Пoнятнo, чтo мнoгиe из этиx пaрaмeтрoв нaxoдятся в прoтивoрeчии, и эти прoтивoрeчия стaнoвятся oсoбeннo яркими в случae рaзрaбoтки зимниx шин. Судитe сaми: для oбeспeчeния мaксимaльнoгo сцeплeния с пoкрытиeм в услoвияx низкиx тeмпeрaтур сoстaв рeзинoвoй смeси прoтeктoрa дoлжeн быть мaксимaльнo мягким. Нo чтoбы oбeспeчить нaилучшую устoйчивoсть к истирaнию, a знaчит, и дoлгий срoк службы, этoт сoстaв дoлжeн быть жeстким! Для снижeния рaсxoдa гoрючeгo (a этoт пaрaмeтр тoжe являeтся критичeски вaжным для влaдeльцeв LCV) трeбуeтся умeньшaть сoпрoтивлeниe кaчeнию, нo для этoгo тoжe лучшe пoдxoдит жeсткий рeзинoвый кoмпaунд. И пoлучaeтся тaкaя кaртинa: улучшили тoпливную эффeктивнoсть, зaoднo пoвысили xoдимoсть, a вмeстe с этим уxудшилoсь сцeплeниe с пoкрытиeм и упрaвляeмoсть. Примeнили бoлee мягкую смeсь, пoвысили кoмфoрт, снизили шум, пoвысили упрaвляeмoсть нa мoкрoм aсфaльтe и в снeжнoй кaшe – уxудшились эксплуaтaциoнныe пoкaзaтeли. Нoс вытaщил – xвoст увяз, xвoст вытaщил – нoс зaстрял! В рeзультaтe рaзрaбoткa идeaльнo сбaлaнсирoвaннoгo издeлия прeврaщaeтся в нeвeрoятнo слoжную зaдaчу, трeбующую привлeчeния всex дoступныx интeллeктуaльныx и тexнoлoгичeскиx рeсурсoв.
Кaк шинники рeшaют пoстaвлeнныe пeрeд ними зaдaчи, мы рaссмoтрим нa примeрe кoмпaнии Toyo Tires. Eщe в 2011 гoду oнa прeдстaвилa кoммeрчeскиe зимниe шины Toyo H09. Этa мoдeль вoплoтилa практически все доступные на тот момент технологии: состав резины протектора с улучшенной устойчивостью к износу и профиль каркаса для равномерного распределения давления контакта гарантировали достаточно длительный срок службы, рисунок протектора с волновыми ламелями обеспечил высокое боковое и продольное сцепление на мокрой и заснеженной дороге, а прочные стальные брекеры вместе с усиленной конструкцией борта минимизировали внутреннее напряжение в каркасе во время движения.
Рассказывая о летней шине Toyo Nanoenergy Van, мы уже отмечали, что жизненный цикл отдельных моделей шин для легкого коммерческого транспорта оказывается гораздо более длинным, чем в случае с шинами для легковых автомобилей. В легковых линейках производители стараются представить преемника каждые 5 лет, а вот средний срок жизни модели коммерческой шины составляет лет десять… Так что замена для модели H09 появилась во вполне ожидаемые сроки.
Работая над новой моделью, получившей название Observe Van, конструкторы ставили перед собой следующие задачи: улучшить работу шины на мокром покрытии, в частности, сократить тормозной путь, а также повысить управляемость и устойчивость, улучшить управляемость при движении в снегу, повысить срок службы шины за счет усиления каркаса и повышения износостойкости протектора. При этом сопротивление качению должно было соответствовать категориям C~E, сцепление на мокром покрытии – категории B (по европейской системе маркировки шин), а уровень шума не должен был превышать 72 дБ. И с этими задачами конструкторы успешно справились! Ну а теперь давайте посмотрим, за счет чего им удалось добиться заданных показателей.
Начнем с того, что первым делом видит любой пользователь – с рисунка протектора. На первый взгляд, рисунок очень похож на рисунок протектора новых летних шин Toyo Nanoenergy VAN, продажи которых начались весной 2020 года. Те же четыре ряда блоков, два ряда центральных, соединенных в двойное центральное ребро с зигзагообразной канавкой, и два ряда широких плечевых блоков. Такой рисунок повышает общую жесткость, а значит – управляемость и износостойкость. Главным отличием зимних Observe Van от летних Nanoenergy Van стало наличие множества волнообразных 3D-ламелей, рассекающих и центральные, и плечевые блоки. При внимательном рассмотрении можно найти и другие различия: кромки поперечных канавок, разделяющих блоки протектора, сделаны ступенчатыми, что улучшает передачу тягового усилия на заснеженном покрытии.
Эффективность работы шины зависит не только от рисунка протектора, но и от ее внутренней конструкции. В данном случае конструктивно зимние Observe Van и летние Nanoenergy Van весьма похожи: в обоих случаях непосредственно под протектором находится слой брекера с нитями корда спирального плетения, обеспечивающий однородность характеристик по всей длине окружности шины. Под ним расположены слои металлокорда с высокой прочностью на растяжение, под металлокордом – многослойный каркас из полиэстера высокой жесткости. Но главной конструктивной особенностью шин Observe Van стал мощный усилитель борта, встроенный в боковую стенку шины. При сравнении с шинами Toyo H09 выяснилось, что этот конструктивный элемент способен на 75% снизить внутренние напряжения и амплитуду плотности энергии деформации, что в свою очередь самым существенным образом сказывается на увеличении срока службы шины.
Шина Toyo Observe Van
Стоит отметить, что разработка как рисунка протектора, так и внутренней конструкции Toyo Observe Van производилась с использованием системы компьютерного проектирования и моделирования T-MODE. О том, что представляет собой эта система и какие преимущества она дает, мы уже рассказали, причем достаточно подробно. Хотим лишь подчеркнуть, что одним из её блоков является математическая модель, описывающая взаимодействие шины со снегом и позволяющая в режиме реального времени прогнозировать поведение шины на снегу, а также оценивать силы трения между снегом и резиной в условиях нагрузок и скоростей, соответствующих условиям использования реального автомобиля. При этом снег – это очень сложная среда в плане моделирования ее взаимодействия с шиной. Нужно учесть массу параметров, включая размер частиц снега, плотность и содержание воды… Но все эти сложности удалось успешно преодолеть, и теперь технология T-MODE позволяет визуально оценивать характеристики шины, которые трудно измерить в ходе эксперимента: например, то, как деформируется шина и как распределяется давление в пятне контакта на скорости свыше 100 км/ч. Получить такие данные путем непосредственных измерений очень сложно, даже если использовать самые современные датчики. Именно применение технологии T-MODE позволило добиться того, что в сравнении с Toyo H09 жесткость и способность сопротивляться деформирующим нагрузкам, возникающим при торможении, у Observe Van возросла в области плечевых блоков на 27%, и в области центрального ребра – на 51%.
И, конечно же, достижение поставленных целей потребовало серьезной работы по созданию резиновой смеси с требуемыми параметрами, причем, как уже было сказано, требовалось достичь баланса между прямо противоположными требованиями: максимальной устойчивостью к истиранию и эластичностью в условиях низких температур. И вряд ли специалисты Toyo смогли бы получить требуемое, если бы не разработанная к этому времени технология Nano Balance.
Смысл технологии Nano Balance состоит в работе с резиновой смесью на молекулярном, то есть наноуровне.
Эта работа состоит из нескольких этапов. На первом ведется тщательное изучение наполнителей и полимеров резиновой смеси на молекулярном уровне. В ходе этого изучения анализируются и проверяются реакции наблюдаемых молекулярных структур резиновой смеси в различных условиях движения. На втором этапе на основе собранных данных проводится моделирование молекулярной динамики с целью подавления физического перемещения молекул резины. Такое подавление снижает теплообразование, а значит, и потери энергии и снижения сопротивления качению.
Однако резиновая смесь потому и называется смесью, что в нее помимо каучуковых эластомеров входят многие другие вещества и соединения. На следующем этапе методом конечных элементов моделируется поведение различных компонентов, входящих в состав смеси. Инженеры добиваются минимизации трения между компонентами и уменьшения зон концентрации напряжения, и уже на основании построенных моделей подбирается количественный и качественный состав смеси.
Ну а завершающим этапом работы системы Nano Balance является контроль соединения наполнителей и их оптимальной дисперсии в ходе производства резиновой смеси, причем этот контроль также производится на молекулярном уровне.
Результат получился весьма впечатляющим. Конечно, все компании хранят состав своих резиновых смесей в секрете. Можно лишь отметить, что компаунд шин Observe Van отличается повышенным содержанием диоксида кремния, который серьезно повышает механическую прочность резины. Однако возможность повышения массовой доли диоксида кремния в составе резиновой смеси серьезно ограничивает одно обстоятельство. Химики хорошо знают принцип «подобное растворяется в подобном». Так вот, каучуки и другие полимеры совершенно не похожи по химическим свойствам на диоксид кремния, и их соединение можно сравнить с попыткой смешать масло и воду. В итоге мы получим не гомогенную смесь, а отдельные большие слипшиеся конгломераты наполнителя и отдельные участки резиновой массы, в которых наполнителя нет. При сжатии-растяжении комки наполнителя будут растрескиваться и разрушаться, на это будет расходоваться лишняя энергия, а значит, будет увеличиваться и трение качения.
Шина Toyo Observe Van
Чтобы преодолеть эти противоречия, химикам Toyo пришлось ввести в состав смеси молекулы полимеров, которые они называют «новый сверхактивный полимер» и «полимер, отвечающий за характеристики на снегу». Конкретные химические формулы этих полимеров содержатся в строжайшем секрете, и можно лишь предположить, что первые отвечают за «маскировку» молекул диоксида кремния, которая позволяет им равномерно распределяться в компаунде и соединяться с молекулами резины, а вот вторые отвечают за улучшение сцепления с дорожным покрытием.
На самом деле и сцепление с дорогой, и трение качения регулируются одним и тем же параметром – коэффициентом потерь, только за трение качения отвечает коэффициент потерь при низких частотах деформаций в шине, а за сцепление с дорогой – этот же коэффициент при высоких. В результате технология Nano Balance позволила найти тот состав, который оптимизирует значения этих коэффициентов.
Ну а итоговая эффективность новой шины определяется совокупностью свойств рисунка протектора, внутренней конструкции и состава резиновой смеси. Мы же можем констатировать, что сравнительные полигонные испытания шин Toyo H09 и Observe Van показали, что тормозной путь на мокром покрытии у новых шин уменьшился на 8%, сопротивление качению удалось снизить на 23%, а долговечность каркаса выросла на 84%! В целом, если посмотреть на диаграмму изменений различных показателей, хорошо видно, что неизменным остался только один параметр – тормозная динамика на снегу, а все остальные претерпели ощутимое улучшение, причем наибольший рост мы видим именно в сроке службы шины. А это значит, что владельцы коммерческих автомобилей получили именно те зимние шины, которые им нужны: с высокой эффективностью на заснеженном и мокром асфальте, с низким сопротивлением качению, позволяющим экономить горючее, но главное – с большим сроком службы.
