Контакт колес автомобиля с дорогой
Разрушаем мифы о сцеплении с дорогой
Добрый день, дамы и господа.Нашел очень интересную статью о сцеплении с дорогой и с чем это едят.Сам в этом чайник, потому и написана статья не мной…
Сцепление шины с дорогой не зависит от площади пятна контакта?
В прошлом выпуске я написал о размерах шин, терминологии и некоторых заблуждениях, связанных с шинами. Обсудим теперь, что есть что в размерах шины, и перейдем к следующей порции заблуждений.
Ширина профиля. Площадь пятна контакта
Шина под действием силы тяжести автомобиля деформируется, образуя так называемое пятно контакта. Пример из жизни: если сидящий в автобусе ребенок прислонится носом к окну, то папа с мамой с улицы увидят смешной «пятак» на кончике носа :). Это и есть пятно контакта. Аналогичная картина и с шиной, которая прижимается к дороге.
Среди автолюбителей принято считать, что чем шире шина, тем больше площадь пятна контакта шины с дорогой и тем лучше сцепление с дорогой. И, якобы, тем короче тормозной путь, тем лучше маневренность и управляемость машины. А еще иногда думают, что если машина тормозит не прямо, а боком, то тормозной путь будет короче, потому что шире пятно контакта. Это не так.
Сразу приведу доказательства из физики.
Здесь S – тормозной путь, v – скорость движения машины, µ — коэффициент трения шины о дорогу, g – ускорение свободного падения.
Как видно, тормозной путь не зависит от ширины профиля шины и площади пятна контакта шины с дорогой. В этой формуле есть единственный «представитель» от шины – это коэффициент трения, который зависит от природы соприкасающихся тел. В данном случае – от типа дорожного покрытия и от химического состава резиновой смеси протектора шины. Соответственно, и сцепление шины с дорогой зависит от состава резиновой смеси протектора. Поговорим.
Почему же пятно контакта не влияет на силу сцепления?
Очень просто. С одной стороны, чем больше его площадь, тем большим числом «щупальцев» шина цепляется за дорогу. Этот факт лежит на поверхности, и люди охотно думают, что сцепление пропорционально ширине шины. Но есть и другая сторона медали, о которой многие забывают: от размера пятна контакта напрямую зависит вес шины, приходящийся на единицу площади, то есть давление, которое она оказывает своим весом на дорогу. Чем больше площадь контакта, тем меньше давление шины на дорогу. Прошу вас не путать давление шины на дорогу с давлением воздуха в шине 🙂
Предположим, рыбаку нужно перейти замерзший пруд с тонким льдом. Какие лыжи нужно надеть? Беговые – с шириной около 5 см, или охотничьи – с шириной порядка 30 см? Конечно, охотничьи. Потому что они шире, на них будет меньше давление на лед и ниже вероятность провалиться.
По этой причине, кстати, зимние шины всегда уже летних – чтобы увеличить давление на дорогу и лучше «вгрызаться» в снежно-ледяную корку.
В итоге, если мы увеличиваем площадь пятна контакта (т.е. вместо 205-й шины ставим 255), то мы уменьшаем давление на дорогу. Получается, во сколько раз мы увеличиваем площадь сцепления с дорогой, ровно во столько же раз мы уменьшаем давление на дорогу. Баш на баш – и сцепление не меняется.
Влияет ли на сцепление рисунок протектора?
Как кстати не влияет на сцепление и рисунок протектора. Если вы обратите внимание на гоночные слики, в той же Формуле 1, то они вообще «лысые» и не имеют какого-либо рисунка. Рисунок на летних шинах нужен только для того, чтобы отводить воду из пятна контакта. На сцепление влияет не рисунок, а тип протектора: грязевой, зимний, дождевой, летний. На летних шинах вы увязнете в грязи и снегу, а на грязевых «тракторных» не проедете быстро по извилистой дороге. Но это принципиально разный тип протектора, с разным предназначением.
Возьмите три разных шины Nokian Hakkappeliitta: 4,5 и 7. Рисунок у всех разный, но суть одна, все модели хорошие. Можно также взять топовые зимние шины от разных производителей Nokian, Michelin, Gislaved, Goodyear. У всех рисунки протектора разные, но характеристики схожи. Потому что у всех одинаковое предназначение и зимний тип протектора, имеющий грунтозацепы и ламели, а главное — состав резины. А вот у россиян, не помню точно производителя, есть шина — по рисунку протектора точная копия Goodyear Ultragrip 500. И разница между ними, как между небом и землей, как вы понимаете. Как рисунок не копируй, а без качественного состава резины никуда. И сцепление шины с дорогой зависит не от того, какой рисунок на шине — в ёлочку, полосочку или клеточку, а от состава резиновой смеси.
То есть зимними или летними шины делает тип протектора, а рисунок — единственное, что может «пощупать» покупатель при покупке и что может повлиять на эмоциональное восприятие шины. Конечно, есть любители запаха резины, который стоит в шинных магазинах, но это уже отдельный разговор 🙂
Что говорят о сцеплении законы физики?
Если снова прибегнуть к помощи формул, то сила трения сцепления (она же сила трения покоя) в отсутствии адгезии (эффекта приклеивания соприкасающихся поверхностей) определяется законом Кулона:
где µ — коэффициент сцепления, N — вес тела (шины, в данном случае), m — масса тела (шины), g — ускорение свободного падения.
Как вы понимаете, дорожные шины не приклеиваются к асфальту, поэтому это как раз наш случай. Как видите, площадь пятна контакта в силу трения покоя вклада не вносит, как и в длину тормозного пути.
Чтобы было понятнее, куда же делась площадь, можно закон Кулона 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:
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 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 (3). Поставляя сюда выражение для давления, получим:
Тогда площадь мы успешно сокращаем и приходим к закону Кулона (2) и силе сцепления, не зависящей от площади пятна контакта.
Шина катится за счет трения качения или… покоя?
Кстати, скажу еще об одном частом заблуждении. Трение бывает разным: трения покоя, качения, скольжения. И часто люди думают, что шина катится за счет трения качения. Не буду углубляться в эти вопросы, напишу кратко. Шина катится за счет трения покоя. То есть во время качения пятно контакта шины с дорогой покоится относительно дороги.
Удивлены? А вы обратите внимание на ноги, обувь идущего человека. Как только человек делает шаг, его ступня останавливается, и он перемещает вес с нее на вторую ногу и делает еще один шаг. Выходит, верхняя часть тела человека движется в то время как одна нога покоится. Аналогично ведет себя шина, только она делает много-много маленьких шажочков, перекатываясь с одного элемента шины на другой, и каждый из них в момент переката покоится относительно дороги. Соответственно, во время качения между шиной и дорогой действует сила трения покоя.
Если же пятно контакта начинает двигаться относительно дороги, то это означает скольжение шины, и здесь трение покоя переходит в трение скольжения.
А трение качения — совершенно иной вид трения, возникающий из-за деформации шины и направленный всегда в сторону против направления качения. Чем больше деформация шины, тем выше трение качения. Поскольку спущенная шина деформируется больше накачанной, то напрашивается простой вывод: следите за давлением в шинах и поддерживайте его, согласно указаниям в руководстве пользователя автомобиля. То есть трение качения — паразитный вид трения, от которого, кстати, зависит расход топлива. Если силу трения покоя шины с дорогой конструкторы пытаются увеличить, то силу трения качения всегда пытаются уменьшить.
Выходит, сцепление шины с дорогой — сила трения покоя, и она не зависит от ширины шины и площади пятна контакта.
В чем практический смысл?
А применить в жизни написанное выше очень просто. Сцепление шины с дорогой — основа безопасного вождения, чем оно выше, тем безопаснее вы можете вести машину. Это ни для кого не секрет. Некоторые водители прохладно относятся к тому, какие шины стоят на их машинах, и думаю, что это неважно. Важно! Чуть ли не самое важное, что есть в машине. Но среди тех водителей, которые ценят безопасность, сцепление с дорогой и шины, встречаются те, которые думают, что они улучшат сцепление, если поставят на свой авто более широкие шины. Или еще часто думают, что можно повысить сцепление, установив шины с более «навороченным» рисунком протектора. Как вы уже поняли, это вещи не связанные.
Конечно, широкие шины важны, ведь для чего-то из производят и устанавливают на машины. А для чего нужны широкие шины — мы обсудим в следующей статье или на курсе MBA для водителя: Мастерство Вождения Автомобиля», но тормозные свойства машины от них не улучшатся.
Кстати, еще задумайтесь над таким фактом: если было все так просто и широкие шины тормозили бы лучше узких, то производител шин могли бы легко решить проблему зимы — делали бы широченными зимние шины, и все дела! Однако этого не происходит и, более того, происходит обратное: зимние шины, как правило, уже летних…
Итак, чтобы улучшить сцепление шин с дорогой, нужно установить шины, сделанные из резины более высокого качества. Проблема в том, что при покупке шины мы не можем оценить качество состава резины и почти на 100% оцениваем шину визуально — по дизайну протектора, а также по ширине и высоте профиля. На это многие и покупаются…
Как же правильно выбрать шины? К сожалению, четкого ответа на этот вопрос нет. Есть общие соображения, их три.
ориентируйтесь на тесты шин в автомобильных журналах. Это не панацея, но по крайней мере даст вам общее представление о хороших и не очень шинах.
выбирайте шины известных производителей. Идея не решит сразу все вопросы, но шины, скажем, Michelin всегда будут лучше отечественной Камы или корейской Kumho.
выбирайте шины премиум-сегмента или, иначе, с высоким индексом максимальной скорости. У каждого производителя есть шины разного класса, с составом разного качества и с различной силой сцепления с дорогой. Например, у Michelin в линейке есть Economy, Pilot Exalto и Pilot Sport, это, соответственно, шины со средним сцеплением, хорошим и очень хорошим. И по разной цене. Вот и решайте.
Вы также можете заметить, что хорошие дорогие шины часто бывают шире средненьких эконом-класса, а также с более низким профилем. Это не значит, что ширина напрямую влияет на «держак», но ширина профиля важнее для хорошей шины, чем для шины без претензии на скорость. Об этом и о том, для чего нужны низкопрофильные шины — в следующих статьях.
А пока промежуточный вывод: сцепление шины с дорогой не зависит от ширины шины, площади пятна контакта, дизайна протектора, а зависит от состава резиновой смеси протектора.
Пятно контакта шины с дорогой — что это, на что влияет
Все водители слышали про пятно контакта шины. Но, многие не понимают, как параметр влияет на управляемость, как рассчитывается. Рассмотрим особенности пятна контакта, характеристики, взаимодействие с поверхностью, влияние на безопасность
Что такое пятно контакта шины с дорогой
Пятно контакта шины с дорогой – точка взаимодействия покрышки с поверхностью. Авторезина под тяжестью машины несколько деформируется. Вся площадь шины, контактирующая с асфальтом и будет точкой взаимодействия.
В зависимости от модификации покрышки, степени накачки площадь может изменяться. Особенно важно влияние давления и жесткости резиновой смеси на увеличение пятна взаимодействия с автодорогой, подбирая разные параметры можно менять некоторые ходовые характеристики автошины.
Как пятно контакта влияет на разгон
Вопреки распространенному мнению пятно контакта практически не влияет качество торможения. Может влиять на некоторые другие параметры, об этом позже.
Разберем, почему колесо тормозит примерно одинаково, вне зависимости от размера площади взаимодействия. С точки зрения простой логики, чем больше площадь, тем больше будет сила трения, соответственно эффективность торможения будет увеличиваться. Так и произойдет, если не учитывать дополнительные факторы.
Автомобиль имеет определенный вес, он распределяется по общей площади контакта всех покрышек. Могут быть незначительные различия по осям, но данный момент не сильно влияет на расчеты. На квадратный сантиметр, будет давить определенный вес. Если увеличить точку взаимодействия, масса распределиться уже по большей площади, соответственно давление на грунт уменьшится.
Уменьшение давления на дорогу будет пропорционально увеличению силы трения. В результате общий параметр останется неизменным. Соответственно, эффективность торможения будет такой же.
Аналогичное влияние оказывается и на разгон. Но, тут нужно учитывать особенности дорожного покрытия. На заснеженной дороге покрышка с меньшей площадью контакта будет эффективнее прорезать снег. Сцепление с асфальтом будет лучше, разгоняться машина будет лучше.
Увеличенное пятно контакта практически не влияет на управляемость. Сцепление с дорогой не изменяется, другие показатели тоже остаются одинаковыми. Увеличение площади контакта достигается за счет более широких покрышек. Такая шина может при выворачивании колеса может цепляться за арку, уменьшая радиус поворота. Фактор отрицательно сказывается на управляемости и безопасности.
От чего зависит сцепление шины с дорогой
На силу, качество сцепления покрышки с дорогой влияют следующие факторы:
Разберем факторы подробнее.
В целом влияние пятна контакта водителями преувеличивается. На качество торможения и другие значимые факторы площадь взаимодействия шины с дорогой практически не влияет. Более важным является протектор и состав резиновой смеси.
Как разбортировать бескамерное колесо?
Как разбортировать колесо автомобиля?
Как отремонтировать шину своими руками
Как снять и установить колпаки с колес
Набор для ремонта шин: когда пригодится, состав, как пользоваться
Стальные диски — особенности. Как выбрать?
Накачка шин азотом — преимущества и заблуждения
Как размер дисков и шин влияет на поведение автомобиля
Ездовые характеристики автомобиля напрямую зависят от диаметра диска и профиля шины. Те покрышки, где высота профиля (его обозначает вторая цифра) меньше 55%, считаются низкопрофильными: 205/55 R16, 225/45 R17, 225/40 R18 и так далее.
Минусы низкопрофильной резины
Чем ниже профиль шины, тем больше диаметр диска, и тем хуже резина гасит огрехи дорожного покрытия и лучше транслирует в салон рельеф полотна. Пассажиры, едущие в такой машине по неровной, разбитой дороге, обречены на толчки и тряску.
Плюсы низкопрофильной резины
Большие колеса с широкой низкопрофильной резиной улучшают управляемость и курсоустойчивость автомобиля, а также повышают его динамические и скоростные характеристики. У них лучше тормозные свойства, и они обычно гасят крены кузова в поворотах. В «зачет» можно записать и тот упомянутый факт, что автомобиль при таких «катках» выглядит более эффектно.
Колеса малого диаметра
Как правило, диски небольшого диаметра оснащаются высокопрофильной резиной с высотой профиля более 60%. Такие покрышки обеспечивают лучшую плавность хода и повышают комфорт пассажиров при движении на разбитой дороге, демпфируя огрехи покрытия. Как следствие: подвеска испытывает меньше нагрузок. К тому же, автомобили с такой резиной, как правило, обладают повышенной проходимостью, акустическим комфортом и продолжительным ресурсом.
Соседям на зависть: длительный тест-драйв Changan CS35 Plus
«Исторический» тест-драйв FIAT Doblo: едем в город, где много неба
В то же время в сравнении с низкопрофильными покрышками у них хуже сцепление с дорогой, они могут провоцировать крены в поворотах и большой тормозной путь. Кроме того, высокопрофильная резина не лучшим образом отражается на рулевом управлении авто, хотя и такие изменения не критичны..
Какой размер колес выбрать
Многие наши водители жаждут внешне превратить своих «ласточек» в настоящих «орлов» и придать машинам классный спортивный вид за счет установки колес больших размеров. Но при этом следует учитывать, что любой производитель настраивает шасси каждой конкретной модели под определенную размерность дисков и шин. Поэтому изменение внешнего диаметра колеса неминуемо скажется на ездовых характеристиках автомобиля, и далеко не в самую лучшую сторону.
К тому же: чем выше колесо, тем ниже будут показания одометра и спидометра относительно истинных значений. А еще опаснее, когда доморощенные мастера изменяют вылет колесного диска, расширяя колею, относительно заводского значения. Это неминуемо приводит к негативным последствиям, как для управляемости, так и для ресурса подвески и особенно ступичных подшипников. Так что в любом случае размер колес на конкретных машинах должен быть в рамках допустимых значений, установленных производителем.
Почему важно следить за давлением в шинах: советы водителям
Шины — это единственный элемент автомобиля, который находится в постоянном контакте с дорогой. Один из главных показателей их исправности — давление. Оно влияет не только на эффективный расход топлива, но и на безопасность.
Как правило, автопроизводители рекомендуют выдерживать давление в шинах от 2,0 до 2,8 атмосферы. Но на практике бывают ситуации, когда следует отступать от этой нормы.
Проверять давление в шинах следует не реже одного раза в месяц, для этого есть несколько способов. Разбираемся, почему так важно соблюдать оптимальный показатель давления и на что это влияет.
В этом материале:
Чем опасно неправильное давление в шинах
Давление в шинах — это то сопротивление, с которым воздух «давит» на внутреннюю площадь резины. Правильно накачанные шины прослужат дольше, обеспечат лучшие ходовые качества и повысят безопасность поездки. Если в колесах слишком низкое давление или они перекачаны, то автовладелец рискует столкнуться с рядом проблем: от покупки новой резины до угрозы попасть в аварию.
Давление в шинах ниже нормы
Недокачанные шины — это шины, давление в которых ниже рекомендованного значения. В этом случае увеличивается пятно контакта резины с дорогой, что приводит к повышенному трению или сопротивлению качению. Визуально выдать такую проблему может изношенные внешний край протектора.
Повышенное трение с дорогой может привести к перегреву покрышки, ее сползанию и даже разрыву. Кроме этого, пониженное давление в шинах приводит:
Давление в шинах выше нормы
При избыточном давлении в шинах, то есть выше рекомендованной производителем нормы, пятно контакта уменьшается. Как результат основное трение с дорогой принимает на себя центральная часть шины.
Повышенное давление в шинах приводит к чрезмерной чувствительности к неровностям дороги и риску повреждения шины, вплоть до ее разрушения. Перекаченные покрышки также:
Признаки неправильного давления в шинах
Комментирует автоэксперт, мастер спорта международного класса по автоспорту, Татьяна Елисеева
Для перекаченных шин:
Какое давление должно быть в шинах
Для каждой модели автомобиля производитель устанавливает свое оптимальное давление в шинах. Этот показатель зависит от массы авто, скоростного режима эксплуатации, количества пассажиров (частичная или полная посадка), а также загруженности багажника [1].
Информацию о рекомендуемом давлении в шинах можно найти в справочнике по эксплуатации автомобиля или на одной из табличек/наклеек в салоне. Они могут быть:
Таблица измерения давления в шинах
Давление в шинах измеряется в нескольких единицах. В России обычно указывают в кг/см2 (или атмосферах) и барах (bar). Эти два показателя практически равны, отчего часто используются как синонимы:
На зарубежных моделях чаще применяются фунты на квадратный дюйм (pound per square inch) или «psi».
Для удобства автопроизводители могут указывать давление сразу в двух единицах — bar и psi. Таким образом необходимости самостоятельно рассчитывать по формулам отпадает. В противном случае, это можно сделать в одном из онлайн-калькуляторов или свериться с таблицей популярных значений.
Самые распространенные значения давления в шинах в bar и psi
Давление в шинах летом и зимой
Существенное влияние на давление в шинах оказывает температура: когда она падает, то и давление в колесах снижается вместе с ней. При понижении температуры на 10 градусов Цельсия шины подспускает в среднем на 0,07–0,14 бара или от 1 до 2 psi [2].
Для летней резины обычно используют показания, рекомендованные производителем. Но зимой к этим цифрам советуют прибавлять около 0,2 бар [3].
Специалисты также рекомендуют проверять и корректировать давление в шинах при температуре наружного воздуха. В холодное время года подкачку лучше выполнять не в теплом гараже, а на улице. Летом перед такой манипуляцией стоит убедиться, что одни колеса автомобиля не стояли под палящим солнцем, а другие в тени.
Когда следует корректировать давление: 5 примеров
Иногда давление в шинах следует корректировать по ситуации. Например, при полной загрузке машины или буксировке прицепа. Для таких случаев автопроизводители, как правило, отдельно указывают оптимальное давление.
Но бывают моменты, которые попадают в разряд экстремальных и нестандартных (особенно, если до этого машина чаще всего ездила по городу). Автомобильный эксперт Татьяна Елисеева разобрала самые распространенные из них:
Длительная поездка по трассе
Приводит к нагреву колес, особенно летом, и поэтому надо перед такой поездкой придерживаться рекомендаций производителя. Мы не знаем, что нам встретится: заплаточный ремонт дороги или проливной дождь. Ведь для каждой из этих ситуаций рекомендации будут противоположные. Играть с давлением могут спортсмены, когда условия трассы известны и инженеры можно всегда поменять настройки. Для дальней дороги обывателю надо просто выбрать среднее.
На бездорожье
Шины надо стравливать, особенно на песке. Вопрос на сколько? Можно стравливать и до 0,7 атм, но не очень опытный автомобилист может неаккуратным движением сорвать колеса в пробуксовку, а если при этом водитель будет резко крутить руль (например, пытаясь зацепиться за край колеи), то шина может соскочить с диска. И такие случае встречаются регулярно.
По укатанному снегу и льду
При околонулевой температуре по укатанному снегу, льду или шуге для новых колес (типа «липучка» или шипованных) лучше чуть-чуть перекачать колеса, чтобы из центральной зоны пятна контакта выдавливалась вода и шуга и протектор лучше работал. Колесо должно очищаться, чтобы работал протектор. Когда оно забивается снегом тормозной пусть и сцепные свойства сильно ухудшаются.
Если на машине изношенные колеса, но с допустимой глубиной протектора для зимних шин (4 мм), то надеяться на правильную работу протектора не стоит. Такая невысокая шашечка уже не выталкивает снег. В таком случае надо снижать давление в колесе, тем самым увеличивая то самое пятно контакта.
На загруженной машине
На проселочной дороге важным фактором будет именно общая масса машины. В этом случае давление выбираем по загрузке – конкретные показатели надо посмотреть на центральной стойке кузова. Там вы увидите примерно следующую рекомендацию: чем больше загруженность машины – тем выше должно быть давление в задних колесах.
Но сильно разбитая дорога может привести к грыжам, разрывам и повреждениям шин. Поэтому если повышаем давление, то по плохой дороге едем максимально спокойно и размеренно. Или слегка отступаем от рекомендации производителя и поднимаем давление не так сильно, как рекомендует производитель.
В горной местности
Главный фактор изменения поведения колеса – это не перепад давления на высоте, а наличие большого количества крутых поворотов и долгих торможений. Шина будет нагреваться не только от нагрузок, но и от работы тормозных механизмов. Поэтому идея, что из-за низкого давления надо поднимать давление в шинах – неправильная, ведь куда большее влияние в этом случае оказывает температура колеса.
Как проверить давление в шинах
Рекомендованное давление всегда указывается для холодных шин. Это значит, что автомобиль не был в движении в течение трех часов или проехал менее 1,6 км (или одну милю).
Проверить давление в шинах можно двумя способами: самостоятельно или на станции СТО. В первом случае, достаточно воспользоваться общедоступной «подкачкой» на АЗС или приобрести манометр. Это устройство для измерения давления в шинах бывает трех видов:
Еще один вариант — установка специальных колпачков контроля давления на каждый ниппель. Такой гаджет работает следующим образом: верхняя часть колпачка прозрачная и в зависимости от уровня давления в ней появляется индикатор трех цветов. Зеленый — давление в норме, желтый — колесо спускает, красный — давление превысило норму.