Как и почему изнашиваются автомобильные шины

Все, чем мы пользуемся в своей жизни, рано или поздно стареет, изнашивается и выходит из строя. Шины не являются исключением, несмотря на то, что целые команды специалистов год за годом работают в направлении увеличения срока их безопасной эксплуатации. В этой статье мы расскажем вам, какие методы используют мировые шинные производители для того, чтобы покрышки радовали вас своими характеристиками дольше, и что делать с б/у шинами, которые уже не могут быть безопасно использованы в силу износа.

Почему покрышки подвержены износу?

Основная цель использования автомобильных покрышек – повышение сцепления машины и дорожного покрытия. Чем выше этот параметр, тем легче управляется автомобиль, «держит дорогу», откликается на руль и торможение. Однако чем выше сцепление с поверхностью, тем сильнее на шины действует сила трения. Условно можно поделить понятное любому словосочетание «сила трения» на механизмы: гистерезис (сдвиг) и адгезию (сцепление).

Итак, рассмотрим каждый механизм отдельно. Адгезия – сцепление между частицами различного рода, например, между асфальтом и резиновой смесью. Однако мы помним, что каждый из этих элементов не является однородным. Например, асфальт состоит из щебня, песка, битума, и каждая из этих составляющих имеет собственную молекулярную и внешнюю структуру. Логично, что если бы асфальт и резиновая смесь были полностью гладкими, адгезия была бы максимальной. Но в реальных условиях сцепление происходит между наивысшими неровностями первого и второго элементов.

Дополнительно слиянию дорожного покрытия и протектора шины мешают также и различия в молекулярном составе: частицы могут отталкиваться на микро уровнях, снижая сцепление еще больше.

Чтобы сократить влияние этих факторов, необходимо применить внешнее давление («прижать» поверхность шины к дорожному полотну). Тогда напряжение, которое возникло на пиках неровностей элементов станет выше, чем предел текучести материалов, и они деформируются, более плотно прилегая друг к другу. На микро уровне между неровностями образуются молекулярные связи. Именно их появление и являет собой силу сухого трения.

Теперь давайте посмотрим, как адгезия влияет на износ шины. Поверхности (протектор и дорожное покрытие) плотно прижаты друг к другу и на молекулярном уровне «связаны». Эта связь может быть даже сильнее, чем связь между частицами внутри резиновой смеси (которая, как мы знаем, не однородна, а состоит из множества компонентов, таких как каучук, техуглерод, каолин, сажа и т.д.). При начале движения происходит разрывание молекулярных связей внутри одного из элементов, и микроскопическая часть отсоединяется от «родителя». С увеличением пробега, таких отрывов становится всё больше, и если в начале эксплуатации шины мы не замечаем на ней никаких признаков изнашивания, то уже через несколько месяцев выработка видна невооруженным глазом. Так работает адгезивный износ.

Теперь давайте рассмотрим второй механизм – гистерезис. В работе покрышка постоянно испытывает напряжение и нагрузку – то на камушек наехал, то в яму попал, то автомобиль поворачивает, заставляя шины менять свою форму даже несмотря на высокое давление изнутри. Автомобильная шина спроектирована таким образом, что постоянно принимает свою исходную форму за счет энергии упругости. Однако при выработке этой энергии выделяется и рассеивается тепло, поэтому крошечная часть энергии уходит «вникуда» и покрышка не может на 100% вернуться в прежнее состояние, и поэтому сопротивляется качению. Чтобы побороть данное сопротивление, колесо применяет дополнительную энергию. Именно она и называется гистерезисом. Он влияет на разрушение материала, из которого сделана шина, в связи с регулярной сильной деформацией в одних и тех же местах на протяжении срока службы.

Факторы, влияющие на износ покрышки

Давайте рассмотрим теперь, что же в первую очередь влияет на снижение срока эксплуатации шины.

1. Температура. Когда t растёт, связи между молекулами, образованные при адгезии, становятся более хрупкими и легче поддаются разрыву. Кроме того, рост температуры негативно сказывается на состоянии резиновой смеси и может вызывать ее преждевременное разрушение в связи с термическими и окислительными факторами.
2. Высокая скорость движения. Она напрямую связана с первым фактором – температурой, ведь при движении покрышки заметно нагреваются. Чем интенсивнее движение и выше скорость, тем чаще за короткий промежуток времени протектор касается дорожного покрытия. Здесь вступает в силу гистерезис, который мы рассматривали выше. Кроме того, прохождение поворотов на повышенной скорости дополнительно изнашивает плечевые зоны покрышки за счет увеличения нагрузки на них из-за центробежной силы, действующей на колесо.
3. Нагрузка на шину. При проектировании покрышек особое внимание уделяется максимальной нагрузке, при которой можно использовать колесо. Это значение указывается на боковой зоне шины, рядом с типоразмером в виде цифрового коэффициента (рядом обычно расположен буквенный элемент, который обозначает индекс скорости). Почему это важно? Специалисты, проектирующие модель, расчетным образом предполагают, какая энергия будет воздействовать на покрышку. Это нужно для того, чтобы рассчитать, какие свойства должны быть у шины, чтобы она могла противостоять многократной деформации в движении. Однако, если нагрузка на шину превышена, то «лишняя» освобожденная энергия нагревает шину, а это, как мы уже выяснили в пункте 1, приводит к ее чрезмерному износу.
4. Распределение давления в шине. При неравномерном давлении одни части протектора прикасаются к дороге чаще, а значит и изнашиваются быстрее, чем другие.
5. Состав резиновой смеси и вид поверхности движения. Эти параметры связаны с адгезией, и непосредственно влияют на износ.
6. Рисунок протектора. Разные типы шин имеют абсолютно разный протекторный узор, ведь именно от него зависит сцепление с дорогой. Производители стараются добиться максимального пятна контакта с дорогой, чтобы улучшить сцепные и управленческие свойства шины. Однако если пятно контакта максимально, то увеличивается адгезивный износ.

Виды износа шин

Условно изношенность шин можно поделить на два типа – нормальный (естественный) и ненормальный (избыточный, либо неравномерный). Если по поводу первого особо не возникает вопросов – здесь работает сила трения и внешние факторы, которые мы рассмотрели выше, то в случае с ненормальным износом все сложнее. Избыточный износ покрышек можно поделить на множество подтипов, в частности: односторонний износ, износ центральной части, износ плечевых зон (симметричный и несимметричный), диагональный износ и многие другие.

Практически всегда неравномерный износ обусловлен рядом факторов, например, установкой не заводского размера, отсутствием регулярного контроля углов установки колёс («развал-схождение»), превышением заявленной производителем нагрузки или применением при температурах, не предназначенных для работы модели (зимние шины летом, грязевые шины на асфальте и т.п.). Влиять может всё, даже перекачка или недокачка шин.

Как избежать неравномерного / избыточного износа и уменьшить естественный?

Обычно неравномерный и избыточный износ шин легко заметен при визуальном осмотре. Если вы обнаружили его, можно легко найти причину и устранить ее. Таким образом, если шины еще не сильно повреждены, это не повлияет на качество и безопасность движения.

Чтобы снизить общий износ, обычно достаточно общих рекомендаций – с учетом факторов, влияющих на изнашиваемость резины, о которых мы говорили ранее, можно выделить следующие:

• Эксплуатируйте только шины, которые подходят к типу покрытия, по которому вы двигаетесь преимущественно. Не стоит покупать грязевые или раллийные шины для движения по городу.
• Шины должны использоваться в пределах температур, для которых предназначены: летние шины – от +5 градусов и выше, зимние – от +4 и ниже. Использование неподходящей по сезону резины существенно увеличивает ее износ.
• Резкий набор скорости и резкое торможение также говорят не в пользу продления эксплуатационного срока.
• Обязательно проверяйте давление в шинах на регулярной основе. Эта настройка влияет не только на износ покрышек, но также и на расход топлива – он может заметно увеличиться.
• Каждый сезон комплект шин (даже если они у вас на дисках – для каждого сезона) должен балансироваться. Дисбаланс в шинах приводит к их постепенной деформации.
• Ежегодно проводите техническое обслуживание автомобиля, обязательно регулируйте сход-развал колес. Неверные углы установки колес могут приводить к тому, что шины будут изнашиваться неравномерно (и очень быстро).
• Если позволяет тип шин, периодически меняйте местами передние и задние покрышки, чтобы износ был более равномерным.

Что делают ученые, чтобы улучшить показатель износостойкости шин?

Можно улучшать конструкцию автомобиля. Ученые из Падербрнского университета подобрали идеальные углы установки колес задней оси, при которых удалось снизить износ на почти 57% при условии прямолинейного движения. За основу расчета был взят нелинейный закон износа покрышек: степенная функция описывает зависимость массы изношенной резины от величины силы трения. Они сконструировали модель подвески, и, меняя величину углов, нашли наилучшее значение.

Другой вариант – доработка конструкции самого колеса. Инженеры из Шаньдуньского университета обратили внимание, что на борта покрышки приходится наибольшая статическая нагрузка, поэтому они чаще деформируются и разрушаются. Ученые приняли решение оптимизировать борт: они спроектировали конструкцию из стали (ранее борты производились на основе прорезиненной ленты и стальных сердечников). Разработка позволила увеличить прочность конструкции в 1,5 раза и в 1,4 раза уменьшить напряжение фона Мизеса – расчетной величины, при которой достигается предел текучести вещества (о чем мы говорили в начале этой статьи).

Еще один вариант, позволяющий повысить ресурс шины – модернизация протектора. Вот уже на протяжении многих лет инженеры работают над рисунком протектора, чтобы повысить тормозные, управленческие и износостойкие свойства шин. Для этого используются и необычные эксперименты, в том числе, основанные на применении свойств природных существ в технических устройствах. Например, в Цзилиньском университете протектор покрывали небольшими отверстиями, аналогичными тем, что находятся вокруг усов у навозных жуков. Это дало лишь небольшой результат – менее 1%, однако сама идея не нова. Когда-то пчелиные соты помогли снизить шумность и уменьшить трение в автошинах.

Самый популярный вариант – улучшение свойств материала (резиновой смеси). Резиновая смесь представляет из себя сцепление каучуковых нитей при помощи серы, пероксида или других компонентов. Для улучшения эксплуатационных свойств в нее замешивают различные добавки. Подобрать оптимальный состав – задача не из легких, ведь улучшение одной характеристики нередко влечет ухудшение другой. Немаловажным является и правильное равномерное распределение нового компонента по всей резиновой смеси (например, диоксид кремния, влияющий на прочность и эластичность покрышки, имеет свойство комкаться при изготовлении; это приводит к локальному дополнительному нагреву при использовании).

Как правильно утилизировать б/у шины?

Изношенные шины не разрешены к выбрасыванию в бытовые контейнеры для мусора. Безусловно, мы часто видим свалки с участием покрышек, однако надо понимать, что это оказывает крайне негативное влияние на окружающую среду. В первую очередь, шины очень комфортны для размножения паразитов – крыс, мышей, насекомых. Во-вторых, автомобильные покрышки крайне устойчивы к разрушению, а также содержат вещества, которые могут нанести непоправимый вред природе при разложении. Сжигать шины тоже нельзя – горение высвобождает из резиновой смеси токсические вещества, канцерогены, мутагенные химикаты, что может быть опасно и вызвать длительное отравление почвы и воздуха.

Идеальный вариант – вторичная переработка шин. Какой она бывает?

1. Пиролиз – разложение резиновой смеси на элементы, которые могут быть вторично использованы.
2. Механическая вторичная переработка – например, измельчение покрышки на крошку и использование в составе дорожного покрытия;
3. Сжигание в специальном промышленном котле при высоких температурах с использованием фильтрации выбросов – для выработки дополнительной энергии.
4. Восстановление протекторного рисунка. Именно протектор шины изнашивается чаще всего, и если металлический каркас шины цел, на покрышку «напаивают» новый протектор. Восстановленные шины дешевле новых, но их характеристики снижены.

Компания BS-Tyres ответственно относится к окружающей среде. Вы всегда можете отдать свои старые шины на утилизацию в любом из наших собственных филиалов. Мы берем небольшую стоимость за услугу утилизации, чтобы покрыть расходы на транспортировку изношенных шин к местам их переработки.