Jeď dál, kolo. Jaká fyzika se skrývá v pneumatice auta

Hlučnost pneumatik je důležitou vlastností, kterou mnoho motoristů bere v úvahu při nákupu nových pneumatik. Ne nadarmo je na evropských štítcích uvedena úroveň vnějšího hluku vytvářeného pneumatikami automobilů. Na této vlastnosti přímo závisí nejen jízdní komfort, ale také bezpečnost silničního provozu. Faktem je, že během dlouhých cest má neustálý monotónní hluk kol negativní dopad na pohodu řidiče. Neustálé hučení pneumatik může způsobit předčasnou únavu, což má za následek sníženou bdělost a koncentraci. To zvyšuje pravděpodobnost dopravních nehod. Navíc kvůli silnému hluku kol nemusí řidič slyšet zvukový signál vydávaný jiným vozidlem. To také ztěžuje komunikaci s cestujícími během cesty. Abyste se těmto a dalším problémům vyhnuli, měli byste při nákupu pneumatik věnovat pozornost hlučnosti pneumatik.

Které pneumatiky lze považovat za tiché?

Jakékoliv pneumatiky, i ty nejkvalitnější a nejdražší, budou při jízdě nevyhnutelně vydávat hluk. Vyrábět zcela tiché pneumatiky je z objektivních důvodů prakticky nemožné. Hladinu hluku lze ale snížit různými způsoby, které se mohou mezi výrobci výrazně lišit. Naprostá většina automobilových pneumatik má hlučnost v rozmezí 68-73 dB. Tento ukazatel měří výrobce během silničních testů, které každý model pneumatiky podstupuje před vstupem na trh.

Jak ukazuje praxe, komfortní hodnoty vnějšího hluku vytvářeného pneumatikami jsou 69-70 dB a nižší. Tato hladina hluku je zpravidla typická pro nízkohlučné prémiové a střední pneumatiky. Levné pneumatiky jsou často hlučnější – až 72–73 dB. Není to však pravidlem, protože v mnoha testech pneumatik prováděných různými automobilovými časopisy pneumatiky ekonomické třídy často vykazovaly nejlepší výsledky v testech akustického komfortu.

Technologie používané ke snížení hluku pneumatik

Mnoho výrobců pneumatik používá různé technologie ke snížení hluku pneumatik. Jejich obecným významem je ve většině případů použití speciálních materiálů pohlcujících hluk, které jsou upevněny na vnitřních plochách. K tomuto účelu se často používá pěnový polyuretan nebo podobné materiály. Různé značky mají pro tyto technologie svá jména, pojďme se na ně podívat podrobněji.

Continental ContiSilent

Použití této technologie v pneumatikách Continental snižuje hladinu vnějšího hluku o téměř 9 dB ve srovnání s referenčními pneumatikami. Skutečná hodnota závisí na mnoha faktorech: okolní teplotě, vlastnostech vozidla, typu povrchu vozovky atd.

Michelin Acoustic

Jak ukazují testy, hladina hluku v interiéru vozu se může v závislosti na řadě faktorů lišit od 66 do 77 dB. Technologie Michelin Acoustic umožňuje snížit tento ukazatel o 3-8 dB bez poškození přilnavosti, spotřeby paliva a dalších vlastností pneumatik. Tato technologie je použita v mnoha modelech pneumatik Michelin homologovaných pro prémiové vozy. V původní výbavě Mercedes-Benz třídy S jsou například pneumatiky Pilot Sport 3, které využívají speciální vrstvu pohlcující hluk.

Systém Kumho K-Silent

Technologie K-Silent, patentovaná korejskou společností Kumho, je implementována na stejném principu jako podobná řešení od Continentalu a Michelinu, popsaná výše. Speciální vrstva nalepená na vnitřním povrchu pneumatiky umožňuje absorbovat vibrace vytvářené prouděním vzduchu uvnitř pneumatik, čímž snižuje amplitudu rezonancí. Testy ukazují, že použití této technologie může snížit amplitudu kolísání hluku o 4,5 dB. Protože každých 10 dB odpovídá téměř dvojnásobné změně hlasitosti (v důsledku logaritmické závislosti), pokles hluku o 4,5 dB odpovídá zvýšení akustického komfortu přibližně o 8 %.

Dunlop Noise Shield

Tato technologie je aktivně využívána v prémiových tichých pneumatikách Dunlop. Tyto pneumatiky využívají hluk pohlcující vrstvu o určité tloušťce, která snižuje hlučnost kol při jízdě vysokou rychlostí. Podle výsledků výzkumu provedeného specialisty Dunlop pomáhá použití této technologie snížit hlučnost kol o téměř 4 dB.

Goodyear Excelence

Na rozdíl od předchozích technologií tento vývoj spočívá v optimalizaci dezénu běhounu. Pneumatiky využívající systém Goodyear Excellence mají speciální tvar a uspořádání ramenních bloků, což pomáhá předcházet silným rezonancím při odvalování kol.

Technologie Toyo Silent

Japonská společnost Toyo vyřešila problém hlučnosti pneumatik poměrně specifickým způsobem. Zatímco většina ostatních technologií zahrnuje pouze použití porézních materiálů pohlcujících hluk ve formě pásů, tiché pneumatiky Toyo využívají speciální válcové prvky upevněné uvnitř pneumatik v určité vzdálenosti od sebe. Tvoří zvlněný povrch, který snižuje vibrace a přesměrovává proudění vzduchu. Zároveň je amplituda hluku ve frekvenčním rozsahu 200-250 Hz snížena o téměř 12 dB, což je jeden z nejlepších výsledků mezi všemi existujícími technologiemi pro výrobu tichých pneumatik.

Lze nízkohlučné pneumatiky pro elektromobily používat v běžných autech?

Pneumatiky navržené speciálně pro vozidla EV a odpovídajícím způsobem označené na bočnicích jsou standardně nízkohlučné. Jejich hlučnost je jedním z primárních parametrů, na který je při jejich vývoji kladen důraz. Většina modelů pneumatik pro EV má hlučnost maximálně 68-70 dB, zatímco nejtišší modely mohou dosáhnout až 67 dB.

Některé modely těchto pneumatik jsou vysoce specializované a jsou vyvinuty výhradně pro elektromobily. Další úpravy mohou být kompatibilní s jakýmkoli typem osobního vozu – jak elektrickým, tak se spalovacím motorem nebo hybridním motorem. Pneumatiky pro elektromobily mají totiž speciální design se zvýšenou tuhostí. To je nezbytné, aby pneumatiky vydržely vysoký točivý moment, který je při zachování všech ostatních podmínek mnohem vyšší u elektromotorů než u benzínových nebo naftových motorů. Z tohoto důvodu jsou pneumatiky pro elektromobily při zrychlování vystaveny zvýšenému namáhání, protože elektromobily výrazně převyšují klasická auta, pokud jde o dynamiku zrychlení. Pokud takovou gumu použijete v běžném autě, projeví se zvýšená tuhost pozitivně i negativně.

Pozitivním efektem je, že díky tužší konstrukci si takové pneumatiky vedou lépe při dynamickém manévrování a sportovní jízdě. Kromě toho mají takové pneumatiky mimořádně nízké koeficienty valivého odporu, což je důležité pro zvýšení dojezdu elektromobilů. Negativním efektem je, že zvýšená tuhost pneumatik umožňuje řidiči zřetelněji cítit povrch vozovky při jízdě na nerovném povrchu.

Kompatibilita pneumatik pro EV s vozidly vybavenými spalovacími motory je prakticky neomezená. Pokud takové pneumatiky vyhovují rozměrům, rychlostním a nosným indexům, lze je bez obav použít v benzínovém nebo naftovém autě. Abyste si byli zcela jisti, že konkrétní model pneumatik s označením EV bude pasovat na konkrétní vůz, měli byste si tyto informace ověřit u výrobce nebo se při nákupu pneumatik poradit s manažery našeho internetového obchodu BS-tyres.ru.

Automobilová pneumatika je i přes svou zdánlivou jednoduchost produktem vyspělé technologie. Už jsme mluvili o tom, co je to pro chemiky a jak se vyvíjely technologie výroby materiálu na pneumatiky. Tentokrát se společně s Toyo Tires podíváme do fyziky a na to, jak důležité jsou takové zdánlivě malé detaily, jako je vzorek běhounu.

Každé kolo, ať už je to kufrové nebo plošinové pro přepravu vesmírné rakety na místo startu, má několik požadavků. Za prvé, musí vydržet zatížení a v různých směrech. Za druhé, musí mít dostatečnou kontaktní plochu s podpěrou. Konečně by neměl ztratit přilnavost k povrchu a při všech výše uvedených požadavcích mít velikost přiměřenou jeho funkci.

Seznam požadavků na pneumatiky pro automobily je ještě delší. Pneumatika také musí ztrácet co nejméně energie v důsledku valivého tření a udržovat trakci nejen při manévrech, ale i při jízdě na sněhu, ledu a kalužích. Správná konstrukce pneumatiky šetří několik procent paliva díky nižšímu valivého tření.

Je tu ještě jeden bod. Hladina hluku generovaného automobily je ve většině zemí regulována, přičemž pro hluk z pneumatik jsou stanoveny samostatné limity. Při vysoké rychlosti je hlavní hluk automobilu produkován pneumatikami, nikoli motorem, a hluk stejného automobilu při stejné rychlosti v různých „botách“ se může lišit o desítky decibelů.

GOST R 2005-41.51, který je v Rusku v platnosti od roku 2004, uvádí, že osobní automobil by neměl vytvářet hluk silnější než 74 decibelů. A samostatná norma, GOST R 52800-2007, předepisuje metodiku pro přesné měření hluku „pneumatik“ při jízdě s vypnutým motorem.

Hluk

72 decibelů je maximum pro pneumatiky podle evropských norem. Tento hluk odpovídá hlasitému rozhovoru dvou lidí, i když v minulosti byly pneumatiky ještě hlučnější: v 90. letech se setkávaly s hodnotami od 75 do 80 decibelů, tedy na úrovni křiku nebo vysavače zapnutého na plný výkon.

Dnes typická tichá pneumatika generuje asi 70 decibelů hluku. Navíc rozdíl mezi 72 a 70 decibely ve skutečnosti není tři procenta, ale 1,26 násobek, pokud se počítá na základě velikosti akustického tlaku: stupnice decibelů není lineární, ale logaritmická a je navržena tak, že rozdíl 20 decibelů vyjadřuje desetinásobný rozdíl v akustickém tlaku.

Rozdíl mezi běžným tichým autobusem a autobusem s maximální povolenou hlasitostí je tedy stejný jako rozdíl mezi pouhým hlasitým mluvením a křikem.

Aby byla dálnice za oknem méně hlučná, můžete buď omezit tok aut, nebo jim jednoduše „vyměnit pneumatiky“: instalací 70decibelových pneumatik na všechna vozidla dosáhnete stejného efektu, jako byste snížili průtok o čtvrtinu. A to bez jakéhokoli poškození ovladatelnosti vozu, spotřeby paliva, rychlosti nebo dokonce dalších nákladů – tiché pneumatiky často stojí stejně.

Výzkum provedený na začátku 21. století ukázal, že hladinu hluku lze snížit, aniž by došlo ke ztrátě jakýchkoli dalších kvalit, aniž by byli majitelé automobilů nuceni přeplácet tiché pneumatiky.

Abyste pochopili, co dělá tichou pneumatiku tichou, musíte nejprve pochopit, odkud hluk pochází.

Povrch kola běžného automobilu (nikoli závodního nebo bažinatého vozidla) má charakteristický vzor tenkých drážek v pryžové vrstvě: tyto drážky jsou potřebné k odvádění vody zpod kol automobilu jedoucího na mokré vozovce.

Drážky zabraňují tvorbě souvislého vodního filmu pod kolem a tím zabraňují aquaplaning: efekt, při kterém kolo ztratí kontakt s vozovkou a začne klouzat. Drážky jsou navrženy tak, aby pomáhaly kolům odhazovat vodu, takže jejich vzorek často připomíná rybí kost nebo řadu šikmých čar.

Kromě poměrně širokých drážek má každá moderní pneumatika také lamely – tenké štěrbiny, které nejsou tak účinné při odvádění vody, ale hrají důležitou roli při zajišťování mechanických vlastností pryže. Správně střižená guma se lépe ohýbá a přilne k povrchu účinněji než pevný běhoun.

Při jízdě na suché vozovce však drážky a v menší míře i lamely vytlačují zpod kola vzduch, nikoli vodu, čímž vzniká charakteristický hluk. U nejjednoduššího dezénu se stejnou vzdáleností mezi lamelami a drážkami dochází k hladkému hučení, jehož frekvence je dána periodicitou dezénu a rychlostí pohybu.

Vzhledem k tomu, že se nelze zbavit drážek a lamel, návrháři se uchýlí k jiným trikům. Například všechny výstupky a prohlubně na běhounu jsou umístěny v různých vzdálenostech od sebe a pak se monotónní hukot stává méně nepříjemným a tišším: pneumatika vytváří stejné množství vzduchových vibrací, ale ty znějí na různých frekvencích a stejná energie se šíří napříč spektrem.

Dezén na pneumatikách ale není jediným důvodem hluku. Samotná pneumatika, což je toroidní komora naplněná vzduchem pod tlakem, je vynikajícím rezonátorem. I to přispívá k hluku: pro názornost si můžeme vzpomenout na kytaru, kde zdroj zvuku, struny, jsou upevněny na dutém těle. A s pneumatikou je to ještě horší než s kytarou, protože uvnitř rotující komory jsou proudy vzduchu, které našemu kolu přidávají objem.

Tento hluk – a to mluvíme o technologii, která je doslova na špici výroby pneumatik, zatím není v sériové výrobě – lze potlačit speciální strukturou síťoviny uvnitř duše. Za prvé snižuje rychlost proudění vzduchu uvnitř kola a za druhé snižuje jakostní faktor rezonátoru. Ve fyzice oscilací je činitel jakosti měřítkem toho, jak pomalu oscilace v systému doznívají, a čím vyšší je činitel jakosti duté komory, tím menší je rozpad zvuku a tím bude rezonanční.

Boj o snížení hluku však podle historických měřítek začal nedávno. V roce 2001 museli vědci podrobně analyzovat mylné představy o zdrojích hluku z motorových vozidel a dokázat, že hluk nevydává ani tak motor, ale pneumatiky: k tomu museli provést mnoho experimentů s automobily, které projížděly kolem stojanů s mikrofony s vypnutým motorem.

Problém pevnosti a stability však znepokojuje konstruktéry od okamžiku, kdy v 1890. letech XNUMX. století začali vyrábět kola s nafukovací komorou a pryžovou pneumatikou.

Spravovatelnost

Drážky a lamely se často označují jako běhoun, ačkoli běhoun je ve skutečnosti část pneumatiky, která je v kontaktu s vozovkou a chrání duši před poškozením. Pneumatiky vozů Formule 1 (stejně jako druhé nejrychlejší závodní série IndyCar) postrádají takové reliéfní detaily, jsou zcela hladké, ale zároveň mají velmi působivý běhoun – guma „Formula“ je tlustší, protože běžná silniční pneumatika na kole auta, jehož řidiči při brzdění zažívají přetížení až 5 g, by praskla dlouho před první zastávkou v boxech.

Drážky zabraňují aquaplaningu, ale zároveň snižují kontaktní plochu kola s vozovkou. Koeficient kluzného tření – čím vyšší, tím lepší přilnavost k povrchu – je vyšší u hladké nebo hladké pneumatiky. V závodech na okruzích, kde guma nevydrží víc než pár set kilometrů, jsou ideální pneumatiky bez drážky (a za deště jezdí jezdci do boxů pro pneumatiky do deště se známým vzorkem), ale běžná auta potřebují kompromis mezi přilnavostí na suchu a přilnavostí v dešti.

Na mokré vozovce klesá koeficient tření slicku téměř desetinásobně, z 0,9 na 0,1 – a proto jezdci, u kterých se neočekává tým mechaniků za rohem, by raději měli pneumatiky jen o málo horší na suchém asfaltu, ale za deště mnohonásobně lepší. Běžná pneumatika má koeficient tření 0,4 na mokrém povrchu a 0,7 na suchém povrchu. Tyto údaje jsou však zcela přibližné, protože i asfalt na různých silnicích se může výrazně lišit.

V našich zeměpisných šířkách se situace neomezuje jen na déšť: silnice jsou často pokryté sněhem a ledem. Zimní pneumatika proto může mít kromě lamel a drážek i výstupky. To výrazně zvětšuje jeho objem, zvyšuje spotřebu paliva a snižuje ovladatelnost vozu na suché vozovce – zvyšuje ji však při jízdě na sněhu.

Drážky na zimních pneumatikách jsou znatelně širší a nejsou určeny ani tak k odvádění vody zpod pneumatiky, ale k utužování sněhu a jeho přilnavosti – žebrované kolo odvalující se na sněhu funguje jako ozubené kolo pohybující se na ozubeném hřebenu.

Traktorová a terénní kola jdou ještě dále a zpravidla se zcela zbavují drážek: místo toho je široká pneumatika obklopena žebry, která dokážou zachytit i lepkavou půdu. Na dálnici se vybavení osazené takovými koly bude cítit dost nepohodlně, ale tahače a lomové sklápěče problém aquaplaningu, nadměrného hluku a ztrát odporem vzduchu při rychlé jízdě neznají.

Pneumatiky s kovovými hroty stojí od sebe – poskytují nejlepší přilnavost na ledu, ale jsou také hlučnější a méně hospodárné. Hlučnost z nich je obvykle o několik decibelů vyšší než u běžných pneumatik, ale zároveň se zvyšuje koeficient kluzného tření na ledu z typických 0,15 pro běžné pneumatiky na 0,2.

Nelze však hovořit o přesných číslech – například „takové a takové řešení zkracuje brzdnou dráhu o 45,5 procenta“. Různá auta mají různé brzdy, liší se hmotností a často brzdění, které začíná na sněhové ploše, může pokračovat na ledu a pak přejít do rozbředlého sněhu – zde neexistují žádná přesná měření. A různí jsou i řidiči – někteří prošli extrémní autoškolou v zimě, jiní dostali řidičák teprve včera a trénovali v úplně jiném autě.

Nové pneumatiky jsou výsledkem jak složitého počítačového modelování (vypočítat pružnou karoserii složitého trojrozměrného tvaru je poměrně obtížné), tak testování, které bere v úvahu nejen přesné ukazatele, jako je délka brzdné dráhy, ale také subjektivní hodnocení testovacích jezdců. Dobré brzdění na sněhu by nemělo jít na úkor ovladatelnosti na suchém asfaltu, jinak bude jízda na opravdové zimní silnici obtížnější, nikoli snadnější.

Trvanlivost

Guma přes všechny technologické triky (včetně použití synchrotronu v konstrukci) špatně snáší tahové zatížení. Uvnitř pryžové pneumatiky je proto umístěn kord: tkanina, polymer nebo dokonce kovová základna, přičemž hmotnost této základny často převyšuje hmotnost pryže viditelné zvenčí.

Pro větší pevnost je šňůra vyrobena vícevrstvá. Orientace závitů určuje typ pneumatiky: radiální nebo šikmá. Předepjatá vložka je navinuta pod úhlem 45 stupňů a je obtížné přinutit vnější část pneumatiky, aby přitlačila na náboj; Radiální umožňuje vyrobit nízkoprofilovou pneumatiku, ale bočnice je zranitelnějším místem a výrobní proces radiálních pneumatik je poněkud komplikovanější.

Nízkoprofilové radiální pneumatiky poskytují větší kontaktní plochu a jsou tužší, hospodárnější a lehčí. Zvýšená tuhost však nejen snižuje deformační ztráty, ale také znatelněji přenáší rázy při jízdě po nerovnostech.

Ve Formuli 1 radiální pneumatiky nahradily diagonální pneumatiky již v 70. letech minulého století a dnes je následovaly všechny druhy osobní dopravy. Diagonální pneumatiky se nyní používají pouze tam, kde je důležitější větší odolnost proti bočnímu poškození (při nárazu do ostrého předmětu z boku) než tichost, hospodárnost a nízká hmotnost.

Například nákladní auto na dřevo se více zabývá terénními schopnostmi a odolností proti přejetí ostrých dřevěných třísek a pařezů než efektivním pohybem po dálnici. Navíc se taková pneumatika snáze vyrábí a následně opravuje.

Uvnitř moderní radiální pneumatiky není jen vícevrstvý kord, ale komplexní struktura: mezi hlavním rámem a běhounem je další vrstva polymerních vláken nebo ocelového drátu. Na boku je také umístěna další skořápka, aby se zabránilo tvorbě kýly (vyboulení vnitřních vrstev směrem ven) a poškození při nárazu na překážky.

Výkonná ochrana umožňuje plášti odolat i nárazu do ostrých předmětů a tenčí šňůra na bocích je výhodou nejen díky odlehčení celého kola. Tuhost pneumatiky navíc zlepšuje ovladatelnost při zatáčení, protože kolo by nemělo ztratit svůj tvar ani při výrazném bočním zatížení.

Odlehčení kola způsobené přechodem na radiální konstrukci by se nemělo podceňovat: energie tělesa v mechanice se skládá z kinetické energie pohybu těžiště (mV 2 /2), potenciální energie (zvyšuje se při stoupání do kopce, mgH) a rotační energie všech částí, které se mohou otáčet.

U auta jedoucího rychlostí asi 72 kilometrů za hodinu bude rotační energie pneumatik, vyjma ráfků, tvořit asi 10 procent celkové energie celého jedoucího auta – což znamená, že 10 procent energie motoru při akceleraci se spotřebuje na protáčení pneumatik. Lehké disky (tedy ne pevné) mají také částečně zlepšit dynamiku odstraněním plýtvání rotující hmoty.

Tenčí stěny radiální pneumatiky zajišťují lepší chlazení – a kolo se zahřívá neustálou deformací, stlačováním vzduchu uvnitř a prostě slunečními paprsky. Vzduch je plyn, který se při zahřátí rozpíná, nebo pokud nemá kam expandovat, zvyšuje tlak v komoře: za zvlášť nešťastných okolností může komora explodovat.

Samotný vzduch stlačený pod tlakem několika atmosfér (až 9, jde-li o nákladní automobil) je hrozbou, takže i výbuch pneumatiky na parkovišti nebo odděleně od auta není jen nečekaným třeskem, ale také nebezpečím vážného zranění nebo dokonce smrti blízkého člověka.

Při jízdě po dálnici jsou následky prasklé pneumatiky ještě patrnější – v lepším případě to znamená nouzový výjezd na kraj vozovky a dlouhou opravu.