаще применяется синтетический материал, добываемый в процессе нефтепереработки. Насчитывается около десятка разновидностей искусственного каучука, каждая обладает индивидуальными особенностями, что используется в производстве шин с определенными характеристиками. Но полностью заменить натуральное сырье синтетическим нельзя, поэтому оно все равно входит в состав, пусть и в меньших количествах.

2. Технический углерод, или промышленная сажа, является вторым обязательным компонентом, придающим резине характерный черный цвет, повышенную стойкость к износу и прочность.

3. Силика (диоксид кремния) является аналогом технического углерода, обеспечивая повышенную прочность. Полностью заменить сажу она не может, но добавки кремния обеспечивают покрышкам повышенное сцепление с дорожным полотном, сниженное сопротивление качению.

4. Сера необходима для вулканизации, именно благодаря ей резина становится эластичной и прочной, выдерживающей неблагоприятные условия эксплуатации.

Дополнительно при производстве используются смолы и смягчающие масла, необходимые при изготовлении сезонной зимней резины, ускорители вулканизации в виде стеариновых кислот и оксида цинка, наполнители и другие компоненты. Корд шины изготавливается в виде металлических вставок, на основе текстиля, полимеров или комбинированных материалов.

Конструкция шины

Конструктивно шина – это резинокордная эластичная оболочка, которая устанавливается на обод колесного диска. От качества и свойств такой оболочки зависят управляемость транспортного средства, безопасность и комфорт движения. Также особенности шины влияют на топливную экономичность, акустический комфорт и многие другие параметры, которые следует учитывать при выборе автомобильных покрышек.

Состав любой шины включает в себя следующие базовые конструктивные элементы:

каркас покрышки;
усиливающий брекер;
боковины покрышки;
зона протектора с рисунком определенного типа;
неремонтируемая бортовая зона;
герметизирующий слой (он используется только для бескамерной резины).

Точный конструктивный состав достаточно сложный, он также включает в себя наполнительные шнуры, крыльевые ленты, чефер, надбрекерные детали и прочие элементы. Все они обеспечивают шине определенные свойства, способность работать при различных нагрузках и климатических условиях.

Основной частью любой шины является каркас, передающий нагрузки на колесо. В зависимости от конструкции он собирается в один или несколько слоев и может быть диагональным или радиальным. Первый тип означает, что нити перекрещиваются между собой, их количество всегда четное – 2, 4, 6, 8. Подобный вариант конструкции каркаса сегодня используется крайне редко.

Радиальные шины наиболее распространены, они могут быть бескамерными или камерными, кордовые нити при производстве не перекрещиваются. Для производств подобной резины применяется металлокордный брекер, что делает всю конструкцию более жесткой и прочной, устойчивой к износу. При маркировке такие покрышки обозначаются буквой R.

Брекер представляет собой жесткий армирующий пояс, который находится под поверхностью рабочей беговой дорожки. Чаще всего он производится на основе металла, но для снижения веса производители могут использовать комбинированные варианты, брекеры на основе полимеров и текстиля. Такой элемент необходим для снижения уровня проскальзывая шины, повышения сопротивляемости ударным нагрузкам.

Боковая зона защищает покрышку от ударов, внешних воздействий и деформации. Это наиболее тонкая часть, требующая дополнительной защиты.

Проектор – основная рабочая часть покрышки, имеющая рельефную поверхность и специальный рисунок. Основными элементами такого рельефа являются:

беговая дорожка, обеспечивающая контакт с дорогой;
плечевые блоки по бокам для придания конструкции жесткости;
ламели для сцепления с дорогой;
водоотводящие каналы, используемые для защиты от гидропланирования.

В зависимости от типа протектора различают следующие базовые виды шин:

шоссейные;
городские;
региональные;
зимние (обычные и шипованные);
внедорожные;
строительные.

Борта – это части покрышки, обеспечивающие посадку на обод и надежное соединение. Для изготовления используется прорезиненная проволока, покрываемая слоем компаунда.

Для бескамерных покрышек дополнительно используется герметизация, располагающаяся внутри шины. Слой состоит из газонепроводящей особой резины, то есть при проколах или порезах покрышка сохраняет способность нормально работать, потери управляемости нет.

Процесс производства покрышек

Следующий шаг – вулканизация для придания резине необходимых свойств. Она производится в пресс-вулканизаторах, где поддерживаются необходимые условия для протекания химических реакций. Резина переходит из пластического в необходимое эластическое состояние и приобретает нужные свойства.

Процесс вулканизации – один из самых сложных, он выполняется при температуре в +170 градусов и давлении от 20 бар. Заготовка при воздействии на нее пара и воды распирается изнутри, прижимается к пресс-форме при помощи диафрагмы, что позволяет ей приобрести необходимую форму и характеристики. Время обработки зависит от типа покрышек – для легковых достаточно 10-15 минут, для грузовых – от 60-70 минут.

Финишный этап – контроль качества, визуальный осмотр на стендах. Выборочно проверяются такие параметры, как неоднородность резины, форма, радиальное биение и многие другие.

Виды и индикаторы износа

Любая покрышка в процессе эксплуатации подвергается механическим и другим воздействиям, вызывающим износ. Основные виды:

износ в средней части покрышки вызывается неправильно установленным давлением в колесе, грамотное техобслуживание позволяет продлить эксплуатационные сроки резины;
появление выпуклостей и трещин на боковой стенке – причины таких повреждений заключаются в ударах колесом по бордюрам, езда по дорогам с большим количеством выбоин и ям;
усиленный износ, проявляющийся по краям автошины – причиной такого явления является недостаточное давление;
появление следов одностороннего износа наблюдается при неправильно выполненном развале-схождении;
плоские отдельные пятна потертостей – причиной подобного явления выступает агрессивная езда, резкие ускорения или торможения, заносы.

Производителями шин для контроля износа и сигнала о необходимости замены резины используются специальные индикаторы:

классические, то есть сепараторный протекторный блок в продольной канавке, имеющий высоту 1,6 мм;
цифровые, то есть выдавливаемые на покрышке шифры и маркеры, соответствующие определенной глубине и показывающие степень износа;
электронные, являющиеся одной из функций контроля внутреннего давления.

Чаще всего используется протекторный блок с высотой 1,6 мм. Он находится в глубине продольных канавок покрышки и показывает предельное значение износа, при достижении которого шины необходимо менять. То есть от водителя требуется просто визуально контролировать высоту отдельных элементов.

Не менее удобной системой индикации является нанесение на поверхность изображений и цифр, показывающих степень износа. По мере эксплуатации они стираются, сигнализируя о том, что резина достигает предельного износа и уже не может быть используемой.

Сроки эксплуатации у резины различных производителей могут сильно отличаться. Но обычно 10% утраты ресурса достигается уже через 3 года после использования, 50% наблюдается через 5 лет эксплуатации. Но точные значения зависят от состава компаунда, конструкции покрышки, особенностей протекторного рисунка и стиля езды. Поэтому при выборе автомобильных покрышек большое внимание рекомендуется уделять производителю, составу резины и используемым технологиям, продлевающим сроки эксплуатации, обеспечивающим надежность и управляемость на дороге.

2 Смотреть ответы Добавь ответ +10 баллов

Ответы 2

Потому что когда машина едет или тормозит совершается сила трения резины об асфальт. При силе трения объект нагревается и резина в нашем случае может либо порваться либо исказится.

Читайте также: