Більше, ніж повітря: Автомобільна шина - вчора і сьогодні

Більше ста років тому був створений робочий зразок шини, в якій повітря під тиском демпфував нерівності дороги. Довгі десятиліття еволюції перетворили шину з простої оболонки для повітря в складну конструкцію, анітрохи не менш важливу, ніж інші агрегати автомобіля.

Віз не потребував шин. У тому числі побудована Нікола Жозефом Кюньо в 1769 - 1770 рр. паровий віз - перший саморухливий екіпаж. Всі її три колеса були дерев'яними - для руху зі швидкістю 4 кілометри на годину це було цілком відповідне технічне рішення. XIX століття подарувало людству нові швидкості, і проблема комфортного пересування екіпажів по тодішньому аж ніяк не ідеальному дорожньому покриттю стала в повний зріст. Частково вона вирішувалася за рахунок ресорної підвіски, але і колесам потрібно було забезпечувати більш плавний рух. Розроблений Чарльзом Гудьїром у 1839 році процес вулканізації дав для вирішення цієї проблеми відмінний матеріал - еластичну гуму. Відомі до цього гумоподібні суміші на основі натурального каучуку мали серйозну нестачу - їхні властивості сильно змінювалися під впливом температури. У холод вони ставали дуже твердими, а в спеку - занадто м'якими і липкими.

Смужки з вулканізованої гуми на ободах коліс достатньою мірою покращували плавність ходу і акустичний комфорт карет та інших кінних візків. Тому, коли в 1845 році хтось Роберт В. Томпсон запропонував закріплювати на ободі полую гумову трубку, накачану повітрям, його придумка була зустрінута без ентузіазму. Перший робочий зразок пневматичної шини розробив у 1888 році Джон Данлоп. Непоказна конструкція складалася з обернутої навколо ободу подоби садового шланга, обшитого кількома шарами шкіри. Велосипедисти швидко оцінили комфорт, який давали перші «пневматики». Щоправда, шини Данлопа не могли б витримати ваги не тільки «самобіглого екіпажу», а й кінного воза. Символічно, що майже в цей же час Готліб Даймлер сконструював перший автомобіль з бензиновим двигуном. Автомобіль і шина були народжені один для одного, і незабаром їхні долі з'єдналися. З'ясувалося, що на великих швидкостях без пневматичних шин просто не обійтися: тодішня недосконала підвіска не встигала «проковтувати» нерівності дороги. У 1898 році було подолано важливий психологічний бар'єр - взутий у шини братів Мішлен електромобіль «Jamais Contente» вперше в автомобільній історії перевищив швидкість 100 км/год. Швидкості росли, автомобілі вже випускалися масово, і розробникам шин потрібно було всерйоз задуматися про вдосконалення свого дітища.

Проколи

Головним недоліком перших шин була їх висока схильність до прокол. Наїзд на будь-який гострий предмет, цвях (а їх чимало випадало з підкованих кінських копит і валялося на дорогах) означав неминучий прокол накачаної повітрям камери. Занадто тонка гумова або шкіряна оболонка камери не забезпечувала належного захисту. До того ж замінити шину було досить складно - за допомогою спеціального розбірного ободу вона привинчивалася до колеса гвинтами. А змінювати їх потрібно було часто - навіть за відсутності проколів наприкінці XIX століття ресурс шини становив всього лише близько 200 кілометрів...

Тому удосконалення конструкції шин на зорі автомобілебудування йшло за двома напрямками відразу. Спростити систему кріплення до колеса вдалося досить швидко - з'явилося стопорне кільце, що утримує шину без прикручування гуми до ободу.

Друга проблема, підвищення ресурсу і стійкості до прокол, виявилася складнішою. Справа в тому, що конструкція шини по суті своїй суперечлива. З одного боку, вона повинна бути досить жорсткою, щоб не руйнуватися і протистояти гострим предметам на дорозі, з іншого - досить м'якою і упругою. Так, в шині «працює» повітря - воно закачане туди при тиску в кілька атмосфер і в цьому стані починає проявляти необхідну пружність (за таким же принципом, як і шини, працюють газонаповнені амортизатори). Але для того, щоб амортизуючі властивості повітря оптимально служили плавності ходу, і сама оболонка шин повинна бути не дуже жорсткою.

Захист від цвяхів

Принципове вирішення питання полягало в тому, що з'явилася різниця в товщині боковин (більш тонких, щоб забезпечити шині демпфуючі властивості) і протектора, покликаного захистити найбільш вразливу, що котиться по дорозі частину шин.

Жорсткий протектор рятував від цвяхів, а для поліпшення зцепних властивостей у товстому шарі його гуми стали робити різні канавки. З'явився малюнок протектора - той самий малюнок, який конструктори шинних компаній у пошуках ідеалу «перерисовують» досі... Вони ж шукають оптимальне поєднання м'якості і жорсткості шини, оскільки «м'які» шини, що дають найбільший комфорт сидячим у машині, водій буде лаяти, справедливо звинувачуючи в погіршенні керованості свого автомобіля. Напевно, це дистанція без фінішу...

Вздовж і поперек

Ідеальну шину на всі випадки життя створити неможливо. Допомагає спеціалізація. Наприклад, спортсмен на трасі може примиритися з тряскою, проте хороша керованість машини для нього обов'язкова. Тому досить швидко з'явилися спортивні шини, що не застосовуються на дорогах загального користування. Після Другої світової розробили спеціальні зимові шини, а у вісімдесятих роках XX століття широко поширеним стало «перевзуття» машин двічі на рік - навесні і восени. Втім, зимова «гума» - це окрема тема, якої ми плануємо торкнутися ближче до осені...

Найважливішим пунктом еволюції стала розроблена в п'ятдесяті роки минулого століття радіальна шина. У діагональній шині, що застосовувалася раніше, набір шарів корду (текстильних або металевих ниток) розташовувався діагонально, під кутом 45 градусів до напрямку качання. У радіальній шині нитки основного каркасу розташовані поперечно, а необхідну жорсткість шині надають поздовжні шари корду під протектором. Це дозволяє забезпечити набагато більшу стабільність форми шини і підвищити її жорсткість при тих же демпфуючих властивостях.

Остаточно свій сучасний вигляд шина прийняла, зробившись безкамерною. Нашими дорогами досі ще колесять автомобілі, в яких шина працює в парі з камерою. Однак з кожним роком камерних шин стає все менше - зараз вони ставляться хіба що на вітчизняні вантажівки. На легкових машинах від камер давно відмовилися - так безпечніше. Наскільки завгодно надійний протектор все-таки не дає гарантії від проколу. Камера, герметична частина шини, при проколі миттєво втрачає тиск. Оскільки покришка в цьому випадку монтується на колісному диску негерметично, повітря швидко виходить - і на великих швидкостях це загрожує аварією, машина може перевернутися. У безкамерній шині конструкція «покришка-обід» герметична. На внутрішній поверхні шини присутній спеціальний герметизуючий шар. Звичайно, і він не рятує від проколу, але повітря виходить набагато повільніше, водій встигає помітити неприємність, не потрапляючи в аварійну ситуацію.