Почему внутри воздух
Первые резиновые покрышки, которые пришли на смену деревянным и окованным ободьям, были непробиваемыми и совершенно не боялись гвоздей – более того, в каждом колесе машины тогда гвоздей и штатно могло быть несколько. Впрочем, ценились обода, собранные без единого гвоздя или болта – это считалось работой мастера. Но к началу автомобилизации планеты цельнодеревянные колеса, обитые резиной, были уже далеко не передовой технологией: настала пора пневматических шин.
Первый патент на привычную нам «пневматику» появился в 1848 году и был взят на имя Роберта Томпсона. Идея дошла и до практической реализации, причем тесты убедительно доказали превосходство пневматических шин перед твердыми колесами: тяговое усилие на твердом покрытии уменьшилось на 37%, а на гравии и грунте – на уже на 68%. И это не считая принципиального изменения в комфорте передвижения.
После истечения действия патента в 1878 году следующую попытку предпринял весьма известный и поныне Джон Данлоп: в 1888 он снова запатентовал пневматическую покрышку и начал серийное производство таких шин для велосипедов и конных повозок. Кстати, времена тогда были суровые, патентные тролли и просто прожектеры уже существовали, так что патентов на эту технологию на самом деле было довольно много. Но все они сводились к простым системам с камерой внутри покрышки или «пневмотрубкой» – камерой и шиной в одном флаконе.
Продвижению пневматики способствовало увлечение велоспортом в то время. Велосипед для обывателя был чем-то вроде легкового автомобиля сейчас – не у всех они были, но многие хотели бы такой приобрести, а желание как можно эффективнее использовать скудные человеческие силы вынуждало применять наиболее эффективные колеса. Технологию улучшали: история сохранила имена многих причастных изобретателей, например, Чайлда Уэлча, Андрэ и Эдуарда Мишленов. Постепенно оформлялась привычная нам конструкция с покрышкой, которая фиксировалась на ободе, и внутри которой находилась камера или камеры с воздухом. В 1885 году успех в гонке Париж-Бордо принес известность братьям Мишлен, а в 1896 году английская автомобильная фирма «Ланчестер» стала первой маркой, серийно устанавливающей покрышки бренда Dunlop. К началу двадцатого века количество компаний-изготовителей покрышек для авто исчислялось десятками, а сами покрышки устанавливали и на автомобили, и на пассажирские кареты.
Проблема проколов остро стояла с самого начала, неприятности случались буквально каждую сотню километров. Это неудивительно, учитывая сколько гвоздей таилось в грязи грунтовых дорог – ведь основной тяговой силой были лошади, а их подковывали, и подковы крепились именно гвоздями. Повреждались и камеры, и сами покрышки. Корд был текстильным и очень слабым. Существенно ситуация улучшилась только в двадцатые годы с применением нейлонового корда и вискозы в составе покрышек, а также с переходом на металлокордные покрышки в середине века. Боролись с проколами простыми методами – дырки заклеивали, а у водителя в запасе всегда было несколько колес. Гонщики же, отправлявшиеся в дальние «раллийные» рейды, и вовсе везли с собой десятки «запасок».
Боремся с проколами: обойдемся без воздуха
В условиях уже полного доминирования пневматических покрышек на легковых автомобилях их применение на тяжелой технике и особенно военных машинах было крайне ограниченным. Тяжелый грузовик не поднять руками за ось, чтобы снять колесо и заменить покрышку. А в бою пневматика совершенно бесполезна – она легко пробивается пулями и осколками и повреждается даже колючей проволокой, а обездвиженная машина становится легкой мишенью. И заменить колесо под огнем, опять же, крайне сложно. Так что именно запросы военных в годы Первой мировой войны стали основной движущей силой в развитии непробиваемых шин.
Цельнорезиновые обода были не самым удачным решением, но инженеры быстро нашли вполне эффективную вариацию, годную для небольшой скорости. Наполненные эластичной массой в виде вспененного каучука или резиновых жгутов покрышки имели характеристики заметно лучше, чем у твердых ободьев. На твердом покрытии тяговое усилие уменьшалось на 20-30%, а на мягких грунтах на все 50% по сравнению с цельностальным колесом и резиновым облоем.
Русскоязычное название таких покрышек «гусматик» пошло от названия смеси, предложенной химиком А. Гусом перед Первой мировой войной, а английский вариант «NTP» расшифровывается просто как Non-Pneumatic-tire. Сейчас подобного рода конструкции известны как покрышки с губчатой камерой, и встретить их довольно легко – нужно лишь приглядеться к колесам пушек в любой экспозиции времен Великой Отечественной.
В дальнейшем прогресс подобного рода покрышек определялся именно характеристиками смеси-наполнителя. Правильно подобранная упругость позволяла на твердом покрытии и умеренной скорости получить характеристики, сравнимые с обычными покрышками. При этом шина не боялась повреждений, даже после попадания снаряда она оставалась на диске, и машина могла передвигаться.
К сожалению, с повышением скорости проявлялись и недостатки такого типа колес. Состав ощутимо нагревался при быстром движении, что приводило к вздутиям, разрывам и даже возгораниям покрышек. Жесткость состава по ободу неизбежно колебалась, и вибрации, а также высокая масса колеса разрушали ходовую часть машин. Прогресс в создании наполнителей позволил обеспечить безопасную скорость на уровне 50 километров в час, но, похоже, это предел, за которым конструкция потребовала серьезного усложнения.
На легковых автомобилях подобные колеса в двадцатом веке практически не применялись, ограниченное использование на ранних грузовиках и автобусах было связано со слабой несущей способностью пневматических покрышек и сложностями с заменой колес при проколах. Но со временем дороги стали лучше, а пневматика – крепче, и о гражданском применении гусматиков забыли.
Ажурные конструкции будушего
С появлением новых полимерных составов появилась и возможность создания эффективных решений такого рода в виде ячеистых структур с воздушным охлаждением на базе каркаса из полиуретана, углепластика и металла. Более высокая несущая способность современных пластиков и возможность компьютерного расчета сложных структур позволяет создавать конструкции с заданным модулем упругости в разных направлениях, что потенциально может быть применено для покрышек обычных «гражданских» автомобилей.
Пожалуй, самыми известными проектами подобного рода за последние два десятилетия стали появившиеся в 2005 году колеса Tweel от компании Michelin. Их ячеистая структура стала визитной карточкой новой технологии непневматических шин, а акцент был сделан именно на применении на обычных легковых машинах. Американские военные тем временем отдали предпочтение проекту компании Resilient Technologies и Центра полимерной инженерии при университете Висконсина в Мэдисоне (University of Wisconsin-Madison’s Polymer Engineering Center), которые предложили по сути схожую конструкцию.
Отметились на поприще создания гражданских непневматических покрышек также компании Bridgestone, Polaris и Hankook, причем последняя уверенно продвигает технологию, выставляя все новые прототипы. Michelin даже обещал серийные покрышки такого рода к 2015 году, но, видимо, «что-то случилось»… Впрочем, вполне возможно, что мы увидим подобные колеса в ближайшее время – уж больно интересные возможности открывает технология. На городских машинках можно полностью отказаться от сложных подвесок, карданных валов, ШРУС, сайлентблоков и шаровых опор – ведь у такой покрышки жесткость в продольном и поперечном направлении не связаны, а значит, можно возложить на нее и функции подвески без ухудшения управляемости и сцепления с дорогой.
Как резервный вариант
Впрочем, с непневматическими шинами-гусматиками мы еще не закончили – они иногда скрываются под оболочкой обычной пневматики. Речь о шинах для бронированных машин, гражданских и не очень.
Гибрид пневматической покрышки и гусматика пытались разработать очень давно, еще в 30-е годы производились покрышки с цельнолитой внутренней частью, на которую монтировалась многокамерная шина. Например, компания Michelin представила в 1934 году покрышки подобной конструкции. Предназначались они в первую очередь для банковских броневиков и рейсовых троллейбусов. На машинах Chrysler в 1958 году появились покрышки Goodyear Tire и Rubber Company с несущим ободом – это позволяло решить проблему безопасности при быстрой потере давления в камерной резине, машина сохраняла управляемость при проколе колеса.
До массового внедрения бескамерной резины проблема была актуальной, и подобные технологии иногда появлялись как дополнительное оснащение для дорогих моделей машин. В семидесятые годы эти технологии применялись в шинах бронетранспортера Mowag Piranha: его высокопрофильные колеса имели внутри небольшую вставку, которая позволяла сохранить подвижность при серьезной потере давления.
Сейчас наследниками подобной технологии выступают, например, Michelin PAX и Bridgestone Support Ring System, которые применяются на машинах скрытого бронирования европейских и американских производителей. На ободе колеса смонтировано кольцо из полимера, а поверх надета пневматическая покрышка. В обычном режиме, когда в колесе есть давление, зазор между внешней покрышкой и ободом гусматика составляет несколько сантиметров, и автомобиль двигается, как на обычных колесах. А при проколе или другом повреждении колеса вставка обеспечит движение на скорости до 80 километров в час – конечно, с некоторой потерей управляемости. Подобные технологии используются и военными, правда, обычно в сочетании с «самозатягивающимися» покрышками и системой централизованной подкачки колес.
Починка на ходу
Рост скорости колесных машин вынудил военных в 50-е годы искать другие решения, помимо гусматиков. Отличное сочетание качеств дала как раз вышеупомянутая технология самозатягивающихся покрышек и система централизованной подкачки шин. Самоуплотняющийся состав на внутренней поверхности покрышки или специальная полимеризующаяся при проколе жидкость в сочетании с системой подкачки и аварийными ободами, как у Mowag Piranha, позволили отложить непневматические технологии на несколько десятков лет. Но поскольку нас интересует в первую очередь «гражданское» применение, надо отметить, что компания Continental выпускает покрышки с технологией ContiSeal для обычных легковых машин. Линейка включает шины практически любых необходимых размерностей, но с акцентом в основном на легкие спортивные авто – причем шины существуют и в зимнем исполнении. Технология позволяет избежать потери давления при проколах диаметром до 5 мм или не проникающих через дополнительный слой повреждениях, в том числе неглубоких порезах боковин.
Альтернативный вариант знаком многим владельцам родстеров BMW до «эпохи RunFlat». Компрессор в багажнике и баллон с составом для заделки отверстий весьма эффективно решали проблему небольших проколов. Но тут владельцу в любом случае приходилось остановиться. Впрочем, подобное «улучшение» доступно любому автолюбителю с бескамерной покрышкой, и герметик вовсе не обязателен – иногда можно поставить ремонтный жгут самостоятельно и подкачать колесо или просто подкачать и доехать до ближайшего шиномонтажа.
Почему самонесущие?
Так почему же после стольких лет попыток сделать пневматику нечувствительной к проколам и выпуска множества различных конструкций, наконец, появилась технология, которая смогла закрепиться на рынке? Конечно, свою роль здесь играет прогресс в технологиях: с 1973 года утекло много воды, и RunFlat стала намного удобнее в применении благодаря появлению новых полимеров, которые позволяют создать достаточно мягкую боковину с высокой несущей способностью, но это не определяющий фактор. В первую очередь надо отметить, что причина, скорее, не в технологиях создания покрышек, а в автомобильном рынке.
Массу и внутренний объем машины стараются использовать как можно более эффективно. Огромный объем сервисной электроники, большое число сервисных механизмов, рост массы кузова из-за повышения требований к безопасности и увеличение мощности заставляют искать способы хотя бы сохранить общую массу машины за счет отказа от традиционных резервов. А вес запасного колеса и домкрата для современного кроссовера – уже очень существенная величина. Даже докатка получается громоздкой, иначе ее просто не «надеть» на огромные тормозные механизмы. К тому же стоимость современных высокотехнологичных колес составляет заметную долю в цене машины, и небольшое улучшение, способствующее повышению надежности, только приветствуется.
Дополнительным фактором, способствующим закреплению безопасных шин, стало развитие технологий контроля давления шин и улучшение подвесок. Система TPMS (контроля давления) позволяет избежать косвенных опасностей применения покрышек RunFlat в виде незаметности повреждения и вероятности перегрева и полного разрушения покрышки из-за этой оплошности. А прогресс в строении подвесок позволяет сохранить комфорт и управляемость в машине даже с жесткой боковиной, хуже фильтрующей неровности дорожного полотна.
В остальном самонесущие шины – это самый простой и технологичный способ перейти от обычных покрышек к проколоустойчивым. Отличия в технологиях создания шин, дисков и операциях шиномонтажа минимальны, а эффект – более чем достаточный для стран с развитой дорожной инфраструктурой. В технологии отсутствует избыточный запас прочности, который необходим для военного и полицейского применения, такие покрышки не рассчитаны на повреждения от взрывов, разнообразных заградительных полос и так далее, зато и цена решения сравнительно невелика.
И вместо глубоких выводов
Столько лет производители искали способы избежать или уменьшить риски проколов – и вот решение вроде бы найдено. Ведь 5% рынка покрышек – не так уж мало, но вместе с тем 95% – это обычные пневматические шины. За 150 лет они стали бескамерными, стойкими к проколам, порезам, ударам… Их настолько редко повреждают, что запасное колесо по сути стало бесполезным. В крайнем случае есть сотовый телефон и службы поддержки на дорогах. В совсем крайнем случае – эвакуатор. Сейчас безопасные шины интересны индустрии в первую очередь потому что эластомеры обладают прогрессивными характеристиками податливости, которые можно задать в широком диапазоне. И успех RunFlat, скорее всего, ничего не изменит – такие покрышки попросту нужны весьма ограниченному кругу покупателей.
Для комментирования вам необходимо авторизоваться