Зачем ставят широкие колеса и эффективны ли они в городе?
Гаражный тюнинг обычно начинается со смены колес. Вместо дисков штатной размерности ценители красоты ставят большие и широкие «катки» с тонкой прослойкой резины. Как утверждается, эти колеса улучшают управляемость, курсовую устойчивость и делают торможение более эффективным. Но насколько это правда?
Каждая шина имеет свою размерность. Например, в обозначении 225/45 R18 сначала указана ширина (225 мм), затем процентное отношение высоты профиля к ширине (45%) и посадочный диаметр (18 дюймов). Ну а буква R обозначает вовсе не радиус, а радиальный тип конструкции шины (намотки корда).
Скоростные покрышки имеют меньшую высоту профиля. С ростом скорости растут центробежные нагрузки. Чем выше масса покрышки, тем труднее ей справляться с разрывающим ее моментом инерции. Поэтому для скоростных машин, способных нестись по немецким автобанам на 250 км/ч производят колеса с высотой профиля в 40% и даже в 35%. Чем этот показатель меньше, тем легче покрышка, и меньше центробежные разрывающие ее нагрузки.
Однако для наших дорог гораздо важнее иной показатель, а именно ширина беговой дорожки, то есть расстояние между боковинами накачанной до номинального давления шины. Чем шире «каток», тем больше площадь пятна контакта таких покрышек с дорогой. Считается, что площадь пятна контакта помогает машине эффективнее цепляется за дорогу.
На самом деле это не совсем так. Зацеп колеса зависит от массы машины и от коэффициента сцепления резиновой смеси. Поэтому два колеса из одинаковой резины, но с разной шириной профиля будут тормозить одинаково. Но широкие колеса все же имеют некоторые преимущества для динамичной езды. Дело в том, что с ростом скорости увеличивается трение, и растет сопротивление покрышек поверхности. И чем выше давление, тем сильнее изнашивается покрышка.
Поэтому, чтобы сократить износ протектора о поверхность и снизить нагрев резины, уменьшают давление колес на асфальт с помощью увеличения пятна контакта резины. Колеса делают широкими. Они меньше истираются на высоких скоростях, отчего удлиняется и срок их службы. В особенности это актуально для машин с мощными моторами.
На спортивных трековых автомобилях иногда используют даже покрышки без протектора – «слики», чтобы максимально увеличить пятно контакта. Их изготавливают из пористой резины с максимально эффективным коэффициентом трения. Во время гоночных заездов такое колесо может проработать немного дольше. Хотя беспротекторные слики не выдерживают всей гонки и их тоже приходится менять в течение заезда.
Широкие колеса лучше сопротивляются боковым деформациям во время прохождения поворотов.
Широкие колеса заметнее тяжелее обычных стандартных, а значит растут неподрессоренные массы и увеличиваются ударные нагрузки на подвеску, что ведет к снижению ее ресурса.
В общем, использование широких катков в городе вызывает много вопросов. Не говоря уже о том, что нестандартные колеса с большой шириной профиля намного дороже штатных узких шин.
РОЛЬ РАЗНОШИРОКИХ КОЛЕС В ТЮНИНГЕ
ТЮНИНГ И РАЗНОШИРОКИЕ КОЛЕСА
Tюнинг автомобилей становится все популярнее. Степень тюнинга может быть различной – от установки чисто декоративных спойлеров, фальш-крыльев и дополнительной светотехники до глубокой серьезной реконструкции, включающей доработку двигателя, подвески, тормозов, силовых элементов кузова, трансмиссии.
Из рис.1 видно, что переход на широкие низкопрофильные шины становится закономерным итогом всей цепочки доработок, повышающих динамику и улучшающих управляемость автомобиля. С другой стороны, многие серийные автомобили последних годов выпуска имеют двигатели мощностью 160-300 л. с., и даже выше. Такой автомобиль не нуждается в доработке двигателя, трансмиссии и тормозов. Реализовать в полной мере весь его потенциал на дороге можно, поменяв штатные шины и диски.
ЗАЧЕМ ВСЕ ЭТО НУЖНО?
— увеличивая ширину протектора шины, мы увеличиваем пятно контакта шины с дорогой;
— при разгоне можно передавать на ведущие колеса еще больший крутящий момент без пробуксовки;
— при торможении шина не срывается в юз, а всей площадью пятна контакта «цепляется» за дорогу;
— увеличивая диаметр обода колеса, мы одновременно снижаем высоту профиля шины, благодаря чему снижается ее масса и, как следствие, улучшаются условия работы подвески, повышается динамика автомобиля, эффективнее становится торможение;
— низкий профиль шины обеспечивает устойчивость автомобиля в поворотах и «переставках». При резком повороте или «переставке» центробежная сила стремится вынести автомобиль наружу траектории. При этом протектор широкой низкопрофильной шины остается в контакте с дорогой. Шина с высоким профилем может «подломиться», а в худшем случае даже соскочить с обода колеса. С широкими низкопрофильными и сверхнизкопрофильными шинами (см. «Классификация шин») такого не происходит.
КАК ПРАВИЛЬНО ПОДОБРАТЬ КОЛЕСА И ШИНЫ?
Статический диаметр колеса D (рис.2) – это диаметр диска в сборе с шиной, накачанной до номинального давления. Для каждого автомобиля этот параметр определен конструкцией кузова, трансмиссии, подвески, а также настройками двигателя, коробки передач и т.д. При переходе на другой типоразмер шины статический диаметр должен оставаться неизменным. Если статический диаметр колеса будет меньше или больше расчетного, то в современных автомобилях с электронным управлением системами двигателя и АКПП могут возникнуть проблемы. Достаточно сказать, что колеса со статическим диаметром, превышающим номинальный, при движении вызывают отклонения в работе спидометра: он показывает меньшую скорость, чем та, с которой реально движется автомобиль, иногда на 20 и более процентов. А это чревато не только штрафом за превышение скорости, но и возникновением реальной опасности – можно излишне разогнаться там, где делать это совсем не следует.
Как правильно выбрать шины нужного статического диаметра? Для этого попробуем рассчитать данный диаметр взяв, к примеру, колесо с шиной 195/65R15.
Сначала посадочный диаметр, указанный в дюймах, переведем в миллиметры: 15х25,4=381.
Затем рассчитаем в миллиметрах высоту профиля шины, которая составляет в данном случае 65 процентов от ширины (195 мм): 195:100х65=126,75.
Сложим две высоты профиля («сверху» и «снизу» диска, если посмотреть на колесо в разрезе, как на рис. 2): 126,75+126,75=253,5.
Сложим две высоты профиля и посадочный диаметр: 253,5+381=634,5.
Статический диаметр шины можно измерить и линейкой, но при этом шина должна быть установлена на обод колеса и накачана до номинального давления. Измерять статический диаметр шины следует только при снятии колеса с автомобиля либо при вывешивании колеса, установленного на автомобиль, до отрыва его от земли. Допускается погрешность измерений в «плюс» и «минус» в пределах 5 мм.
Теперь попробуем подобрать для нашего колеса с шиной аналоги того же или близкого статического диаметра. Примеры аналогов приведены на рис.3
Обратите внимание: с уменьшением высоты профиля шины и увеличением посадочного диаметра растет и ширина профиля шины, причем, значительно – со 195 до 255 мм. Это значит, что пропорционально ей должна расти и ширина обода колеса.
После того как параметры подходящих по размеру шин и дисков для данного автомобиля рассчитаны, осталось найти в продаже шины и диски нужных параметров.
У автомобилей с классическим задним приводом и полноприводных автомобилей со схемой передачи крутящего момента 30х70 (30% на переднюю ось и 70% на заднюю ось) имеет смысл дополнительно увеличить ширину протектора шин на задних колесах (при этом, естественно, снизив высоту профиля). Это позволяет передавать еще больший крутящий момент на ведущие колеса без пробуксовки, что дополнительно улучшит динамику автомобиля. Такая схема называется «спаркой». При установке низкопрофильных шин и дисков большого диаметра автомобиль приобретает спортивный, стремительный и агрессивный вид.
Параметры колесных дисков.
Очень важными параметрами при подборе колесных дисков являются ширина обода и вылет колеса (рис.4). Ширина монтажной полки выбирается исходя из ширины и высоты профиля шины. Для низкопрофильных шин ширина монтажной полки составляет обычно 0,9-0,95 от ширины профиля шины.
Не меньшее значение имеет и вылет колеса – расстояние от плоскости симметрии колеса до посадочной плоскости диска (т.е. до того места, которым диск соприкасается со ступицей). Подвеска автомобиля, особенно передняя, рассчитана на определенный вылет колеса. Вылет определяет плечо обката, и, соответственно, параметры управляемости автомобиля и нагрузку на подшипники ступиц.
На рис.5 приведены примеры положительной (А) и отрицательной (В) величины плеча обката. Если увеличить ширину шины и диска, но при этом сохранить вылет, то плечо обката не изменится и не потребуется изменение заводских настроек подвески. В любом случае при изменении заводской комплектации шин и дисков потребуется примерка. Сначала примеряются диски, чтобы посмотреть, останется ли достаточный зазор между тормозным суппортом и спицами диска, между суппортом и ободом, не задевает ли диск за тормозные шланги, трубки, элементы подвески. Затем устанавливается новое колесо в сборе с шиной, и также следует проверка: не задевает ли шина за стойки, за крылья, за бампер (причем проверить это надо и на подъемнике и на полу при нагруженной подвеске).
Если ставится «спарка», то следует обязательно тестировать автомобиль под нагрузкой. В свободном, ненагруженном состоянии автомобиля шина может не задевать ни за что. Необходимо посадить в машину столько людей, сколько у нее посадочных мест. Желательно еще покачать автомобиль вверх-вниз и повернуть рулевое колесо до упора вправо и влево.
Можно ли ставить на машину диски большего радиуса по ПДД?
Установка на автомобиль дисков и шин большего радиуса, чем стоковые – это своеобразный тюнинг. Правила дорожного движения имеют чёткий однозначный ответ на вопрос о таком украшении для машины. По состоянию на 2021 год это запрещено. Но строгость наказания в нашей стране, как повелось, компенсируется необязательностью исполнения закона. О том, можно ли поставить диски и резину большего радиуса, чем предусмотрено конструкцией транспортного средства, как определить, до какого радиуса можно увеличивать колёса, рассмотрим в статье.
Можно ли поставить колёса больше по ПДД 2021 года?
Нет. Но только если речь идёт о размерах дисков и покрышек на них больше, чем это предусмотрено конструкцией автомобиля – то есть заводом-изготовителем. Прямой запрет на это устанавливает пункт 5.4 Перечня неисправностей (Приложение к ПДД), при которых запрещается езда на автомобиле:
5.4. Шины по размеру или допустимой нагрузке не соответствуют модели транспортного средства.
Так как запрещена напрямую езда, то ставить колёса большего радиуса можно. Вот только эксплуатировать такую машину на дорогах общего пользования уже нельзя.
Как видно из Правил, речь идёт именно о шинах. Но размерность шин устанавливает именно их радиус. А поставить диски большего размера и оставить резину штатного невозможно физически.
Кроме того, в пункте 5.4 подразумевается комплектация конкретно Вашей модели определёнными размерами шин. Если у Вас, к примеру, базовая комплектация Kia Rio на колёсах радиуса R15, то Вам всё ещё можно поставить колёса до 16-го радиуса, потому что определённые более дорогие модели комплектуются именно этим радиусом. А вот выше – уже наказуемо.
Если очень хочется
Тогда можно. Но желание должно быть достаточно сильное, потому что стоить это может дорого. Дело в том, что по указанному выше пункту Основных положений ПДД шины можно привести к соответствию допустимого размера. Делается это посредством официального внесения изменений в конструкцию транспортного средства с последующей регистрацией таких изменений в ГИБДД.
Процедура очень документоёмка и потребует немалых финансовых вложений. Она состоит из следующих этапов.
В 2021 году есть большой ряд фирм, которые полностью возьмут на себя сопровождение внесения изменений в конструкцию авто. Но это будет стоить других денег. Мы нарочито не будем приводить среднюю стоимость, так как она сильно отличается и постоянно растёт.
Важное замечание!
Какой штраф?
За любые нарушения несоответствия технических требований условиям эксплуатации автомобиля отвечает статья 12.5 КоАП, часть 1 которой предусматривает наказания за общие нарушения из Перечня неисправностей ПДД.
Штраф за диски и покрышки большего размера, чем положено на данной модели машины, составляет 500 рублей.
Но пункт 51 Административного регламента Приказа №1001 о регистрации также говорит о том, что если в конструкцию авто внесены изменения, то это может быть основанием для прекращения регистрации. Это означает, что, помимо штрафа в отношении такой машины может быть прекращена регистрация с изъятием СТС и госномеров.
На что влияет увеличение диаметра колеса (диска и шины)?
Внешний тюнинг автомобиля не представляется без замены штатных дисков на большие легкосплавные, а высоких шин на низкопрофильные. Производя такую подмену стоит понимать, что изменится не только экстерьер машины, но еще и ее характеристики (скорость, устойчивость, расход топлива и т.д.).
На что влияет диаметр диска автомобиля
Что и говорить, диски большего радиуса смотрятся на машине на много стильней, эффектней и «круче». А на что влияет радиус диска с точки зрения характеристик автомобиля?
Рассмотрим пример, когда диаметр колес будет оставаться постоянным, то есть с увеличением радиуса диска будет уменьшаться профиль шины. В качестве эксперимента был выбран автомобиль Volkswagen Golf (2010), его универсальность в том, что на него можно установить диски от 15 до 19 дюймов. Результаты тестирования разных размеров дисков можно увидеть в таблице:
На что влияет высота шины
Шины с низким профилем:
1. Гораздо жестче, а это ведет к снижению комфортабельности езды. Другими словами, Вы будете лучше ощущать все неровности дороги на пятой точке.
2. Способствуют увеличению нагрузок на детали подвески автомобиля.
3. Способствуют повреждению дисков в результате проезда по неровностям дороги.
4. Меняют внешний вид автомобиля в лучшую сторону (зависит еще и от дисков).
5. Повышают курсовую устойчивость на дороге, входить в поворот на скорости будет легче.
Если низкопрофильные шины больше подходят для спортивной езды, то шины с высоким профилем, наоборот, лучше подходят для езды по бездорожью. Высокий профиль позволяет сделать протектор более глубоким, что положительно скажется на проходимости, а воздушная прослойка между диском и протектором лучше защитит диски от повреждений.
На что влияет радиус колес машины
Если увеличить диаметр колес в целом, тогда изменится не только внешний вид автомобиля, но и увеличится его дорожный просвет.
Будет ли влияние радиуса колеса на скорость? Да, максимальная скорость немного увеличится, но это отрицательно скажется на ускорении автомобиля и на торможении. Как правило, производитель не рекомендует увеличение радиуса колеса, т.к. для этого не рассчитана штатная подвеска и колесные арки. Если на машину поставить колеса большего диаметра, то это скорее всего скажется на расходе топлива, но это больше зависит от веса дисков и шин.
Влияние веса колеса на динамику и комфорт
Чем больше диаметр и масса колеса, тем больший момент инерции оно имеет, следовательно автомобиль будет медленнее разганяться и тормозить.
Конструкция подвески в какой то степени определяется соотношением между подрессоренными и неподрессоренными массами. К неподрессоренным массам относятся колеса, шины, ступицы колес, тормозные барабаны или диски. К подрессоренным верхняя часть автомобиля.
Чем меньше величина неподрессоренных масс, тем более комфортной будет езда по неровной дороге. Кроме этого автомобиль будет лучше «держать дорогу». Чем это объясняется? Чем тяжелее кузов относительно колеса, тем быстрее колесо возвращается на место постоянного контакта, после того как оторвется от дороги при наезде на неровность. Именно поэтому проектировщики автомобилей стремятся максимально снизить величину неподрессоренных масс.
Шины узкая/широкая, мифы и реальность.
Дорогие читатели! предлагаю вашему вниманию статью, которую я нахожу весьма занятной и правдоподобной.
==========================================
Дорогие друзья! Два года назад я написал статью «Сцепление шин с дорогой не зависит от площади пятна контакта?», и она вызвала бурную реакцию аудитории. Статья до сих пор находится в блоге, и на ее странице много комментариев, вопросов, споров, рассуждений. Кто-то, прочитав, поблагодарил меня за развенчивание мифов и простое, доступное объяснение физики процесса. Кто-то, наоборот, раскритиковал за излишнюю упрощенность и ограниченность моих рассуждений и аргументов.
За два года, что прошли с момента написания этой статьи, я поучаствовал во многих дискуссиях на эту тему, познакомился с новой литературой, пообщался с другими физиками (сам я – тоже физик по специальности), гонщиками и кое-что переосмыслил. Суть моих размышлений не поменялась, они стали более систематизированы и поменялись формулировки. Вот их я и изложу ниже. Поехали.
Сила трения покоя: закон Амонтона-Кулона
Снова вернусь к школьной физике. Напомню, школьная физика и классическая механика достаточно точно описывают повседневные явления. Пока речь не заходит об очень маленьких масштабах или релятивистких скоростях, классическая механика отлично работает. Более того, в какие бы научные труды о сцеплении шин с дорогой я не заглядывал, я видел в них много страшных зубодробящих формул, интегралов, рядов, но в конце концов все сводилось к одной простой школьной формуле, которая называется законом Амонтона-Кулона:
где µ — коэффициент сцепления, N – сила, прижимающие одно тело к другому (в данном случае, вес шины плюс вес части автомобиля, приходящейся на эту шину), m — масса тела (шины и части автомобиля, приходящейся на эту шину), g — ускорение свободного падения.
То есть сила трения пропорциональна силе, прижимающей одно тело к другому, и коэффициенту трения. В самом простом случае эта сила — вес и представляет собой силу тяжести, то есть произведение массы тела на ускорение свободного падения. И тогда сила трения покоя пропорциональна коэффициенту трения, массе тела и ускорению свободного падения.
Сила трения покоя – она же сила сцепления
Автомобиль движется благодаря силе трения покоя в области контакта шины с дорожным полотном, а не силе трения качения, как иногда думают. Сила трения качения – следствие деформации шины. Она наоборот тормозит движение автомобиля. А пятно контакта шины с дорогой покоится относительно дороги в случае качения шины. Конечно, во время качения в пятне контакта всегда присутствуют элементы протектора, проскальзывающие относительно дороги, но в случае равномерного прямолинейного движения автомобиля в первом приближении их можно не учитывать и считать силу трения силой трения покоя или еще ее называют силой сцепления шины с дорогой, а коэффициент трения покоя – коэффициентом сцепления. При торможении большая часть элементов протектора может скользить вдоль дорожного полотна. В этом случае вращение колеса (и следовательно автомобиль) тормозится силой трения скольжения. Стоит отметить, что обычно сила трения скольжения меньше силы трения покоя.
Перераспределение веса авто между шинами и сцепление с дорогой
Теперь разберем, что есть что в формуле Амонтона-Кулона. Ускорение свободного падения постоянно, его из обсуждения исключаем. Масса в целом тоже постоянна. Конечно, вес автомобиля распределен между 4 шинами, и при изменении скорости и/или траектории движения распределение веса может существенно меняться: какие-то шины разгружаются, а какие-то нагружаются дополнительно.
Перераспределение веса автомобиля между шинами тоже косвенно влияет на их сцепление с дорогой. Скажем, при торможении вес машины частично смещается с задней оси на переднюю, следовательно, сила прижатия задних шин к дороге уменьшается и поэтому сила их сцепления с дорогой ухудшается. Это повышает вероятность заноса автомобиля, но на тормозной путь не влияет, потому что сила сцепления передних колес с дорогой увеличивается из-за перераспределенной нагрузки. Если на одних и тех же шинах будут тормозить Porsche 911 и Porsche Cayenne, у последнего вследствие большей высоты смещение веса с задних шин на передние будет в большей степени, и Cayenne больше рискует попасть в занос. Но тормозной путь от этого меньше не станет. То, что Cayenne тяжелее – тоже не влияет, об этом читайте статью «Тормозной путь не зависит от массы авто?». Поворачивать Cayenne будет конечно же хуже 911-го и на меньших скоростях – как раз из-за более высокого центра тяжести и большего смещения веса и больших кренов.
Кроме того, на перераспределение веса влияет манера вождения. При аккуратном вождении, когда водитель избегает резких поворотов, перестроений, ускорений и торможений (читай, чем меньше нажата педаль тормоза или чем на меньший угол поворачивается руль), запас сцепления шин с дорогой максимален, то есть шины находятся «максимально далеко» от перехода в состояние полного скольжения и, как следствие, управление автомобилем максимально безопасно. Во-вторых, одно и то же перемещение педалей или руля можно совершить по-разному: быстро, резко или по нарастающей, прогрессивно. Резкое нажатие на педаль или поворот руля приведет к соответствующему резкому перераспределению веса с одних шин на другие, и это чревато их срывом в скольжение и сходом с траектории движения. Постепенное же воздействие на органы управления приводит к столь же плавному перераспределению веса, что позволяет шинам цепляться за дорогу без риска скольжения и потери управляемости или устойчивости автомобиля. Убедиться в этом на практике вы можете на курсах контраварийной подготовки водителей, например, при выполнения упражнения «экстренный объезд препятствия».
1. Если вы хотите водить машину по дорогам общего пользования безопасно, а по гоночному треку быстро, перемещайте органы управления (руль, педали газа и тормоза) плавно и постепенно.
Теперь поговорим о том, что в самой шине влияет на ее сцепление.
Коэффициент сцепления шины с дорогой
Остается последний параметр в формуле силы трения Амонтона-Кулона – коэффициент сцепления µ, который, в первую очередь, зависит от природы соприкасающихся поверхностей. Самый показательный пример – сцепление резины с асфальтом куда лучше, чем той же резины со снегом и тем более льдом, несмотря на разные механизмы трения между шиной и этими тремя покрытиями. А при одном и том же дорожном покрытии коэффициент сцепления будет зависеть уже от состава резины и конструкции протектора. Например, на зимних шинах автомобиль куда лучше держит скользкую дорогу, чем на летних. И главное отличие зимних и летних шин – именно разный состав резины и конструкция протектора.
А если вы когда-нибудь смотрели по телевизору Формулу 1, наверняка слышали о разных типах шин и разных составах: «мягкий состав, сверхмягкий состав, жесткий состав». Именно это и оказывает ключевое влияние на коэффициент сцепления, даже в Формуле 1.
Так что же, все? Больше ничего не влияет? И что, этот коэффициент сцепления постоянен? Влияет, и как раз потому, что коэффициент сцепления не является постоянным и зависит от некоторых факторов. Но для начала расскажу о пресловутой площади пятна контакта.
Влияет ли площадь пятна контакта на сцепление шины с дорогой?
На всякий случай напомню, что такое пятно контакта. При контакте с плоским дорожным покрытием ВСЯ шина деформируется, сминаясь и становясь плоской в зоне контакта. Эту зону и называют пятном контакта. Пятно контакта имеет площадь, примерно равную размеру ладони. Обыватели часто думают, что чем больше площадь пятна контакта, тем лучше сцепление шины с дорогой. И еще многие думают, что чем шире шина, тем больше площадь пятна контакта. А следовательно, думают, что чем шире шина, тем лучше ее сцепление с дорогой. Ниже я расскажу обо всем этом по порядку.
Как видно из формулы Амонтона-Кулона, площадь пятна контакта в силу трения не входит. Почему? Ведь, казалось бы, чем больше площадь, тем больше элементов шины участвует в зацеплении и тем больше сила трения. С одной стороны – да, а с другой – чем больше площадь соприкосновения, тем меньше давление шины на дорогу. Выходит баш на баш, и площадь не играет никакой роли. Теперь объясню то же самое на языке физики.
Чтобы было понятнее, куда же делась площадь, можно формулу Амонтона-Кулона (1) переписать иначе, с учетом площади пятна контакта и отразить влияние пятна на давление. Все просто: давление тела на опору или, в нашем случае, шины на асфальт равно весу тела (шины), деленному на площадь контакта:
P = N/S = mg/S (2)
где P — давление шины на дорогу, N = mg — все тот же вес шины.
Тогда отсюда можно выразить вес через давление:
Теперь, если подставить эту формулу в закон Амонтона-Кулона, получим:
Или, выражаясь человеческим языком, сила сцепления шины с дорогой пропорциональна коэффициенту сцепления, давлению шины на дорогу и площади пятна контакта. Это именно то, как воспринимает силу сцепления большинство людей. Но здесь зарыта собака – в том, что давление напрямую зависит от площади пятна контакта и обратно пропорционально ему. Об этом нам говорит формула (2). Подставляя сюда выражение для давления, получим:
Тогда площадь мы успешно сокращаем и приходим к закону Амонтона-Кулона (1) и силе сцепления, не зависящей от площади пятна контакта.
Влияние адгезии на коэффициент сцепления
Многие интуитивно полагают, что механизм трения резины объясняется адгезией — её приклеиванием к дорожному покрытию: чем больше площадь соприкосновения, тем больше приклеивание и тем больше сцепление. При этом приклеивание, вроде бы, не очень зависит от прижимающей силы. Действительно, тот же скотч липнет к гладким чистым поверхностям без всякого усилия, обеспечивая великолепное сцепление. Ключевое слово тут – гладкие чистые поверхности. Если поверхность шероховатая и грязная, как асфальт, то скотч будет держать гораздо хуже. На этом эффекте основан принцип защиты поверхностей в городской среде от наклеивания объявлений. И скотч, и объявления не держатся на неровных поверхностях потому, что реальная площадь контакта гораздо меньше площади самого скотча или бумаги. Если материал текучий и его контакт с неровной поверхностью сохраняется достаточно долго, то склеивание будет возможно. Обычная резина – материал мягкий, но не текучий, а времена ее контакта с дорожным полотном довольно малы. В результате, вкладом прилипания в формирование коэффициента трения можно пренебречь. Для желающих разобраться в вопросе самостоятельно, я могу порекомендовать ознакомиться с теориями Гринвуда-Вильямсона и Джонсона-Кендалла-Робертса и последующим развитием теории механики контактного взаимодействия.
Что же касается езды по гоночному треку на спортивных и гоночных шинах, там эффект прилипания шины к поверхности трека может быть более заметным. Отчасти это связано со специфическим составом резины протектора и отчасти – с более высокой температурой, до которой прогреваются шины при гоночной езде. Этот эффект и объясняет, почему коэффициент сцепления гоночных шин может быть заметно больше 1 (у шин в Формуле 1 – около 1,8).
И вот как такой коэффициент сцепления сказывается на практике:
Влияние аэродинамической прижимной силы на силу сцепления
Не стоит путать эффект прилипания шин к поверхности трека с эффектом аэродинамической прижимной силы, благодаря которой пилоты Формулы 1 при торможениях, ускорениях и поворотах могут испытывать перегрузки, в несколько раз превышающие величину ускорения свободного падения. А болиды, соответственно, иметь в несколько раз большую динамику торможения и скорость прохождения поворотов, чем обычные дорожные машины. То есть в повороте боковое ускорение величиной 4g (где g – ускорение свободного падения) болиды развивают не за счет прилипания шины и коэффициента сцепления, якобы, в 4 раза большего, чем у дорожных шин, а за счет большой прижимной силы, которая создается антикрыльями на большой скорости и в несколько раз превышает силу тяжести болида.
Увеличенное пятно контакта – спущенные шины
Из практики, площадь пятна контакта можно увеличить, уменьшив давление в шинах. Если спустить шины до 1 атмосферы, то при норме в 2 атмосферы это вдвое меньшее давление и вдвое большая площадь пятна контакта. Так что же, ездовые характеристики машины улучшатся в 2 раза? Конечно же нет и, более того, они ухудшатся. Хотя… тормозной путь уменьшится, но не из-за увеличившегося пятна контакта, а из-за увеличившейся силы трения качения вследствие более мягкой шины и большей ее деформации. А ускорение не станет лучше и будет только хуже – все из-за той же силы трения качения. Ну а в поворотах… машина будет вести себя, как будто водитель сильно пьян 🙂 В общем, не делайте этого – не спускайте шины без необходимости, и, кстати, об этой необходимости…
Увеличение площади пятна контакта за счет спускания шин реально может помочь, если нужно проехать через какие-то рыхлые, зыбучие места. За счет большей площади контакта с поверхностью уменьшится давление шин на поверхность, а значит, и риск провалиться или увязнуть.
Увеличим ширину шин в 10 раз и спасем мир от ДТП?
Обратный пример, узкие шины мотоцикла не делают его более медленным, чем машина, и, более того, он заметно быстрее ее. Быстрее он по другим причинам, но значительно меньшая ширина шины негативного влияния точно не оказывает.
И еще идея – а давайте увеличим ширину шины в 10 раз и тем самым увеличим сцепление в 10 раз, и раз и навсегда решим все проблемы зимней езды, а на асфальте машина вообще будет останавливаться, как вкопанная! И всем всегда будет хватать тормозного пути! Что, вам не нравится эта идея? Правильно, если б все было так просто, это бы давно уже сделали…
В итоге:
увеличение площади пятна контакта => увеличение количества элементов шины, участвующих в зацеплении, и одновременно уменьшение давления шины на дорогу => оба эффекта компенсируют друг друга в равной степени => сцепление шины с дорогой не меняется
Влияет ли ширина шины на площадь пятна контакта?
Более того, увеличив ширину шины, хоть в 10 раз, мы не увеличим площадь пятна контакта, а лишь изменим его форму. Пока вы не закидали меня тухлыми помидорами после этой фразы, я попробую успеть доказать ее :)))
Вспомним, что такое давление – это сила (в нашем случае – сила тяжести, прижимная сила), приходящаяся на единицу площади. Об этом нам говорит формула (2), продублирую ее:
P = N/S = mg/S (2)
где m – масса тела (шины и части машины, приходящейся на эту шину), а S – площадь соприкосновения тел, то есть, в нашем случае площадь пятна контакта.
Отсюда площадь пятна контакта равна
То есть площадь пятна контакта шины с дорогой тем больше, чем больше вес машины, приходящийся на эту шину, и чем хуже она накачана. И, конечно, на площадь влияет и жесткость боковин шины. Чем жестче боковины, тем меньше деформируется шина и тем меньше деформируется шина при уменьшении давления воздуха в ней. Хороший пример – современные шины с усиленными боковинами Run Flat, которые даже будучи полностью спущенными могут довезти автомобиль до места назначения, не особо проседая. От ширины шины площадь пятна контакта при одном и том же давлении и одной и той же нагрузке не зависит (в первом приближении).
Ширина шины влияет на форму пятна контакта
Прекрасно! А куда же делась ширина шины? Очень просто, и тут опять работает принцип «баш на баш». Пятно контакта – следствие деформации шины, которая, в свою очередь, возникает вследствие приложенной сверху силы, то есть cилы тяжести самой шины и автомобиля. Чем шире шина, тем шире пятно контакта, что, казалось бы, должно увеличить площадь пятна. С другой стороны, чем шире шина, тем меньшее давление она оказывает на дорогу и тем меньше деформируется. В итоге, при увеличении ширины профиля шины мы имеем ту же площадь пятна контакта, но более вытянутую по ширине и узкую его форму.
В одном из серьезных научных трудов, который попался мне на глаза за последнее время (Автомобильные шины, диски и ободья, Евзович В.Е., Райбман П.Г.), авторы привели результат эксперимента с тремя шинами, две из которых были одной и той же модели, но разного диаметра ширины:
205/55 R16 с площадью отпечатка 173*143 мм = 247,39 см2
225/45 R17 с площадью отпечатка 185*134 мм = 247,90 см2
Как видим, у более широкой шины пятно более вытянутое и узкое, чем у более узкой шины. При этом в квадратных сантиметрах площадь пятна контакта практически одна и та же.
То есть, да, при одном и том же давлении у широкой шины пятно контакта по площади больше, чем у узкой. Но насколько? В данном примере на десятые доли процента, а вообще – максимум на несколько процентов. Теоретически, мы можем поставить на машину вместо шин с шириной профиля 195 мм шины с профилем, скажем, 245 мм. Но на практике это недопустимо по требованиям завода-изготовителя автомобиля. В любом случае, как я писал выше, площадь пятна контакта непосредственно не влияет на силу сцепления, поэтому ни эти доли процента, ни большее увеличение площади (например, за счет снижения давления в шине) погоды нам не сделают.
В итоге:
увеличиваем ширину профиля шины => увеличиваем ширину пятна контакта и одновременно уменьшаем давление шины на дорогу и деформацию шины в зоне контакта => уменьшаем длину пятна контакта => изменяется форма пятна контакта, но не меняется его итоговая площадь (меняется незначительно)
А увеличить площадь пятна контакта можно либо уменьшив давление воздуха в шине, либо увеличив нагрузку на шину сверху.
Сила сцепления шины с дорогой. Итоги
Итак, ширина шины напрямую не влияет на ее сцепление с дорогой по двум причинам:
а) площадь пятна контакта не влияет на сцепление
б) ширина шины не влияет на площадь пятна контакта
Я бы сказал, сила трения имеет «двойную защиту» от ширины шины :)))
Однако ширина шины все же косвенно влияет на силу сцепления, и независимость площади пятна контакта от ширины никак не мешает этому влиянию. Обо всем этом – ниже.
В итоге, сцепление шины с дорогой зависит от:
1) веса, приходящегося на шину, от развесовки автомобиля и динамического перераспределения веса, а значит, и от конструктивных его особенностей – высоты центра тяжести, колесной базы, колеи, подвески, жесткости кузова. Обсуждение этих моментов – отдельная тема и выходит за рамки этой серии статей.
2) коэффициента сцепления (трения покоя). А он, в свою очередь, много от чего зависит, но не от площади пятна контакта! 🙂 Вот параметры, влияющие на величину коэффициента сцепления шины с дорогой, известные мне из университетского курса физики, специальной литературы и из водительского и инструкторского опыта:
тип и качество дорожного покрытия
состав резины протектора
температура шины
скорость движения автомобиля
проскальзывание шины
увод шины
=====================================================
взято здесь kaminsky.su/blog/ot-chego…ie-shin-s-dorogoj-chast-1
там еще есть продолжение
Предлагаю обсудить и подискутировать на эту тему.
От себя касательно формы пятна контакта и «лучшести» узких шин зимой:
1. могу предположить что продольное пятно контакта может способствовать лучшей управляемости, но это не связано с лучшим сцеплением. Упрощенный пример: лыжи лучше едут вдоль, а не поперек, и сцепление тут не причем.
2. все эти лучшести просто не реально ощутить при разнице в ширине шины до 30мм.
3. широкие шины можно травить сильнее потому что они меньше плющатся, поэтому и дают большее пятно контакта в сравнении с более узкими шинами того же диаметра(внешнего и внутреннего)
Последнее из личного опыта, 205/70 15 ложилась на диск при 0,5 атм, а 235/70 15 при 0,2х еще не лежит. Правда шины разные, поэтому очень косвенное подтверждение.
Еще нарыл статью Яблонева А. Л., опубликованную в журнале «Горный информационно-аналитический бюллетень»
«РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИИ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО КОЛЕСА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЕГО С ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖЬЮ»
Нормальной ссылки не нашел, только ссылки на скачивание пдф, кому любопытно найдете.
В ней есть формула для определения величины деформации шины
ƛ=Q/Cp, где ƛ — деформация шины в м, Q — вес действующий на шину в кН, Cp — жесткость шины кН/м
Жесткость определяется по формуле
Cp=Π*Pw*√(D*B), где П=3,14, Pw — давление в шине в кПа, D — диаметр шины в м, B — ширина шины в м.
Q=m*g
посчитал для давления в 2 атм и нагрузки на колесо 250кг
шины 215/75 15 — 9,8мм
шины 235/70 15 — 9,4мм
разница в диаметре 4мм, 235е больше.
От сюда следует, что широкая шина меньше деформируется, а разница столь незначительна что не стоит и заморачиваться при таком разбросе по ширине