1 этап — создание спецификации

Разработка шин невозможна без создания спецификации (т.е. списка требований и параметров), которым будет соответствовать будущая автомобильная шина. В свою очередь, создание спецификации требует от разработчиков ответа на фундаментальный вопрос, на чьи требования в разработке спецификации новых шин они должны ориентироваться? Ответа здесь может быть, как правило, только два: можно ориентироваться на требования производителей автомобилей (например, требования к шинам от компании Audi или от — BMW) или придерживаться запросов рынка. Если разработчики новых шин решили придерживаться требований конкретных производителей автомобилей к шинам, то разработка шин потребует больше денег и времени.

Требования к шинам Евросоюза

Если шины предполагается продавать на ранке Евросоюза, то разрабатываемые автомобильные покрышки также должны соответствовать жестким правилам и техническим стандарты на шины следующих организаций:

ЕС (Евросоюз);
ETRTO (Европейская техническая организация по шинам и уретановому каучуку);
Союз европейских производителей шин;
WdK (Экономическое объединение немецкой каучуковой промышленности).

Прочие требования к шинам

Если компания-производитель шин предполагает реализовывать свою продукцию по всему миру, то разрабатываемые шины должны соответствовать также:

DOT (Департамента транспортных средств, США);
T.R.A. (Ассоциация производителей шин и уретанового каучука, США);
А также другим условиям, специфичным для конкретных стран.

Вышеперечисленные требования определяют размеры будущих шин, параметры их несущей способности или предельные нагрузки. Данные требования (регулирующие механизмы и инструкции) образуют так называемый технический каркас, в рамках которого смогут действовать разработчики автомобильных шин.

Список требований, определяемый спецификацией на разработку шин

Результатом работы над спецификацией для автомобильных шин становится документ, фиксирующий и определяющий:

вес покрышек;
материалы, регламентированные к использованию при создании автопокрышек;
размеры разрабатываемых шин (типичный пример: 195/65R15);
категории скорости, которым должны соответствовать будущие шины;
возможности, которыми будут обладать разрабатываемые шины.

Все эти данные фиксируются в качестве требований в техническом задании на разработку новых автомобильных шин.

Для повседневной эксплуатации важна постоянная пригодность шины, под которой водитель понимает, само собой разумеется, безупречную реакцию и функционирование. Любая шина прежде всего должна выдерживать само транспортное средство, передавать как можно большую силу привода, торможения и боковые нагрузки. Причем в зависимости от типа шина должна вести себя предсказуемо на сухой или мокрой дороге, в дождь (безопасность при аквапланировании) или на снегу (на льду). Ниже приведен перечень требований, которые автолюбители считают достаточно важными, покупая новые шины:

прочность на высоких скоростях;
усталостная прочность;
нечувствительность к повреждениям;
прочность на истирание;
незначительное сопротивление качению;
возможность наложения нового протектора;
низкий уровень шумов;
амортизационные качества;
приятные ходовые качества;
безупречное вращение без радиального биения;
устойчивость против старения;
простой монтаж;
сходная цена.

Уже этот перечень, который можно детализировать и дальше, проясняет, какому комплексу требований должна удовлетворять шина. Изготовление шины не составляет проблемы, условия известны. В большей степени трудность заключается в подборе и гармонизации отдельных элементов, для того чтобы добиться, по возможности, высокого качества изделия, которое требует обширного ноу-хау и является хорошо охраняемой тайной изготовителей шин. Шины подчиняются физическим законам — в конструкции и в практике вождения — их нельзя перехитрить, только глубокие знания в этой области и их последовательное применение приводят к получению высококачественного продукта. Затраты на это резко выросли в последние годы и будут возрастать в будущем. Существенную часть составляют высокие технические барьеры "на пути к получению разрешения на заводскую комплектацию у производителей автомобилей. Ниже мы расскажем о том, с какими проблемами сталкиваются изготовители шин и какие возможны при этом решения.

Шины для сухой дороги

При этом стандартная эксплуатация на сухой дороге доставляет самые минимальные проблемы. В предельном диапазоне, который может быть достигнут каждым, — чаще всего по неосмотрительности, невниманию — положение осложняется. В системе динамики движения (водитель, автомобиль, окружающая среда) водитель выполняет функцию регулятора. Его работа облегчается в том случае, если ему дается больше времени для регулировки, и автомобиль быстро и точно реагирует на поступающие сигналы (рулевое управление, торможение, ускорение). Замедленные, размытые ходовые качества дают информацию для распознавания состояния в данный моменте опозданием, и у него остается слишком мало времени на реагирование, а это опасно. И если реакция следует с замедлением, то часто становится уже слишком поздно. Здесь большую роль играет шина. Поэтому сегодня чаще всего значительные затраты на разработку и материалы ходовой части становятся неэффективными, если установлены не те шины.

Шины для мокрой дороги

Очень высоки и разнообразны требования к шинам на мокрой дороге. Пленка воды перед шиной и под ней вызывает опасность аквапланирования. Бороться с этой разделительной пленкой помогают профиль протектора с дренажными свойствами при большой доле «негатива» (борозды, разрезы) и открытые плечи шины, а также как можно более высокое контактное давление. Чем шире шина, тем меньше это контактное давление и тем длиннее пути к плечу шины и, следовательно, отвода воды.

На сырой дороге или при медленной езде на мокрой дороге водяную пленку не нужно вытеснять. В этом случае требуется, прежде всего, благоприятная резиновая смесь протектора. Хотя она не бывает оптимальной ни при сухой погоде, ни зимой. Нужно найти компромисс, т.к. шины, полностью ориентированные на движение по мокрой дороге, страдают пониженными скоростными качествами, боковым уводом и недостаточной долговечностью, ходовые качества становятся неустойчивыми.

Зимние шины и предъявляемые к ним требования

Экстремальны требования, которые предъявляет к шинам зима. Снег требует от шин наличия:

открытого самоочищающегося профиля;
высокого контактного давления;
многочисленных сцепляющих граней.

К тому же еще должна быть такая резиновая смесь протектора, которая сохраняет гибкость даже на сильном морозе. При появлении оттепели шина должна быть пригодна для использования на мокрой дороге. Напротив, на гладком льду важна резиновая смесь, похожая на натуральный каучук и, к сожалению, плохо пригодная для сырой погоды.

Снег и лед уже создают для шины конфликт целей, но еще хуже становится при одновременном учете сцепления на сухой и мокрой дороге, комфорта, шумов, сопротивления качению и износа.

Требования по снижению уровня шума

Снижение шумовой нагрузки за счет шины — понятное требование, связанное с защитой окружающей среды, — становится чрезвычайно важным с появлением все более бесшумных автомобилей.

Проверкой на деле является зимняя шина старой конструкции на оптимизированном с аэродинамической точки зрения и малошумном автомобиле. Что при этом постоянно слышится, и причем назойливо, так это шина. С другой стороны, бескомпромиссно оптимизированная с точки зрения шума шина полностью непригодна для практического вождения. Но если действовать в соответствии с уровнем техники и использовать продольно ориентированные профили, небольшое количество тонких врезок, оптимизированные форму и распределение блоков, а также сильно демпфирующие резиновые смеси для протектора, то снижаются в допустимых границах ходовые качества в дождь, безопасность эксплуатации и экономичность.

Экономичность и экологичность

Безопасные для окружающей среды и экономичные автомобили пользуются большим спросом. Пониженное потребление топлива уменьшает также выброс двуокиси углерода (СО2), продукта сгорания топлива, способствующего возникновению парникового эффекта на Земле. Автомобильная промышленность ЕС обязана резко снизить расход топлива автомобилями. Как и в США, в Европе средний коэффициент расхода топлива (все автомобили изготовителя) становится решающей мерой оценки. Потребление топлива каждой моделью двигателя должно быть снижено. Т.е. изготовители автомобилей предпочитают шины с низким сопротивлением качению. Снижение сопротивления качению по отношению к расходу топлива находится в соотношении 5:1. В шине, оптимизированной с точки зрения сопротивления качению, вначале не принимались во внимания ходовые качества на мокрой дороге.

Проблема конфликта целей была решена с появлением новой технологии смесей. Силика, производное кремния, в сочетании с особыми сортами каучука допускает создание таких резиновых смесей, которые поднимают на высокий уровень несколько качеств, например, заметно сниженное сопротивление качению (до сих пор меньше максимум на 20-25%), хорошие ходовые качества на мокрой дороге и высокие ходовые качества вообще. Эта технология изготовления смесей очень деликатна в обработке и в целом дороже.

Michelin и Conti в 1992-1993 гг. поставили первую соответствующую серийную продукцию. Теперь на рынке есть такие шины и других производителей. В целом ходовые качества и экономичность этих моделей шин достигают заметно более высокого уровня, чем вначале. Наряду со специальными изделиями подчеркнуто низким сопротивлением качению (чаще всего с дополнительной экономией топлива) в каждой новой разработке шин этот критерий стоит на первом плане в большей или меньшей степени, особенно, это касается шин для заводской комплектации. Безопасность движения в значительной степени определяется также и шинами.

Экстремальные нагрузки

Требуется, чтобы шина при любых обстоятельствах и условиях эксплуатации помогала водителю, обеспечивала бы самый короткий тормозной путь и высокие скорости на поворотах. Кроме того, в качестве элемента конструкции она должна неутомимо и без недостатков выдерживать экстремальные нагрузки, задача, которая в большинстве случае не облегчается водителем за счет поддержания правильного давления воздуха. К нагрузкам на шину, которые должны быть учтены в ее конструкции, относится также центробежное ускорение. Оно растягивает протектор, в зависимости от скорости, например при 200 км/час с тысячекратным ускорением свободного падения (что соответствует тысячекратному увеличению собственного веса). И с частотой 50 гц — 50 раз в секунду — на каждом участке протектора и боковины следует сжатие за сжатием. Нагрузки, которые трудно представить. Сюда добавляется выделение тепла, которое возникает за счет периодического сжатия, т.е. работа смятия. Понижение этого явления легко достигается за счет правильного давления в шине. Слишком низкое давление увеличивает деформацию и, следовательно, работу смятия, сопротивление качению и нагревание шины.

Для оптимального сцепления летней шины требуется эксплуатационная температура примерно от 50 до 90°С. При слишком низком давлении в шине за счет значительно более интенсивной работы смятия в поверхности, опирающейся на дорогу температура может достигать 120°С. Жара — это гибель шины. Если в такой ситуации структурная прочность, определяемая конструкцией и технологией изготовления, оказывается недостаточной, возникает дефект.

Заданная конструкцией прочность при работе на больших оборотах снижается за счет повреждения шины, чрезмерного старения и слишком низкого давления воздуха. Например, шина с индексом скорости Н (до 210 км/час) должна без проблем выдерживать эту скорость на стенде в течение одного часа. После этого скорость поэтапно увеличивается каждые 10 мин на 10 км/час до тех пор, пока не возникает дефект. Продукция известных изготовителей спокойно выдерживает эту проверку, но заложенные резервы безопасности за счет снижения соответствующих параметров давления воздуха подвергаются полной нагрузке. У низкокачественных шин этих резервов нет. Изготовитель шин со своей стороны для обеспечения безопасности при высоких скоростях использует жесткую конструкцию брекера и каркаса, сверхпрочную ткань, бесшумные резиновые смеси, минимальную толщину стенок и высоту профилей. Эти меры в свою очередь вступают в вынужденное противоречие с другими целями разработки: ухудшаются комфорт, ходовые качества на мокрой дороге и при торможении.

Бесспорно, большое усилие бокового увода шины, устойчивость на повороте и точность при управлении, а также маленький угол бокового увода оказывают решающее влияние на безопасность движения. В скоростных и мощных автомобилях эти качества шин совершенно незаменимы. (Угол бокового увода: различие между положением колеса и действительным направлением движения. Если угол увода колёс маленький, то требуется незначительный поворот руля для изменения направления движения.) Эти требования выполняются за счет жесткой конструкции, минимального соотношения высоты и ширины (низкая боковина шины) при максимально большой ширине обода, минимальной глубины профиля и закрытых плеч шины. Но чем бескомпромисснее разрабатывается шина в этом направлении, тем более спорными оказываются ее поведение на мокрой дороге и комфортабельность. Многочисленность вступающих в противоречие и даже взаимоисключающих требований может показаться непреодолимым препятствием. И все же шинной промышленности удается разрабатывать изделия, которые все лучше выполняют заданные условия.

В Goodyear полагают, что:

«Сведение всех бесчисленных требований к шинам в сбалансированном виде в одно целое может считаться блестящим научно-техническим достижением, достойным Нобелевской премии».

Во всяком случае, расходы на исследования и разработки, которые непрерывно должны нести изготовители шин, для того чтобы сохранить свою конкурентоспособность, огромны. Кроме того, как показывает современная ситуация на шинном рынке, производственные циклы все больше сокращаются, так же как в автомобильной промышленности. Это означает, что через относительно короткие промежутки времени будут представлены новые шины, что соответственно потребует сокращения фаз разработки. Неудивительно, что предприятия все чаще сливаются (или передаются), что предположительно стимулирует развитие эффектов синергизма, снижающих стоимость продукции.