Началом рождения современной автомобильной шины был момент, упоминаемый в одной древней книге – когда Бог изобрел колесо. По мере своего развития человечество добавляло к созданной творцом совершенной форме обода новые элементы, исходя из качества дорог, интенсивности перевозок, достижений химии и естественных наук. Уже около двухсот лет колеса представляют собой конструкцию из компонентов натуральных и синтетических материалов, накачанную воздухом. А не так давно появился концепт колес без воздуха, на жестком каркасе с пластичными вставками, преображающий динамические свойства автомобиля.
Шаг в историю колеса
Сегодня одним из самых распространенных в эксплуатации типов колес является пневматическая шина – это когда конструкция обода охвачена резиной с закачанным внутрь воздухом.
Пневматическая шина была придумана и запатентована Робертом Томпсоном в 1846 году для увеличения тяговой силы гужевого транспорта, облегчения движения и уменьшения шума повозок.
Представляете, от сотворения первой повозки до 1846 года, тысячи лет колеса тарахтели по всем округам, под царственными особами и совсем обычными пассажирами. Но патент на изобретение воздушной шины не получил технической реализации, продвинутая идея Томпсона осталась в истории в виде патента, подробно изложенной конструкции и проведенных тестов. Пневмошина воплотилась в реальность, когда шотландец Джон Данлоп (неужели знакомое имя) в 1888 году к своему патенту получил право его приоритетного применения, и внедрение пневматических шин перешло в практическую плоскость. Коммерческий интерес и любовь к технике побудили братьев Мишлен установить воздушные шины на обод автомобиля. Применение пневмошины значительно ускорило развитие автомобильной промышленности и сопутствующих областей технического прогресса. Накачанные воздухом резиновые шины до сегодняшнего дня остаются приоритетными для всего колесного транспорта из-за их непревзойденных качеств.
В наше время профессионалы автопрома хотят устранить недостатки, сопровождающие пневматическую конструкцию шины, и внедрить…безвоздушную шину.
Идея создания безвоздушной шины появилась у Минобороны США в ходе решения военных задач, когда цена прокола шины стоит дорого. У NASA появилась потребность в инновациях движения механизмов после прилунения аппаратов на инопланетных грунтах. Первые решения появились у инженеров машиностроения, которые затем переняли и совершенствуют шинные компании.
Похоже, что очередной виток по спирали развития человечества близится к завершению. Многие производители шин проводят испытания безвоздушной шины собственного производства и уже называют даты внедрения. Приятная последовательность в сохранении автомобильных традиций, ведь среди авторов инновационных решений исторические имена Michelin, Bridgestone, Hankook Tire.
Конструкции и сферы применения безвоздушных шин
Несмотря на то, что безвоздушные шины разработаны давно и применяются в эксплуатации специального транспорта, массовый переход автомобилей на колеса без воздуха пока не планируется. В настоящее время наиболее популярны с технической точки зрения и понятны по экономическим показателям два принципиальных решения:
Закрытая конструкция шины
В этой концепции роль покрышки выполняет боковая стенка, внутри которой укладывают стекловолокно специального типа. Покрышка укреплена изнутри ребрами жесткости из композитного материала. К ней монолитно подсоединяется диск, вместе они похожи на бескамерную шину. Концепция, наделяя совершенно иными свойствами колеса, полностью преображает всю систему движения и конфигурацию частей автомобиля.
Открытая конструкция
Решение заключается в сборке камеры из мелких фигурных элементов, наподобие пчелиных сот, изогнутых спиц или другого вида, составляющих цельную оболочку по площади покрышки. К ступице они крепятся гибкими полиуретановыми спицами. Схема расположения элементов по площади покрышки имеет принципиальное значение для свойств безвоздушного колеса.
Второй тип получил большую популярность – он легче в изготовлении, дешевле, открытый профиль проще в уходе и восстановлении повреждений, которых не миновать работающим шинам.
Производство безвоздушных шин не является массовым, хотя новая концепция шины с 2012 года успешно используется в различных областях работы специального транспорта и механизмов:
- устанавливаются на сельскохозяйственную технику, погрузчики, автомобили, работающие на грунтовых покрытиях дорог
- тяжелые строительные механизмы по разработке грунта и выравнивании площадок, экскаваторы на сносе сооружений
- в тачках и колясках для перевозок грузов с небольшим весом
- в газонокосилках и тележках для гольфа
- в инвалидных колясках и сегвеях
- на велосипедных колесах.
Безвоздушные колеса пластичны, преодоление препятствий происходит мягко, за счет прочности ребер и амортизации материала, механические повреждения не являются критическими в процессе движения, машина имеет плавный ход, неровности дороги поглощаются сотами с комфортным уровнем шума. Оба варианта преодолели основной недостаток пневматических покрышек – им нипочем проколы, и взорваться им просто нечем.
Преимущества и недостатки безвоздушных шин
Разнообразные сферы применения безвоздушных шин позволяют рассмотреть их эксплуатационные свойства в перспективе дальнейшего продвижения на рынке автомобильных покрышек. А также оценить, чем они превосходят пневматические покрышки и в чем уступают. Безвоздушные шины лучше тем, что у них:
1 – решена проблема проколов
2 – отсутствуют риски взрыва покрышки, так как в ней нет воздуха
3 – отсутствуют металлические диски, поэтому вес шины значительно снижен
4 – колесо не теряет рабочих качеств даже при 30% повреждении шины
5 – мягкий ход, неровности обволакиваются пластичными формами колеса
6 – снижен расход топлива из-за уменьшения массы автомобиля
7 – стоимость безвоздушной шины при массовом производстве примерно сравнима с пневматической шиной
8 – простая установка безвоздушных шин на автомобильные оси
9 – быстрая замена колеса, нет перебортовки, накачки
10 – отсутствие запасного колеса увеличивает полезный объем багажника
11 – есть перспектива создания сменных накладок на шины, соответственно условиям и типу дорожного покрытия
Инновационные решения по улучшению воздушных покрышек имеют и обратные стороны. С устранением недостатков пневматики ушли и привычные достоинства, некоторые из них существенно изменяют привычные параметры автомобиля.
К недостаткам шины надо отнести такие:
1 – жесткость конструкции ограничивает адаптацию шины к условиям дороги, устранена регулировка давлением воздуха
2 – в движении создается высокая температура протектора, решения пока нет
3 – из-за высокого уровня шума и вибрации скорость передвижения ограничена 80 км/ч
4 – небольшая грузоподъемность
Как видим, проблемы обновились и ждут своих решений.
Читайте также: Низкопрофильные шины – ваш новый образ и современная скорость движения
Недостатки новых шин не только влияют на уровень комфорта, их свойства не могут обрабатывать существующие трафики автомобильных перевозок. В борьбу вступают мировые шинные бренды.
Модели, конструкции и результаты испытаний новой шины
В будущее безвоздушных шин производители смотрят с оптимизмом. Разработанные в 2000-х первые модели получили развитие, проводятся испытания новых концепций колес без воздуха. В разработках принимают участие многие знаменитые бренды, предлагая свои модели.
Michelin
Мишлен были первыми, кто представил в 2005 году свою концепцию безвоздушных шин Tweels. Был использован вариант шины открытого типа. Они совместили шину и диск, вместо воздуха в качестве амортизатора расположили особые резиновые спицы. Были внедрены главные преимущества резины – поглощение ударных воздействий, механические характеристики спиц подтвердили свою прочность и пластичность в преодолении поперечных нагрузок. Проект оправдал себя – колесо получилось достаточно жестким для движения по дорожному покрытию, с мягким плавным ходом. Шина уверенно держит устойчивость на поворотах и не теряет прочности при боковых нагрузках.
К ходовым качествам Tweels прибавились экономические показатели:
- устойчивость на разрыв и повреждения протектора
- новая шина намного легче колеса с креплением к диску
- легко заменяема
- срок службы в три раза превышает сроки эксплуатации воздушные.
Шина прошла тестовые испытания на легком специальном транспорте – инвалидной коляске, сегвее. Шины Tweels успешно отработали тест эксплуатации на легковом автомобиле Ауди A4.
Американские военные тестировали конструкцию безвоздушной шины на размытых грунтовых дорогах, по травянистым полям и джунглям. Проведены испытания беспрокольной шины Tweels в тропических широтах, проехали по снежным дорогам и заносам. Конструкция шины оказалась не готовой к вязкой глинистой грязи, смешанной с остатками травы, инновационные спицы не справились также со снежной кашей. Зато хорошо показали себя на каменистых грунтах и в песках. Образцы безвоздушной шины производства Michelin установлены на рабочий луноход.
Hankook Tires
Корейский бренд разработал несколько концептов с различными конструктивными особенностями, направленных на повышение безопасности безвоздушной шины и повышение экономичности ее эксплуатации.
В модели eMembrane гибко регулируется ширина шины, в зависимости от скорости. Способность пятна контакта расширяться при повышении скорости и сужаться при снижении способствует безопасности на дороге, улучшает управляемость автомобилем в разных скоростных режимах, снижает трение до необходимого, чем регулирует и расход топлива.
В модели Tiltread конструкция шины состоит из трех узких ободов, два из которых, внутренний и центральный, способны перемещаться относительно друг друга при выполнении на дороге поворотов, ускорений и тп. Этот концепт повышает безопасность за счет изменения пятна контакта соответственно выполняемому маневру.
Похожая модель Motiv из трех концентричных дисков, которые плавно перемещаются между собой с помощью специальных блоков в полости колеса. Модель разработана для внедорожников, с целью управления пятном контакта в условиях бездорожья.
Концепт MagTrack представляет собой модель магнитной подушки на колесе. Между ступицей и ободом с покрышкой создается магнитное поле, принимающее нагрузку от машины, ступица не контактирует с ободом и покрышкой и поэтому не перенимает от них сопротивление дорожного покрытия.
Наиболее близок к воплощению в продажи второй вариант концепта безвоздушных шин i-Flex. На модели вогнутой шины успешно отработано поглощение ударов от дорожного полотна и одновременной нагрузки автомобиля при помощи сконструированной силовой схемы сцепленных спиц. Производителем уже проведены испытания в дорожных условиях, разработка продолжается. Размеры нового концепта шины i-Flex 10 дюймов, диаметр 400 мм и ширина 105 мм, компания планирует выпуск с такими колесами малолитражной модели Volkswagen Up.
Bridgestone
Компания работает над концепцией безвоздушной шины открытого типа, в которой заменитель воздуха состоит из сложно расположенной сетки спиц, перенимающих нагрузки сверху и сопротивление дорожного покрытия снизу. На сегодня модель развивает скорость до 64км/ч при небольшой грузоподъемности 150 кг. Шины производятся из материалов, полностью подлежащих вторичной переработке. Применяются на практике в гольф карах. Пока не решена проблема уборки налипающей в процессе эксплуатации грязи на сетчатую оболочку спиц.
Toyo
Японская Toyo заявила о завершении второго этапа разработки безвоздушных шин Noair, начало которой положено еще в 2016. Получены замечательные результаты: предел прочности на растяжение увеличен на 40%, а прочность возросла на порядок по сравнению с первым концептом со складными спицами. Оба показателя практически сравнялись с пневматической шиной, также достигнут уровень обычных шин в поглощении ударных воздействий от дорожного полотна. Компания уже производит безвоздушные колеса для местного рынка локального транспорта, и разрабатывает модели для автомобильных дорог.
The SMART Tire
Компания является автором велосипедной шины METL, и внедряет эту революционную технологию в проект NASA по луноходам и марсоходам.
Характеристики новых шин отличаются способностью возвращаться к первоначальной форме после деформации от встречи с препятствиями, езде по неровной поверхности. В шине METL (сокращение от Martensite Elasticized Tubular Loading) использован нитинол, что является сплавом с памятью формы на молекулярном уровне. Шины показывают хорошее сцепление с дорогой, не требуют подкачки, так как состоят из системы пружин и невосприимчивы к проколам. Производитель планирует публичное знакомство с METL в 2023 году.
Заключение
Вопрос уязвимости воздушных шин давно перезрел, в его решении заинтересованы все перевозчики от новичка до луноходов компании NASA.
Инженер Джон Данлоп, прилаживая к колесам велосипеда сына резиновый шланг, не мог предположить, что его изобретение все население планеты 134 года будет накачивать воздухом. А то бы он придумал концепт колеса без воздуха, который его последователи, мировые бренды совершенствуют два десятка лет. Есть ощущение, что решение вот-вот найдется, и автовладельцы с облегчением поставят на полки комплекты для перебортовки. А пока нам всем пожелаем счастливого пути на воздушных шинах!
