От шланга до магнитной левитации: шинные инновации вчера и сегодня

Краткий курс эволюции шин

Чуть менее 130 лет назад – совсем недавно по историческим меркам – само понятие автомобильной шины было совсем не таким, как сейчас. Цельные куски резины, обернутые вокруг обода колеса – вот инженерный потолок и предел комфорта того времени. Разумеется, комфорта, как и инженерии, в этом было немного, а уж о таких характеристиках, как уровень сцепления с поверхностью, максимальная допустимая скорость или износостойкость, и говорить было нечего. Как-то цепляется, сколько-то держится, а скорость сполна ограничивалась самими транспортными средствами. Сегодняшние шины – вещь совсем иного толка.

История о Джоне Данлопе, который обернул колеса детского велосипеда садовым шлангом и наполнил его воздухом, пожалуй, известна всем: именно это событие и считается рождением пневматической шины. Однако покрышки прошли немалый путь, чтобы именоваться таким сложным и высокотехнологичным инструментом достижения скорости и комфорта, как сейчас. В этом долгом путешествии от шланга до того, что может назвать шиной наш современник, было много маленьких шажков – интересно то, что порой решения, упразднявшиеся как устаревшие, становились актуальными вновь, получив второе дыхание.

В самом зачаточном исполнении конца 80-х годов 19 века шина представляла собой все тот же «шланг», примотанный к спицевому колесу прорезиненной тканью – производство каучука, разумеется, тоже стало одной из важнейших вех в истории колеса. В этой ткани, если приглядеться, можно угадать не что иное, как примитивный протектор – верхний покровный слой, защищающий внутренние слои, определяющий сцепление с поверхностью и принимающий на себя основной износ.

Но жизнеспособность практически любого изобретения определяет даже не его функциональность, а… приспособленность к массовой эксплуатации. Именно она загубила шину во времена ее первого рождения еще за 40 лет до Данлопа – детище изобретателя Роберта Томсона просто не было достаточно простым для широкого использования, так как перематывать вручную поврежденное изделие было бы слишком трудоемко. В конце 19 века же технологии, помноженные на интерес широкой публики, поспособствовали созданию пневматической шины, пригодной для замены в более-менее разумные сроки.

Следующим шажком в истории шин стало появление корда из текстильных нитей и усиление боковин – в этом виде покрышки уже были пригодны для массовой эксплуатации, а также обеспечивали неплохие показатели по износостойкости и легкости монтажа. Было, правда, и решение, иллюстрирующее тезис из первого абзаца этой главы – на долгое время шина стала одним из элементов колеса, который не использовался сам по себе: ее спутницей стала внутренняя камера. Тем не менее пневматические покрышки, имевшие на тот момент кордовую структуру диагональной конструкции, где волокна были уложены под углом друг к другу по ходу движения колеса, уже окончательно и бесповоротно застолбили за собой должность мировой автомобильной «обуви», став «реализованной инновацией» своих лет.

Прошел еще десяток-другой лет, и диагональная конструкция покрышек окончательно и бесповоротно уступила место радиальной – той, где слои корда направлены вдоль радиуса покрышки или, иначе говоря, поперек оси движения. Радиальная конструкция принесла с собой радикальные изменения: снижение числа слоев корда с соответствующим снижением толщины и веса шины, а заодно и повышение жесткости общей конструкции. Тут прошлое и одержало верх: в сочетании с жесткой боковиной и жесткими же бортовыми кольцами, плотно сажающими шину на диск, необходимость в лишнем элементе внутри колеса отпала. Камера давала лишь дополнительный вес и ненужное трение (а значит, и нагрев), а заодно и могла сыграть злую шутку при резкой разгерметизации, одномоментно снижая давление в колесе и провоцируя опасную ситуацию. Избавившись от камеры, колеса приобрели наиболее привычный для нас сегодня вид, но ключевую роль к этому моменту играла уже не только камера – вернее сказать, не столько она, сколько…

Сколько состав покрышки и рисунок ее протектора – да, в «отсутствие прогресса» конструкционного в ход пошли физико-химические уловки, позволяющие радикально изменить характеристики при сохранении внешнего вида. При выборе современной покрышки мало кто задумывается о том, камерная она, радиальная или диагональная – бескамерные радиальные конструкции стали неписаным стандартом для легковых авто, а главными критериями выбора (помимо параметров размерности, разумеется) стали жесткость, максимальная нагрузка и рисунок протектора. Продвинутые потребители, помимо прочего, интересуются и составом, из которого изготовлена шина – за сложный состав его называют компаунд (от англ. compound – смесь, сплав, сложное вещество). Что же можно узнать из процентных соотношений компонентов в составе «резины»?

Для начала стоит выяснить, что вообще входит в ее состав – тем более, что за последние годы он тоже претерпел изменения. Раньше основным материалом, «базой» для изготовления шин служил каучук – натуральный или искусственный. Сегодня каучук, разумеется, тоже в ходу, но его доля в составе снизилась – во многом благодаря силике, или кремниевой кислоте, которая раньше была слишком дорога для обширного применения в составе смеси. Еще одним обязательным компонентом является сажа (или, если понаучнее, технический углерод), придающая шинам характерный черный цвет и способствующая скреплению составляющих компаунда при вулканизации – объединении молекулярной структуры компаунда в единую сетку.

Остальные его компоненты тоже важны, но гораздо менее объемны в общей массе – это смолы и масла, выступающие в роли пластификаторов, а также сера, стеариновая кислота и другие вещества, способствующие процессу вулканизации.

Игры с составом резины и формой протектора

Но все вышеперечисленное – лишь общее описание состава: суть создания «идеальной» резины как раз в том, чтобы подобрать нужные компоненты в необходимой пропорции, получив на выходе компаунд, дающий искомые характеристики. Так, например, силика способствует лучшему сцеплению шины с мокрой поверхностью, но заодно склонна к более быстрому износу; сажа же – напротив, придает покрышке прочности. Итоговый результат «смешения» в теории уникален для каждого продукта на рынке – то есть при дотошном выборе стоит вчитываться в состав компаунда. Для наглядности рассмотрим пару примеров.

За первым далеко ходить не будем – обратимся прямо к одному из тестов шин, который мы проводили около года назад: Hankook Dynapro HP2. Тот тест вполне наглядно иллюстрировал как особенности состава, так и суть рисунка протектора. Рассмотрим их еще раз.

В том тексте мы упоминали, что по заявлениям производителя, шины стали «на 8% "ухватистее" на мокром асфальте», и причиной тому называли именно то, о чем здесь говорилось выше: увеличение процентного объема силики в составе. Учитывая, что это шины для городских кроссоверов, вопрос максимальной износоустойчивости стоит не так остро – манера езды для этих машин просто не предполагает излишне активных действий, динамичных стартов, поворотов и торможений на пределе возможностей. А вот повышение стабильности и прогнозируемости поведения автомобиля на мокрой дороге – вопрос куда более насущный, особенно с поправкой на массу кроссоверной братии.

Рисунок протектора – тоже штука довольно прозрачная. Продольные канавки – на рассматриваемой шине, например, их четыре – отвечают за отвод воды из пятна контакта шины с поверхностью. Это одна из главнейших характеристик, препятствующих аквапланированию – «всплыванию» шин при движении по лужам и излишне мокрым дорогам. Поперечные же канавки, или ламели, отвечают как за отвод воды в стороны от колеса, так и за сцепление с дорогой. Снова возвращаясь к прошлому тесту, вспоминаем, что «по сравнению с предшественником шины стали на 4% тише», а достигнуто это было как раз «за счет изменения длины и конфигурации поперечных канавок».

Но состав и рисунок протектора – не все инновации современных покрышек относительно их полувековых предков. Правда, за более интересными характеристиками придется и подняться в более высокий ценовой сегмент: вот, например, другой экземпляр от того же производителя – Hankook Ventus Prime.

Эти шины позиционируются уже как премиальные, и ориентированы не на скорость, а на комфорт. Опуская маркетинговые ухваты вроде бионического рисунка протектора в виде зуба ягуара, сразу углубляемся в суть: поскольку ездовой комфорт здесь повышен, то и компаунд, очевидно, другой – силика занимает еще более важное место.

Еще одно любопытное замечание в составе – высокомолекулярные полимеры, повышающие износостойкость на 9%, что вполне логично, если эти сложные полимеры служат для лучшего скрепления структуры при вулканизации.

Альтернатива RunFlat

Читаем дальше, натыкаемся на некую «технологию Sealguard». Минимальные познания в самом легком иностранном языке позволяют легко сделать вывод, что это самозатягивающиеся покрышки, способные противостоять проколам – так оно и есть. Максимальный заявленный диаметр «вражеского гвоздя» – немаленькие 5 мм: после «сквозной встречи» с таким препятствием шина не теряет функциональности, а сама затягивает прокол вязким материалом, нанесенным на ее внутреннюю поверхность. Таким образом, отпадает даже необходимость останавливаться, чтобы поменять колесо.

Самозатягивающиеся шины – еще одна альтернатива технологии RunFlat и других антипрокольных шин, которые заслуживают отдельного материала. Ну и, разумеется, технология «самолечения» покрышек не эксклюзивна для Hankook – подобные решения присутствуют и в арсенале некоторых других лидирующих производителей резины.

В общем, с инновациями прошлого и настоящего мы поверхностно разобрались – теперь нам известно, чем занимались и продолжают заниматься инженеры и химики шинной промышленности. Самое время выяснить, какие инновации видятся им в качестве технологий будущего.

Магнитная левитация

Продолжая тему инноваций от корейского производителя, стоит вспомнить целую «колоду» проектов, представленных тем же Hankook в 2012 и 2014 годах.

Эти концепты интересны тем, что они нисколько не утратили своей свежести и сейчас, спустя 2-4 года – отчасти потому, что пока остаются на стадии проектов, но во многом благодаря своей технической изысканности.

Вот, например, Tiltread – снова включаем «филологический режим» и переводим название как «наклоняющийся протектор», получая в двух словах практически всю техническую суть. Эта концептуальная шина состоит из трех отдельных друг от друга сегментов, которые при движении по прямой ведут себя как обычная покрышка. Революция наступает при повороте: каждый из сегментов воображает себя колесом мотоцикла на вираже и активно наклоняется внутрь поворота. Суммарный «бутерброд» из трех сегментов позволяет получить мотоциклетную «укладку» для сохранения максимальной скорости при четырехколесной автомобильной устойчивости – чем не гоночный прорыв? Кроме того, эти и последующие шины – представители прогрессивной когорты NPT: «non-pneumatic tires» или непневматических, безвоздушных шин.

Второй концепт 2012 года от Hankook – это Motiv: внедорожная шина с независимыми полиуретановыми блоками протектора, которые похожи на лепестки. Они гибко подстраиваются под неровности дороги, а в сочетании с наклоняющейся ступицей самого колеса два блока могут двигаться относительно друг друга. Беспрокольное будущее оффроуда – правда, только сухого: грязевые условия создатели этой внедорожной шины явно не учитывали.

Хотите топливной экономичности? Покупайте шины с пониженным сопротивлением качению уже сегодня и накачивайте их в соответствии c инструкцией – или подождите светлого завтра, где реализуется идея eMembrane. Она играет на том, чего старательно избегают создатели сегодняшних шин: снижении пятна контакта. Хитрость в том, что на обычных шинах ситуация, когда дороги касаются лишь внешние края, практически в плечевой зоне, возможна лишь при пониженном давлении в них – но тогда и сопротивление качению возрастает в разы. В свою очередь eMembrane сохраняет упругость, сокращая трение качения на небольших скоростях за счет уменьшенной зоны контакта с дорогой – а при быстром движении, когда безопасность требует максимального сцепления, «выгибается» до привычного нам вида, обеспечивая полный контакт.

Оставив последний концепт 2012 года на сладкое, взглянем на инновационные решения 2014 года. Вот, например, еще одна «суховнедорожная» идея под именем Boostrac, сочетающая в себе характеристики шин AT (All Terrain) и MT (Mud Terrain), «сжимая» протектор на асфальте и «ощетинивая» его на бездорожье. Это, разумеется, повышает ее тягово-сцепные свойства и даже способствует увеличению дорожного просвета. Осталось лишь выяснить, сможет ли протектор, плотно забитый густым суглинком, «сжаться» обратно…

Alpike – это еще один внедорожный концепт, и он тоже увеличивается в сложных дорожных условиях, но не в ширину, а в диаметре. Колесо при этом напоминает разрезанный на части праздничный торт – вот только укусить его будет проблематично из-за выдвигающихся наружу шипов, которые, как и острогранная структура наружной части, способствует повышению сцепления на заснеженных и обледенелых поверхностях.

Ну а hyBlade – это не шина, а целая турбинка или, если хотите, крылатое колесо. Используя принцип водяного колеса, наклонными лопастями hyBlade буквально загребает воду, в теории позволяя проезжать по поверхности водоема при условии достаточной скорости. В оригинальности такому концепту не откажешь: передвигаться «по воде аки посуху» без переобувки колес – идея будоражащая.

Но самый любопытный, футуристический и притягательный концепт от южнокорейских инженеров – это Mag-trac 2012 года. У такого колеса есть внутренняя ступица, внешний протектор, а соединяются между собой они… ничем. Да-да, никакой физической прослойки между ними нет: расстояние поддерживается за счет магнитного поля между ступицей и внутренней стороной «протектора». Таким образом, автомобиль на Mag-trac в буквальном смысле левитирует над дорогой – а амортизацию осуществляет все то же магнитное поле. Более того, в самом автомобиле не остается вращающихся элементов привода: ни тебе приводных валов, ни крутящихся ступиц, ни изнашивающихся подшипников – и, соответственно, никакого шума! Прокалывать тоже нечего: пневматических элементов в колесе просто нет. Жаль только, что магнитные ступицы и левитирующие колеса пока представляют задачу совсем иного уровня сложности…

Вместо заключения

Инновации хороши именно тем, что они бесконечны: инженерный гений выдающихся конструкторов во все века двигал технологии вперед. Мы же теперь знаем основные вехи этого прогресса и даже немного заглядываем в будущее – и кто знает, может, кто-то из нас или наших современников и сотворит то, что изменит шинную и даже автомобильную промышленность на долгие годы вперед.