Шины — это элемент, который может принести наибольшие улучшения (или ухудшения, в случае неправильного выбора) с точки зрения производительности. Пример: в условиях влажной погоды правильное давление в шинах может дать выигрыш в десятые доли или даже секунду на круге по сравнению с конкурентами. Добиться такого же результата, воздействуя, скажем, на параметры настройки двигателя или карбюратора, практически невозможно!
Коэффициент сцепления
Шины преобразуют усилия, исходящие от двигателя, тормозов и рулевого управления, в ускорение и замедление карта, обмениваясь продольными и поперечными силами через контакт с асфальтом. Продольные силы позволяют карту ускоряться и тормозить, а поперечные (или боковые) — поворачивать направо и налево. Но как измерить эти силы? Через коэффициент сцепления, называемый "держаком" ("grip") в повседневной речи, который является основным фактором, регулирующим взаимодействие между шиной и асфальтом. Коэффициент сцепления — это не что иное, как отношение вертикальной нагрузки, действующей на шину, к сумме касательных сил (боковых и продольных), создаваемых в контакте с поверхностью.
Для лучшего понимания концепции сцепления представим себе объект, который скользит по поверхности. Отношение между силой, необходимой для сдвига объекта, и силой, действующей на него перпендикулярно (из-за его веса), называется коэффициентом сцепления. Для большинства объектов коэффициент может быть максимум равен 1, что означает, что для перемещения объекта весом 1 кг требуется усилие, равное 1 кг (примерно 10 ньютонов). Это также касается дорожных шин, которые устанавливаются на серийные автомобили. Однако гоночные шины, такие как картинговые, могут увеличивать коэффициент сцепления, достигая значений выше 1, даже без аэродинамических сил (которые увеличили бы вертикальную нагрузку). Некоторые гоночные шины могут достигать коэффициентов сцепления выше 2. Это связано с тем, что состав протектора действует как клей, вводя химические связи с асфальтом и создавая эффект, похожий на микро-зубчатку. Частицы протектора проникают в микронеровности трассы и закрепляются в них благодаря свойству гистерезиса резины.
Изменчивость сцепления
Мы говорим не о функциональной характеристике шин, а о дополнительном элементе, связанном с трассой и ее состоянием, который, однако, напрямую влияет на шины. Одно из типичных явлений в картинге (и в автоспорте в целом) — это изменчивость сцепления в течение дня, один из самых сложных и наименее предсказуемых аспектов настройки карта. Всем знакома ситуация, когда рано утром трудно найти правильное сцепление, поздним утром сцепление становится оптимальным, а затем к полудню появляется избыток сцепления, особенно на оптимальных траекториях.
Когда на трассе накапливается много резины, происходит высокий химический зацеп между шинами и асфальтом за счет молекул резины, и эта реакция протекает сильнее при повышении температуры. Кроме того, двухтактные двигатели гоночных картов постоянно выбрасывают несгоревшее масло и бензин на трассу, которые взаимодействуют с отложившейся резиной, химически превращая ее в гладкий, однородный, мягкий и липкий слой.
Во время вращения колеса протектор легко прилипает к этому слою резины, который образуется на трассе, и для того чтобы снова отделиться от него и продолжать катиться, требуется определенное усилие. В этом случае сцепление становится чрезмерным, что приводит к торможению карта. Чрезмерное сцепление может ухудшить эффективность карта, прикрепляя его на трассе и снижая мощность двигателя. В этом случае цель заключается не в увеличении сцепления, а в его ограничении до необходимого минимума, достигая лучшего баланса между сцеплением и плавностью движения. Если согласно правилам невозможно заменить шины на более жесткий состав, тогда необходимо вмешаться в настройку шасси, чтобы карт больше скользил: изменить ось, высоту рамы, стабилизаторы и/или другие возможные параметры шасси.
Деформация и предел сцепления
Как описано в определении коэффициента сцепления, чем выше вертикальная нагрузка на шину, тем больше будет увеличиваться сцепление. Но существует предел, после которого шина, подвергнутая дальнейшему сжатию, не увеличивает степень сцепления, а, напротив, испытывает снижение своего коэффициента сцепления. Это происходит более или менее резко в зависимости от состава резины. Это связано с тем, что молекулярные цепи, созданные при контакте резины с асфальтом, разрушаются.
Вертикальная нагрузка, которой подвергается шина, не является постоянной величиной, а непрерывно изменяется в зависимости от массы карта и пилота, высоты центра тяжести, колесной базы, ширины колеи и, следовательно, переноса нагрузки между задней и передней осями (при торможении и ускорении), а также между колесами оси (при прохождении поворотов). Шина также подвергается дополнительной деформации из-за центробежных сил и угла заноса при поворотах.
При прямой деформации не особенно важны и в основном связаны с соотношением между нагрузкой и центробежной силой. Центробежная сила действует преимущественно на протектор задних колес, которые имеют большее соотношение между высотой и шириной. Это приводит к небольшому увеличению окружности, аналогичному тому, что происходит при увеличении давления в шинах. В результате изменяется передаточное число двигателя, хотя и незначительно.
Более заметны деформации, которые происходят на поворотах. Они бывают разных типов и могут происходить одновременно:
[A] Первый тип деформации возникает из-за реакции между трением с дорожным покрытием и боковой нагрузкой, которая создается центробежной силой, а также переносом нагрузки, и приводит к изменению опорной поверхности шины на дорожном покрытии.
[B] Второй тип деформации — это кручение между осью шины и областью протектора, контактирующей с трассой. Величина этой деформации называется углом увода колеса.
Функция пружины и амортизатора в шине
Помимо боковых деформаций (как уже было описано), шина также подвергается вертикальному сжатию боковины, что происходит из-за того, что резина поглощает неровности трассы. В этом случае боковина резины выполняет роль как пружины, так и амортизатора, то есть она компенсирует изменения высоты, одновременно гася вертикальные колебательные движения. Именно поэтому, по сравнению с шинами спортивных автомобилей, боковина шин для картов значительно выше по отношению к общему диаметру шины. Если бы шина не выполняла эту функцию, управлять картом было бы невозможно, так как он был бы слишком неустойчивым.
При прохождении поворотов концепция шины как пружины-амортизатора становится очень важной, потому что небольшая неровность может привести к потере правильного контакта шины с дорогой даже на сотую долю секунды, а также к снижению нагрузки на опорное колесо, что приведет к резкому снижению сцепления. Если шина поглощает эту неровность, не произойдет потери давления или отрыва от поверхности, и сцепление останется стабильным.
Рабочая температура
Шины очень чувствительны к температуре. Это напрямую влияет как на жесткость шины, так и на коэффициент сцепления. Чем выше температура, тем мягче становится шина, что приводит к большей гибкости как каркаса, так и протектора. С увеличением температуры также увеличивается коэффициент сцепления, а следовательно, и держак на трассе по химическим и механическим причинам. Нагрев шины обусловлен температурой окружающей среды, скольжением протектора по асфальту и деформациями внутри каркаса. Если температура воздуха и трассы низкая, они также будут охлаждать шину при контакте с ней, что усложнит достижение оптимальной рабочей температуры.
С другой стороны, если трасса и воздух слишком горячие, это не позволит шине остыть, и неспособность поддерживать нужную температуру легко приведет к перегреву. Деформации происходят во время качения и поворотов, что приводит к трению между молекулами из-за относительных движений, происходящих по всему каркасу, тем самым увеличивая температуру.
Износ шин
Износ шин зависит от определенных параметров, которые влияют на силы, действующие на шину, и, в частности, на протектор. Эти параметры зависят от "внешних" факторов, таких как:
- Конфигурация трассы и стиль вождения пилота, которые влияют на уровни ускорения и, соответственно, на нагрузки, которым подвергается шина.
- Тип асфальта и его микронеровности, которые определяют уровень абразивного воздействия на протектор. Также на характеристики взаимодействия между составом протектора и асфальтом влияют погодные условия, в частности, температура и влажность.
- Настройка карта, которая напрямую влияет на силы, действующие на шину, в особенности вес, характерные углы колес и жесткость шасси.
Параметры шин, определяющие износ:
- Жесткость каркаса.
- Размер шины.
- Характеристики состава протектора.
Но как именно происходит износ? Механизмы износа составов чрезвычайно сложны. Если рассматривать их с точки зрения механики вращающейся шины, можно сказать, что износ связан с циклическим изменением вертикального давления на асфальт (которое воздействует на отпечаток протектора) и с небольшими проскальзываниями между протектором и поверхностью трассы, даже когда шина свободно вращается (например, при движении по прямой). Кроме того, применение тяговых и тормозных моментов, а также боковых сил, добавляет дополнительное продольное и поперечное скольжение к выходу из отпечатка, что приводит к дополнительному износу.
Чтобы понять, как износ шин зависит от циклического изменения вертикального давления контакта с асфальтом и небольшого скольжения, происходящего между протектором и поверхностью асфальта, представим себе участок протектора, который соприкасается с асфальтом, на который постепенно оказывается увеличивающаяся вертикальная сила. Шина сжимается, и, чтобы сохранить свой объем, расширяется.
[A] Если коэффициент трения очень высок, происходит деформация в виде бочки, и вертикальное давление будет выше в центре контактной поверхности и ниже по краям.
[B] Если же коэффициент трения (часто обозначаемый греческой буквой μ) падает до нормальных значений (например, близких к μ=1), в какой-то момент контактные области ближе к краям начинают скользить наружу, и только центральная часть остается прикрепленной к земле. После определенного количества циклов приложения вертикальной силы, именно из-за этого скольжения, контактная поверхность начинает истираться и изнашиваться по краям.
Подобное явление происходит во время качения. Если посмотреть на шину сбоку, то можно увидеть область сцепления в передней части, где контактное давление выше, и область скольжения ближе к задней части.
Если, помимо вертикальной силы, мы приложим небольшое поперечное смещение снаружи, возникает асимметрия с большим износом на краю, противоположном направлению смещения. Если поперечное смещение становится достаточно сильным, вся контактная поверхность начинает скользить, и в этот раз больше всего изнашивается край, где контактное давление самое высокое.
Для проверки состояния износа шины каждый производитель размещает [A] индикатор износа. Это позволяет быстро определить, сколько протектора осталось на шине.
Давление в шинах
После того как выбраны марка шины и тип состава, давление — единственный параметр, на который можно воздействовать. Во-первых, давление легко измерить и контролировать, в отличие, например, от углов колес, для которых требуются специальные инструменты и определенная сноровка. Регулировка давления направлена на то, чтобы шина работала в пределах оптимального диапазона давления, рекомендованного производителем шин, который определяет его после многочисленных тестов на трассе. Выбор начального давления также зависит от температуры окружающей среды. Например, в жаркий день можно начать с минимального давления, рекомендованного производителем, которое обычно составляет около 0,4-0,45 бар, чтобы затем проверить достигнутое значение. В принципе, можно применять максимальную разницу в накачке 10% между передними и задними шинами. Даже более медленный или быстрый круг на трассе может изменить внутреннее давление шины, радикально изменяя условия работы. Например, одного круга за особенно медленным пилотом достаточно, чтобы снизить температуру (и, следовательно, давление) до такой степени, что при обгоне можно потерять сцепление на следующем повороте. На трассах (в зависимости от того, по часовой или против часовой стрелки они идут) всегда преобладают повороты в одну сторону, что приводит к большей нагрузке и деформации с одной стороны. Это автоматически приведет к повышению температуры и, следовательно, давления, что следует учитывать при начальной настройке. Поэтому шины на нагруженной стороне требуют немного более низкого начального давления.
Как обращаться с шинами. Советы
Давайте поговорим как сделать так, чтобы комплект шин служил как можно дольше, при этом всегда обеспечивая максимальную производительность.
Обкатка
Для сухих сликов обкатка не требуется. Достаточно одного круга, чтобы состав достиг максимальной производительности, при условии, что давление стабилизировалось на оптимальном уровне. Обкатка рекомендуется для дождевых шин, так как она помогает удалить тонкую жесткую пленку на поверхности протектора. Для правильной обкатки шин необходимо постепенно и равномерно нагреть их в течение пары кругов на 60-70% максимальной скорости. Затем следует проехать один-два круга на пределе возможностей (100%) и, наконец, несколько кругов для охлаждения на скорости 60-70%, после чего остановиться и дождаться полного охлаждения.
Очистка протектора
После тренировки или гонки лучше избегать езды по пыльным участкам или гравию. Дело в том, что теплый и мягкий протектор будет впитывать частицы, и после остывания шины будут уже не гладкими, а вмятыми. Для очистки шин не следует использовать какие-либо растворители, которые могут изменить состав шины (это, к тому же, запрещено правилами CIK FIA). Просто используйте мыло и воду или сделайте несколько кругов по трассе, чтобы шины очистились сами.
Как хранить шины
Их следует хранить, предпочтительно закрытыми в пластиковые пакеты и в сухом, прохладном месте. Оставление их на солнце, в жаре или слишком влажных местах приводит к быстрому ухудшению их характеристик. Поэтому никогда не оставляйте шины, даже спущенные, в машине, где температура летом может легко достигать более 50 градусов.
