Почему некоторые автомобильные шины называют зелеными
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 20.09.2024
Зеленая" шина - что это такое? Звучит непривычно, поскольку шины всегда черные, очень черные, абсолютно черные и по-другому никогда не было, так как в состав резины шины обязательно входит сажа или технический углерод (ТУ), как говорят химики, а он очень черного цвета. Добавляют его в резины много, обычно 30 - 35% по весу. Без ТУ, выполняющего роль активного наполнителя, резина не может иметь свойств, необходимых для шины - довольно высокой по сравнению с ненаполненной резиной твердости (модуля), прочности, высокого сопротивления износу, сцепления с дорожным покрытием. Изменение свойств резин (усиление) в присутствии ТУ, по современным представлениям, происходит в результате выравнивания напряжений в молекулярных цепях каучука вследствие адсорбции и десорбции участков молекул на поверхности частиц наполнителя. Наполненную резину следует рассматривать как микрогетерогенную и микрогетерофазную коллоидную дисперсную систему, содержащую микрообласти с разной молекулярной подвижностью.
Наличие структурных элементов с неодинаковыми механическими характеристиками обуславливает замедление процесса разрушения резины. Степень активности наполнителя определяется его удельной поверхностью, морфологией первичных агрегатов (структурность), химической и энергетической природой поверхности. От удельной поверхности зависит межфазное взаимодействие с полимером. От первичной структуры ТУ отличают его вторичную структуру, обусловленную взаимодействием первичных агрегатов. При содержании в каучуке более 20% ТУ образует непрерывную сетку, разрушающуюся при деформации около 7%. Поверхность частиц ТУ энергетически неоднородна и содержит активные центры, характеризующиеся повышенной теплотой адсорбции углеводородов. На поверхности находятся также функциональные группы, но их мало, и в целом поверхность неполярна, чем и определяется ее высокое сродство к неполярным каучукам. Часть поверхности ТУ способна к образованию прочных химических связей с каучуком (хемосорбция), и ее доля составляет ~ 5%. В качестве характеристики взаимодействия ТУ - каучук используют параметр "связанный" каучук, то есть содержание каучука, который не вымывается из невулканизованой смеси низкомолекулярным растворителем. Зависимость износостойкости резин от этого параметра описывается кривой с насыщением, которое достигается при содержании связанного каучука ~ 45%.
Сильным усиливающим действием на каучук, кроме ТУ, обладает также кремнезем (белая сажа). Химическая природа и энергетика поверхности частиц кремнезема отличается от структуры и поверхностной энергии частиц ТУ (рис.1). Если энергия поверхности ТУ определяется дисперсионной составляющей, то в случае кремнезема главной является полярная составляющая, концентрация полярных силанольных групп на поверхности достигает 8 - 9/нм 2 . Полярная поверхность имеет меньшее сродство к неполярным каучукам, в результате чего белая сажа существенно меньше их усиливает при равной с ТУ удельной поверхности, а взаимодействие частиц кремнезема друг с другом больше, чем частиц ТУ. Поэтому сетка из частиц кремнезема разрушается при более высоких деформациях, вязкость смесей выше, смешение наполнителя с каучуком происходит труднее. Такие смеси приходится дольше вулканизовать, а вулканизационная сетка получается более редкой. Поэтому длительное время кремнезем использовался как наполнитель только специальных резин или в качестве небольших добавок в резины с ТУ. Например, очень важную роль кремнезем выполняет в резинах каркаса шин, где он входит в состав системы резорцин - уротропин и существенно повышает адгезию нитей корда к резине.
Развернувшееся в 80-х годах ХХ века движение "зеленых", потребовавших усилить внимание к охране окружающей среды и особенно активно действовавших в странах Западной Европы, поставило вопрос об уменьшении вредного воздействия не только выхлопных газов автомобиля, но и токсического влияния продуктов производства и износа шин (см. предыдущую публикацию). Как ответ на требование экологического движения, производители шин в 1992 году выдвинули концепцию "зеленой" шины. Она предусматривает на стадии производства улучшение санитарно-гигиенических условий труда, а на стадии эксплуатации - снижение потерь на качение с целью уменьшения расхода топлива и выброса выхлопных газов. Повышение экологической безопасности при изготовлении и эксплуатации шин достигается путем исключения или сокращения содержания материалов, выделяющих мономеры, олигомеры, другие летучие вещества, канцерогенные и другие вредные соединения. Одним из вредных компонентов резины является ТУ, поэтому возникла актуальная задача его замены на другой активный наполнитель - кремнекислоту. Сразу же необходимо отметить и еще один важный аспект этой проблемы. ТУ получают из углеводородного сырья, запасы которого ограничены и цены на которое непрерывно растут. Кремнезем получают из кварцевого песка, запасы которого практически неисчерпаемы. Однако простая замена ТУ на кремнезем невозможна из-за отмеченных выше особенностей структуры поверхности его частиц. Снижение взаимодействия частиц кремнезема друг с другом и повышение сродства к углеводородным каучукам достигается при модификации поверхности реакцией с бифункциональными кремнийорганическими соединениями. Наиболее известен продукт Si-69, разработанный фирмой Дегусса еще в 1971 году. По химическому составу это бис-3-(триэтоксисилилпропил)-тетрасульфан и имеет следующую формулу:
Появился также дисульфидный аналог (SCA 985), снижающий опасность подвулканизации смесей. Более удобный порошкообразный продукт SCA 9872 представляет собой смесь 72% силана и 28% силиката кальция. Бифункциональные силаны, называемые по механизму действия соединяющими или сцепляющими агентами (coupling agents) способны при механическом смешении каучука и наполнителя при температуре 120 - 160 град. химически взаимодействовать с силанольными группами поверхности частиц кремнезема. В результате поверхность покрывается привитыми молекулами модификатора и меняет свои физические свойства - становится более гидрофобной, а взаимодействие между частицами ослабляется. Наполнитель лучше диспергируется в среде каучука, вязкость смесей заметно уменьшается. На второй
стадии (при вулканизации) молекулы модификатора вступают во взаимодействие с ускорителем вулканизации, серой и, в конечном счете, с молекулами каучука. В итоге в резине возникают химические связи между поверхностью частиц наполнителя и каучуковой матрицей, резко возрастает доля связанного каучука. Это приводит к улучшению свойств резин: повышаются модуль и прочность и, самое главное, одновременно улучшаются несовместимые характеристики шин - сопротивление качению и сцепление с мокрым дорожным покрытием при сохранении очень важной характеристики - сопротивления истиранию (рис.2).
В Европе система кремнезем - бифункциональный силан активно вытесняет ТУ во все возрастающем числе марок шин, особенно зимних. Наиболее важной характеристикой при этом является сцепление с мокрым дорогой. В связи с этим производители кремнезема приступили к серьезной модернизации процесса получения наполнителя со строгим контролем всех стадий, что обеспечивает высокое постоянство его основных характеристик. Разрабатываются новые типы кремнеземов с улучшенной диспергируемостью, которая определяется методом оптической микроскопии (рис.3).
Из рисунка следует очевидная прямая зависимость между степенью диспергирования наполнителя и износостойкостью резин. Новый кремнезем Ультрасил 7000 заметно превосходит по этим показателям кремнезем Ультрасил VN 3, освоенный еще в 1951 году. Более высокая дисперсность наполнителя обеспечивает большую скорость взаимодействия силанольных групп на поверхности частиц с триэтоксигруппами силана. Развивается и техника измерений свойств наполнителей. Метод лазерной диффракции позволяет изучать распределение частиц по размеру в пределах от 40 нм до 500 мкм. С использованием этого метода изучали распределение частиц кремнезема при обработке ультразвуком, моделирующей процесс диспергирования при смешении с каучуком. Кремнезем Ультрасил 7000 характеризуется после обработки четко выраженным бимодальным распределением с большой долей разрушенных первичных агломератов, то-есть имеет высокую способность к диспергированию. Еще один важный параметр - содержание влаги в наполнителе, и новые марки Ультрасила имеют строго определенное и постоянное содержание влаги, влияющей на процесс смешения и гидрофобизации поверхности. Если в протекторах легковых шин и особенно зимних использование системы кремнезем - силан имеет неоспоримые преимущества, то в протекторах грузовых шин применение кремнеземов ограничивается меньшим сопротивлением истиранию по сравнению с ТУ в жестких условиях эксплуатации. Однако в других частях шины влияние природы наполнителя имеет иной характер. Так в легковых шинах только 50% сопротивления качению определяется внутренними слоями шины, в то время как в грузовых - 70%. Для грузовых шин важны такие показатели как срок службы и ремонтопригодность (замена протектора). Улучшение этих свойств может быть получено путем снижения теплообразования в шине. Для этих целей производители кремнезема разработали специальную марку наполнителя - ЕХР 7006 с удельной поверхностью 120 м 2 /г. На рис. 4 приведены результаты сравнения свойств смесей и резин на основе композиции НК + растворный БСК с кремнеземом ЕХР 7006 и другими наполнителями. Видно, что новый наполнитель значительно превосходит старый кремнезем и ТУ по величине механических потерь и теплообразованию. Столь низкая величина механических потерь (tg d) не может быть достигнута при использовании ТУ. Если для протекторов легковых шин вполне достаточна поверхность наполнителя 160 - 170 м 2 /г, то в грузовых шинах кремнеземы по сопротивлению истиранию резин пока уступают ТУ с высокой удельной поверхностью. Разрабатываются кремнеземы с более высокой удельной поверхностью для протекторов грузовых шин. Идет также поиск новых силанов, обеспечивающих более низкую динамическую жесткость, необходимую для улучшения сцепления с обледеневшей дорогой.
Шины с протектором, содержащим кремнезем вместо ТУ появились на рынках Европы в 1973 году. Было произведено и продано 400 тыс. шин с голубым протектором, однако затем из-за технологических трудностей их производство было прекращено. В настоящее время фирма Континенталь выпускает широкий ассортимент шин: 4 размера серии 80, 7 размеров серии 70 и 7 размеров серии 65 категорий S (скорость до 180 км/час) и Т (до 190 км/час), в протекторах которых содержится только 5% ТУ для придания обычного черного цвета и снижения электризуемости поверхности. Эти покрышки, по данным фирмы, позволяют экономить до 5% топлива и имеют на 30% большую долговечность. В 1996 году появилась "зеленая" шина крупнейшего производителя шин фирмы Мишлен. Она действительно может иметь зеленый и, в принципе, почти любой другой цвет, так как в протекторе и боковине весь ТУ заменен на кремнезем и для придания цвета используется пигмент. По данным фирмы, комфортность езды и долговечность "зеленой" шины аналогичны шинам с ТУ. Первоначально производились только шины размера 170/70-13, но предполагалось резкое расширение ассортимента. Появившиеся опасения повышения электризуемости шин при движении и связанного с этим усиления радиопомех не оправдались, так как электризуемость была легко устранена с помощью специальных добавок, повышающих проводимость резины, например, смеси амино- и сульфонилцирконатов. "Зеленая" шина оказалась несколько дороже обычных из-за более высокой стоимости системы кремнезем - силан по сравнению с ТУ. Увеличение цены составило ~ 4,75 доллара на шину.
Фирмы - производители увеличивают выпуск кремнеземов в нарастающих темпах. Рон Пуленк пустила новые заводы на Тайване и в США, Дегусса - завод кремнезема в Пенсильвании и заводы по производству 12 тыс.т в год силана Si-69 в Антверпене и Алабаме. Этого количества достаточно для производства 60 млн. шин. Фирма OSI расширяет производство силанов на 50%. Активность производителей кремнезема вызывает серьезную озабоченность производителей ТУ, которые боятся потерять свои традиционные рынки сбыта. Основной производитель ТУ - Cabot Corp. предпринимает серьезные усилия в разработке новых типов ТУ - так называемых ECO Black, по характеристикам, аналогичным кремнезему, но менее дорогих. Это достигается путем структурной и химической модификации поверхности частиц, например, за счет окисления. При этом увеличивается содержание активных функциональных групп и появляется возможность использовать тот же прием, приводящий к увеличению доли связанного каучука путем введения связывающего агента. Имеется публикация. где в качестве такого агента также используется силан, способный реагировать с гидроксильными, карбоксильными и другими кислородсодержащими группами на поверхности окисленного ТУ и с эпоксигруппами эпоксидированного натурального каучука. Авторы наблюдали изменения свойств, присущие системе кремнезем - силан. Часть фирм-производителей шин сохраняет традиционную рецептуру, основанную на применении ТУ, но, используя новые типы этого наполнителя, добились заметного изменения гистерезисных характеристик и, как результат, экономии топлива. Фирма Avon разработала свою экошину CR 322, которая полностью соответствует "зеленой" шине ф.Мишлен. но не содержит кремнезема в протекторе. Аналогичную политику проводит фирма Nokian, разработавшая зимнюю шину с новым типом ТУ. Другие производители готовы пойти на компромисс и использовать смеси ТУ и кремнезема. Еще один подход предлагают ученые. Оказалось возможным приготовить наполнители, сочетающие свойства ТУ и кремнезема, например, проводя гидролиз силиката натрия в суспензии ТУ или используя совместный пирогенный процесс, разработанный Cabot Corp. Эти так называемые сдвоенные наполнители имеют углеродную поверхность 80 - 130 м 2 /г и кремнеземную поверхность 20 - 80 м 2 /г, концентрация ОН - групп составляет 3 - 3,2/нм 2 в пирогенном наполнителе и до 6,5/нм 2 - в осажденном. Углеродная и кремниевая фазы прочно связаны друг с другом и не отделяются после 8 -кратного сжатия при 165 МПа и последующей экстракции водой и толуолом. В присутствии бифункционального силана системы каучук - двойной наполнитель имеют меньшие механические потери при 60 град. и большие при 0 град., чем смеси только с ТУ. Другой подход состоит в генерации частиц кремнезема in situ в среде каучука золь-гель -методом, который заключается в набухании резины в тетраэтоксисилане с последующим гидролизом в водном растворе бутиламина. Образующиеся при этом очень мелкие и однородные по размерам частицы окиси кремния обеспечивают ярко выраженный усиливающий эффект.
Концепция "зеленой" шины предполагает также определенные изменения в ассортименте используемых каучуков. Каучуки, получаемые эмульсионной полимеризацией, содержат компоненты, способные генерировать нитрозамины, и должны меньше применяться по экологическим соображениям. То же самое относится и к полимерам, получаемым стереоспецифической полимеризацией, использующей соли тяжелых металлов. Наиболее перспективными с экологической точки зрения признаются каучуки растворной полимеризации, получаемые в присутствии литийорганических соединений. По своей структуре они в большей степени соответствуют требованиям к молекулярной подвижности, которая определяет потери на качение, сцепление с мокрой и обледеневшей дорогой, износостойкость. Появилась возможность синтезировать каучуки с заданной макро - и микроструктурой, что позволяет регулировать как температуру стеклования, так и характер температурного профиля механических потерь, получая вместо узкого широкомодальный или даже бимодальный.
Описаны принципы создания так называемого интегрального каучука. Резины из такого каучука имеют сцепление с мокрой дорогой, характерное для резин из эмульсионного бутадиенстирольного каучука, сопротивление качению и сцепление с обледеневшей дорогой - как у резин из натурального каучука, но превосходят эти каучуки по износостойкости. Аналогичные результаты показывают резины на основе тройных сополимеров стирола, бутадиена и изопрена, состоящие из блоков с различной температурой стеклования. Таким образом, тонко регулируя структуру каучука в процессе синтеза, можно получать резины, отвечающие современным противоречивым требованиям эксплуатации шин при различных погодных условиях и экологии. К сожалению, такой уникальный по свойствам природный полимер как натуральный каучук с экологических позиций признается неудовлетворительным, так как содержит амины - предшественники нитрозаминов и аллергены белковой природы.
В заключение необходимо отметить два важных момента. Улучшение эксплоатационных свойств резин при использовании системы кремнезем - силан ставит под серьезные сомнения основную концепцию современной теории усиления. а именно происхождение усиленя только за счет сорбции - десорбции макромолекул на поверхности наполнителя, которая полностью игнорирует влияние образования прочных химических связей наполнитель - полимер. По-видимому, теория усиления требует доработки. В литературе даже появился специальный термин - химическое усиление, описывающий наблюдающийся важный эффект. Образование химических связей между частицами ТУ и каучуковой матрицей и связь этого явления с физико-механическими свойствами резин рассмотрено в работах советских ученых в конце 70-х - начале 80-х годов (см., например, "Каучук и резина", 1982, N 7, с. 8 - 10 ; там же, 1984, N 7, с. 12 - 14), однако дальнейшего развития эти исследования не получили. По разработке экологически безопасных шин и их внедрению в производство и эксплуатацию современная Россия отстает от передовых стран Западной Европы.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Роль активного наполнителя на свойства шин Без добавления активного наполнителя, резина не может иметь свойств, необходимых для шины — довольно высокой по сравнению с ненаполненной резиной твердости (модуля), прочности, высокого сопротивления износу, сцепления с дорожным покрытием. Степень активности наполнителя определяется его удельной поверхностью, морфологией первичных агрегатов (структурность), химической и энергетической природой поверхности. От удельной поверхности зависит межфазное взаимодействие с полимером.
Белая сажа — это двуокись кремния, полученная из силиката натрия осаждением кислотой. Она характеризуется умеренно кислой реакцией и содержит примеси, удельная поверхность 110–160 м 2 /г. Химическая формула – m SiO 2 · n Н 2 О В зависимости от назначения и показателей качества, согласно ГОСТу 18307-78, белая сажа должна выпускаться четырех марок: БС-30, БС-50, БС-100 и БС-120.
Физико-химические показатели белой сажи Сажа белая БС-50 Сажа белая БС-100 Сажа белая БС-120 Внешний вид Порошок и непрочные комочки белого цвета Порошок и непрочные комочки белого цвета Порошок и непрочные комочки или гранулы белого цвета Массовая доля двуокиси кремния, %, не менее 76 86 87 Массовая доля влаги, %, не более 6,0 6,5 6,5 Потери в массе при прокаливании, % 7,0 – 10,0 5,0 – 7,0 3,5 – 7,0 рН водной вытяжки для порошкообразной 9,0 – 10,5 7,0 – 8,5 8,0 – 9,5 Насыпная плотность, г/дмз для неуплотненной для уплотненной 150 – 200 200 – 230 80 – 130 170 – 220 120 – 170 170 – 230 Удельная поверхность по адсорбции фенола, м 2 /г 35 – 65 100 ± 20 120 ± 20 Средний размер частиц, нм 50-77 23-34 19-27
Технический углерод (сажа) — продукт термодинамически разложения углеводородов, высокодисперсный аморфный углеродный продукт. Кроме атомов углерода в составе технического углерода присутствуют атомы серы, кислорода, азота. Частицы технического углерода представляют собой глобулы, состоящие из деградированных графитовых структур. Межплоскостное расстояние между графитоподобными слоями составляет 0,35—0,365 нм.
Физико-химические показатели сажи Марка по ASTM D1765 Удельная поверхность, 10³м²/кг Йодное число, г/кг Абсорбция масла, 10 -5 м³/кг Насыпная плотность, кг/м³ N110 127 145 113 345 N220 114 121 114 355 S315 89 — 79 425 N330 78 82 102 380 N550 40 43 121 360 N683 36 35 133 355 N772 32 30 65 520 N990 8 — 43 640
Сравнение технического углерода и кремнезема
Эко шины
Зеленые шины — будущее или изобретение эко-фанатиков?
С каждым годом нормы выбросов становятся все более и более строгими, двигатели сокращаются в соответствии с требованиями, а некоторые производители даже вводят специальные автомобили, чтобы снизить средние требования к оксиду. Например, Aston Martin решил выпустить автомобиль под названием Cygnet, который имеет размеры Smart и имеет небольшой двигатель, но позволяет компании выпускать автомобили с большой мощностью из-за уменьшенной средней мощности двигателя. Однако на двигателе экология не заканчивается — некоторое время назад акриловые лаки были заброшены, производители хвалились использованием экологичных пластиков, материалов или кожи в интерьере. Экология также повлияла на шины, но не так сильно, как на остальную часть автомобиля, нам не нужно переходить на шины из натуральных материалов. Сами потребители, однако, имеют выбор относительно типа шин, потому что производители уже разработали полуэкологичные шины, и это тип шин, о которых мы расскажем в этой статье.
Какие зеленые шины?
Экологические шины, находящиеся в стадии строительства, практически не отличаются от обычных неэкологичных шин, за исключением того, что в экологичной конструкции шин используются композитные материалы вместо стали, а сами шины имеют другую форму протектора, и она меньше. Сами зеленые шины основаны на уменьшении количества сжигаемого топлива, сопротивления качению и углекислого газа. Экономия на расходе топлива может достигать около 0,2 л / 100 км. Кроме того, экологичная шина примерно на 20% легче своего неэкологичного аналога.
Начало экологичной шины
На протяжении многих лет в гонке участвовали производители, которые сделают шины лучше. Производство шин основано на сцеплении с дорогой, поэтому нам нужны топливный индекс и шум, когда шина не прилипает к дороге. Сама адгезия шин связана с явлением гистерезиса, то есть с зависимостью деформации твердого тела от напряжения. До 1992 года шины с хорошей адгезией характеризовались высоким гистерезисом и высоким сопротивлением качению, шины с низким сцеплением характеризовались низким гистерезисом и низким сопротивлением качению. Когда Michelin разработала шину Energy, оптимизировав ее с точки зрения сцепления с дорогой, сопротивления качению и гистерезиса, она немного запуталась на рынке шин. Новая шина Michelin был разработан на кремнеземе, а не на саже, улучшая вязкоупругие свойства резины и снижая сопротивление качению. Эту шину можно назвать первой экологичной шиной.
Недостатки экологичных шин
Несмотря на пониженное сопротивление качению и расход топлива, экологичные шины также имеют недостатки. Основным недостатком экологичных шин является их плохое сцепление, которое при цене покупки, часто сопоставимой даже с шинами премиум-класса, не должно иметь места. Поэтому экологичные шины для сильных автомобилей не рекомендуются, поскольку сцепление с дорогой является наиболее важным фактором, отвечающим за безопасность дорожного движения. Кроме того, из-за сопротивления качению экологичный протектор шины является более мелким, чем протектор обычной шины, что также приводит к сокращению срока службы такой шины. Мы также должны помнить, что, если мы хотим, чтобы экономия была значительной, мы должны позаботиться о правильном давлении в шинах и попытаться вести экологически безопасное вождение. Если вы любите ездить быстро и хотите быть экологичными, эти две вещи не идут рука об руку.
Итоги
Отвечая на вопрос в названии — экологичные шины — это будущее, но это далекое будущее. Учитывая стоимость покупки такой шины и ее свойства, только небольшая часть потребителей решит купить ее. Для кого предназначены экологичные шины? Перед покупкой стоит подумать, имеет ли смысл покупать такие шины. Основным преимуществом является снижение сопротивления качению и снижение расхода топлива, однако мы не будем чувствовать экономию, когда мы также не экономим. Из-за уменьшенного протектора и других резиновых смесей они не подходят для высоких скоростей, и сцепление находится на более низком уровне. В конце концов, вы можете купить экологичные шины, если вы едете плавно и преодолеваете большие расстояния, тогда дополнительная плата за экологичные шины должна окупиться.
Почему некоторые автомобильные шины называют зелеными
В конце июня 2009 года Совет Европы одобрим нормативный документ с мало¬понятным названием СОМ (2008)316, регламентирующий обязательные ха¬рактеристики автомобильных шин ЕС к 2012 году.
Шины стоят свеч
Ноги для русского Бибендума
Производители сказали: надо! Шинники ответили: есть !
Не настолько, насколько шинные производители хотели бы, чтобы мы думали. В действительности шинные компании и их поставщики мало что могут сделать в настоящее время для того, чтобы существенно сократить сопротивление качению без ущерба для других таких же или более важных характеристик. Сюда относятся устойчивость к истиранию, тяговое усилие и другие аспекты, которые имеют первостепенное значение для обеспечения оптимальных эксплуатационных свойств и безопасности автомобиля. И что самое важное, нужно учитывать удовлетворенность потребителей, которые хотят получить долговечные и надежные шины и все это по приемлемой цене.
Потребление топлива непосредственно влияет на выбросы углекислого газа. Снижение выбросов до 100 г/км сегодня было бы идеально, но для этого требуются фундаментальные модификации всего дизайна шин и автомобилей, которые индустрия, судя по всему, не может или не желает осуществить в данный момент. С точки зрения загрязнения окружающей среды существует один аспект, напрямую связанный с шинами, но очень редко упоминаемый – образование резиновой крошки, вызываемое износом протектора. Эта крошка, включающая в себя молекулы различных химических веществ, разбрасывается по дорогам, разносится ветром, смывается дождем и в итоге оказывается где? В воздухе, которым мы дышим, в почве, в которой мы выращиваем зерно, и в грунтовых водах, которые мы пьем.
Выбор шин, который делают автопроизводители, формируя комплектацию новых моделей, и выбор шин, которые делают потребители, меняя износившиеся покрышки, оказывают существенное влияние на весь комплекс эксплуатационных характеристик автомобиля, включая экономичность.
С того времени, когда Ford начал в США радиализацию, включив шины Michelin в стандартную комплектацию Lincoln Continental 1970 года, к чему я имел непосредственное отношение, отношение высоты профиля шин к ширине значительно снизилось – с 80 до 50 или даже ниже. В 70-х я и не мечтал о том, что произойдет нечто подобное, так как тогда я полагал, что это будет вредить взаимодействию автомобиля и шин, то есть тому, что пытаются максимально улучшить все автомобильные и шинные разработчики.
Кроме этого, с 1970-х годов уровень давления вырос с 1,6 бар в диагональных шинах до 2,4 бар в современных радиальных покрышках, то есть почти на 50%. В сочетании с использованием ультранизкого профиля шин, устанавливаемых на диски с увеличенным диаметром и шириной, к примеру, размера 20x10 дюймов – так называемый plus-sizing – это означает, что ради внешнего вида приносятся в жертву и характеристики, и экономичность покрышек, и кроме того это противоречит главной цели, для которой были созданы пневматические шины – в первую очередь они должны были поглощать неровности дорожного покрытия. Такие шины/диски также существенно шире, что увеличивает сопротивление воздуха.
В целом такая тенденция не улучшила топливную эффективность работы шин/дисков, скорее наоборот. Вопрос в том, когда производители шин, дисков и автомобилей вернутся к основам, что особенно важно, если учесть нынешние сложные в экономическом плане времена, когда потребители, особенно мейнстримовые потребители, заслуживают большего.
В конце концов увеличение давления приводит к тому, что шины работают при нагрузках, которые выше желаемого уровня, и следовательно ухудшается плавность взаимодействия с автомобилем, портится качество хода, и шины не могут эффективно поглощать неровности дороги.
Если принять во внимание этот крайне важный аспект размера шин и допустить, что были сделан оптимальный выбор шин и уровня давления, то по большей части улучшение топливной эффективности будет зависеть от самого автомобиля, в особенности от его пропорций, аэродинамического сопротивления и веса, который нужно будет снижать. Такая задача требует серьезнейшей работы в плане проектирования и производства автомобилей и отхода от принятых сейчас принципов работы, так как необходимо создать новые производственные техники и использовать кадры с высоким уровнем профессионализма и долгосрочные инвестиции со стороны крупнейших производителей шин, дисков и автомобилей.
Еще один экологический фактор, связанный с шинами, это энергия, требующаяся для их производства, и выбросы вредных веществ, образующиеся в процессе. Нужно учитывать, что чем больше и тяжелее шины, тем больше энергии и материалов потребовалось для их производства, тем больше вредных веществ было образовано, и тем выше будет их цена.
MTD: Чем отличается производство энергосберегающих шин с низким сопротивлением качению?
Учитывая, что такие шины спроектированы и разработаны, чтобы обладать легким весом и высокой силовой однородностью, они должны быть изготовлены из высококачественных низкогистерезисных полимеров, таких как натуральный каучук – за исключением протектора и гермослоя. Протектор изготавливается из синтетического каучука, такого как SBR (бутадиенстирольный каучук), усиленного за счет техуглеродов некоторых типов и силики. О протекторе подробнее немного позже. Что касается гермослоя, его также изготавливают из синтетического каучука (бутилкаучук), который обладает прекрасной воздухонепроницаемостью.
Шины со сниженным сопротивлением качению также производятся с использованием низкогистерезисного корда, к примеру, из вискозы, кевлара и металла, а для верхнего слоя или слоев каркаса используется нейлон. Нейлоновый слой в отличие от всех остальных изготавливается из материалов с высоким гистерезисом. Как бы то ни было, в конечном счете важнейшим фактором для снижения сопротивления качению является архитектура конструкции шин, которая может быть радиальной или диагональной. После радиализации сопротивление шин было снижено на 25% - действительно ощутимый результат, который позволил сократить расход топлива автомобилей, особенно легких и компактных. Под компактными я имею ввиду автомобили с оптимизированным соотношением внутреннего пространства и внешних размеров, такие как некоторые недавно представленные машины, а также с максимальным весом не более 1,3 тонны.
MTD: Экономия нефти, обусловленная низким сопротивлением, теряется из-за того, что такие шины быстрее изнашиваются?
Да, потребление материалов существенно увеличивается, особенно если шины служат только два года и способны пройти только 40-50 тысяч км, вместо того чтобы проходить 100 000 км (в идеале 150 000 км) и служить пять лет. Функция протектора, когда он хорошо взаимодействует с конструкцией, заключается в том, чтобы обеспечивать экономию за счет увеличения пробега и высокой устойчивости к истиранию. Было бы очень хорошо, если шины проходили 100 000 км в дорожных условиях США и изнашивались максимально равномерно.
Опять же, создание оптимального взаимодействия протектора с конструкцией шины является крайне важной, но непростой задачей. Протектор должен быть изготовлен из высококачественного синтетического каучука, а также верно подобранных техуглеродов и силики. Впрочем, на долю такого протектора, несмотря на все недавние технические новшества, все равно будет приходиться порядка 55% от общего сопротивления качению (когда протектор новый, этот показатель снижается по мере износа).
Остальное сопротивление качению создается конструкцией шины, на чью долю приходится порядка 40% от общего уровня, и в первую очередь это вызвано тем, что шины прогибаются под воздействием нагрузок. Еще 5% возникают из-за сопротивления воздуха. Кроме того на сопротивление качению влияют и такие факторы, как инерция всех вращающихся компонентов автомобиля от шин и диско до роторов и барабанов, а также трение в подшипниках двигателя, трансмиссии и т.д.
Само собой разумеется, вопрос сопротивления качению и потери энергии очень комплексный и сложный. Любое его упрощение может привести только к тому, что вы введете в заблуждение потребителей, которые должны быть более информированными о характеристиках шин в условиях реального мира, особенно в момент замены покрышек.
Зеленые шины - будущее или изобретение эко-фанатиков?
С каждым годом нормы выбросов становятся все более и более строгими, двигатели сокращаются в соответствии с требованиями, а некоторые производители даже вводят специальные автомобили, чтобы снизить средние требования к оксиду. Например, Aston Martin решил выпустить автомобиль под названием Cygnet, который имеет размеры Smart и имеет небольшой двигатель, но позволяет компании выпускать автомобили с большой мощностью из-за уменьшенной средней мощности двигателя. Однако на двигателе экология не заканчивается - некоторое время назад акриловые лаки были заброшены, производители хвалились использованием экологичных пластиков, материалов или кожи в интерьере. Экология также повлияла на шины, но не так сильно, как на остальную часть автомобиля, нам не нужно переходить на шины из натуральных материалов. Сами потребители, однако, имеют выбор относительно типа шин, потому что производители уже разработали полуэкологичные шины, и это тип шин, о которых мы расскажем в этой статье.
Какие зеленые шины?
Экологические шины, находящиеся в стадии строительства, практически не отличаются от обычных неэкологичных шин, за исключением того, что в экологичной конструкции шин используются композитные материалы вместо стали, а сами шины имеют другую форму протектора, и она меньше. Сами зеленые шины основаны на уменьшении количества сжигаемого топлива, сопротивления качению и углекислого газа. Экономия на расходе топлива может достигать около 0,2 л / 100 км. Кроме того, экологичная шина примерно на 20% легче своего неэкологичного аналога.
Начало экологичной шины
На протяжении многих лет в гонке участвовали производители, которые сделают шины лучше. Производство шин основано на сцеплении с дорогой, поэтому нам нужны топливный индекс и шум, когда шина не прилипает к дороге. Сама адгезия шин связана с явлением гистерезиса, то есть с зависимостью деформации твердого тела от напряжения. До 1992 года шины с хорошей адгезией характеризовались высоким гистерезисом и высоким сопротивлением качению, шины с низким сцеплением характеризовались низким гистерезисом и низким сопротивлением качению. Когда Michelin разработала шину Energy, оптимизировав ее с точки зрения сцепления с дорогой, сопротивления качению и гистерезиса, она немного запуталась на рынке шин. Новая шина Michelin был разработан на кремнеземе, а не на саже, улучшая вязкоупругие свойства резины и снижая сопротивление качению. Эту шину можно назвать первой экологичной шиной.
Недостатки экологичных шин
Несмотря на пониженное сопротивление качению и расход топлива, экологичные шины также имеют недостатки. Основным недостатком экологичных шин является их плохое сцепление, которое при цене покупки, часто сопоставимой даже с шинами премиум-класса, не должно иметь места. Поэтому экологичные шины для сильных автомобилей не рекомендуются, поскольку сцепление с дорогой является наиболее важным фактором, отвечающим за безопасность дорожного движения. Кроме того, из-за сопротивления качению экологичный протектор шины является более мелким, чем протектор обычной шины, что также приводит к сокращению срока службы такой шины. Мы также должны помнить, что, если мы хотим, чтобы экономия была значительной, мы должны позаботиться о правильном давлении в шинах и попытаться вести экологически безопасное вождение. Если вы любите ездить быстро и хотите быть экологичными, эти две вещи не идут рука об руку.
Итоги
Отвечая на вопрос в названии - экологичные шины - это будущее, но это далекое будущее. Учитывая стоимость покупки такой шины и ее свойства, только небольшая часть потребителей решит купить ее. Для кого предназначены экологичные шины? Перед покупкой стоит подумать, имеет ли смысл покупать такие шины. Основным преимуществом является снижение сопротивления качению и снижение расхода топлива, однако мы не будем чувствовать экономию, когда мы также не экономим. Из-за уменьшенного протектора и других резиновых смесей они не подходят для высоких скоростей, и сцепление находится на более низком уровне. В конце концов, вы можете купить экологичные шины, если вы едете плавно и преодолеваете большие расстояния, тогда дополнительная плата за экологичные шины должна окупиться.
Загрязнения, вызванные износом шин и тормозных колодок, могут быть в тысячу раз хуже, чем выбросы из выхлопных труб автомобилей. Такие выводы получены из отчета британского исследовательского института Emission Analytics.
Ученые предупреждают о загрязнении, которое возникает при износе шин. По мнению британцев, пыль от смесей шин и абразивных компонентов тормозных систем представляет гораздо большую угрозу для здоровья человека, чем вещества, выделяемые из выхлопных газов автомобилей. Что еще хуже, эксперты настораживают, что никто никогда не занимался этой проблемой всерьез.
Электричество и внедорожники наименее экологичны
Что еще хуже, ситуация усугубляется растущей популярностью больших, тяжелых внедорожников и, как ни парадоксально, растущей продажей . электромобилей. Почему? Зеленые электромобили могут способствовать их более высокой эмиссии, чем в случае транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, потому что они тяжелее их, и они ускоряются быстрее, что ускоряет износ шин. Шина легкового автомобиля среднего размера теряет даже более килограмма веса в течение всей своей эксплуатации, а ее остатки в виде пыли попадают в атмосферу.
Emission Analytics провела предварительные испытания износа шин в семейном хэтчбеке на совершенно новых, правильно накачанных шинах. Оказалось, что автомобиль выбрасывал 5,8 грамма вредных частиц от выбросов без выбросов выхлопных газов на километр. Та же машина выбрасывала 4,5 миллиграмма на километр частиц в выхлопе. Это означает, что нерегулируемый выброс вредной пыли от шин в этом случае был более чем в тысячу раз выше, чем у выхлопных газов!
Британские эксперты подчеркнули, что различия могут быть намного выше, если автомобиль использует шины более низкого класса со слишком низким давлением воздуха.
Что это значит Исследовательская организация предлагает нам сосредоточиться не только на том, что они излучают из выхлопных труб, но и на их весе, поскольку это оказывает колоссальное влияние на количество выбрасываемой пыли.
Читайте также: