До XIX века колеса вовсе не имели шин: с незапамятных времен на деревянное колесо надевали стальной обод (еще ранее — кожаный). Комфорту и сцеплению с дорогой это мало способствовало, но, по крайней мере, помогало защитить колесо от мелких повреждений.
Все изменил технологический прорыв, произошедший в 40-е годы XIX века. Тогда стартовала непрерывная гонка изобретений и патентов. Мы выбрали десять главных эпизодов в истории автомобильных шин — от изобретения резины до создания высокотехнологичных покрышек наших дней.
Американский изобретатель Чарльз Гудьир так верил в новые материалы, которые, по его задумке, должны были перевернуть всю мировую промышленность, что ради химических опытов распродал все личное имущество и влез в долги. Он был убежден, что из каучука, который содержится в соке тропических деревьев, можно изготовить принципиально новый материал — упругий и эластичный, не трескающийся со временем и не портящийся из-за перепадов температур, — который перевернет всю промышленность. Несколько лет неудачных экспериментов привели к тому, что он даже угодил под арест из-за долгов. Но это Гудьира не остановило: в 1844 году он патентует технологию вулканизации каучука.
Любопытно, что по другую сторону океана в ногу с Гудьиром шел другой изобретатель — англичанин Томас Ханкок. Его называют отцом британской резинотехнической промышленности. Ханкок получил свой патент в том же году и даже на несколько недель раньше Гудьира. Однако принято считать, что именно Гудьир первым пришел к своему изобретению. В его автобиографической книге говорится, что впервые технологию вулканизации он применил еще в 1839 году.
Так или иначе оба изобретателя пришли к единому решению. Каучук нагревают вместе с серой, и это меняет свойства материала: он становится эластичным и износостойким. Чтобы улучшить молекулярные соединения, в состав добавляют различные добавки, скажем, технический углерод (а попросту говоря, сажу), который и придает резине черный цвет. Этот базовый принцип приготовления резиновых смесей остался неизменным по сей день.
Конечно, нынешние резиновые смеси по своему составу гораздо сложнее прежних. В 30-е годы ХХ века был изобретен синтетический каучук, и по свойствам он оказался предпочтительнее натурального: без него высокоскоростных покрышек не существовало бы. Также в производстве стали использовать кремниевую кислоту, масла и смолы, вулканизационные активаторы и экологические наполнители. За счет различных сочетаний этих ингредиентов удалось создать множество моделей шин с принципиально разными свойствами: для зимних колес используют более мягкие составы, а для спортивных — те, что меньше разрушаются под нагрузками на высоких скоростях и при нагреве.
После получения патента Чарльз Гудьир тратит несколько лет на отладку технологии под промышленное производство. Уже после смерти Гудьира основанное им предприятие будет названо его именем. В XX веке шины Goodyear окажутся в числе самых массовых.
В том, что резина как материал имеет огромные перспективы, в конце XIX века были убеждены многие фирмы, но вот оптимальную конструкцию автомобильной шины удалось найти далеко не сразу. Пневматическая покрышка, запатентованная в 1846 году Робертом Уильямом Томсоном, в течение следующих 40 лет так и оставалась лишь проектом, который ни одно предприятие не запустило в производство. Долгое время промышленность выпускала только цельнорезиновые шины.
Патент даже успел затеряться… В 80-е годы XIX века никому не известный ирландский ветеринар сделал для трехколесного велосипеда своего десятилетнего сына удивительный «тюнинг»: отец прикрепил к деревянным колесам кольца из надутого резинового шланга. Ездить по булыжной мостовой стало гораздо приятнее! Этим заботливым отцом был Джон Бойд Данлоп. В историю он войдет не как ветеринар, а как еще один изобретатель пневматической шины, патент на которую он получит в 1888 году.
Любопытно, что позднее патент Данлопа аннулируют: формальным изобретателем надувной покрышки признают все же Роберта Томсона. Но именно Данлоп дал шине настоящую путевку в жизнь: в 1889 году на старт велогонки в Белфасте выходит первый велосипед с надувными шинами и выигрывает соревнование. С этого момента шины получают коммерческие перспективы. Основанная в том же году маленькая компания «Pneumatic Tyre and Booth's Cycle Agency» впоследствии превратится в одного из крупнейших производителей автомобильных покрышек в мире, ныне известного как Dunlop.
В те же годы громко о себе заявляет другая фирма, которой позже суждено стать еще одним гигантом шинной промышленности. Компания Michelin в 1891 году вводит в обиход важное усовершенствование: съемные шины. Дело в том, что все предыдущие разработки крепились к ободу с помощью клея, и это сильно затрудняло ремонт в случае повреждения.
Все вышеупомянутые факты касаются велосипедных шин. Первым же автомобилем с пневматическими покрышками стал в 1895 году Peugeot L'Eclair, получивший шины Michelin.
Гонка изобретений только начала набирать обороты. Нанятый Данлопом молодой инженер Чарльз Кингстон Уэлтч стал автором автомобильной камеры отдельной от покрышки. Привычную нам бескамерную шину изобретут на рубеже 20-х и 30-х годов XX века. Ее почти одновременно запатентуют несколько фирм в разных частях света. Английский патент на нее получит предприятие Killen Tire, в Америке патентную заявку подаст сотрудник BF Goodrich, в Африке обладателем патента станет одно из подразделений Goodyear.
Новый импульс эволюции колес придало развитие грузового автотранспорта. Перевозить товары нужно каждый день, независимо от погодных условий и времени года. В 30-е годы XX века автомобилей на европейских дорогах становится все больше, но сами дороги оставляют желать лучшего, особенно зимой. Для грузоперевозок, которые только-только начинают превращаться в серьезный бизнес, это огромная проблема.
Новые вызовы времени первым улавливает финское предприятие Suomen Gummitehdas Osakeyhtiö, ныне известное как Nokian. В 1934 году эта компания выводит на рынок грузовые шины специально для зимы.
Модель Kelirengas разительно отличалась от всех производимых тогда покрышек. Протектор получил сплошные поперечные блоки угловатой формы. Дороги чистили нерегулярно, и главная задача таких шин была в том, чтобы хорошо рыть глубокий снег.
Вскоре такие же шины захотели себе водители легковушек. Уже в 1936 году на рынок выходит первая Hakkapeliitta, на тот момент еще нешипованная. Шипы изобретут позднее. Впоследствии Nokian получит более 100 патентов на свои разработки в области зимних покрышек.
Адаптация колес под разные климатические условия и дорожные покрытия заставляют производителей экспериментировать с рисунком протектора. Так появляются шины с направленным стреловидным рисунком, который способствует более эффективному отводу воды или снежной каши из пятна контакта колеса с дорогой.
В первые полвека существования автомобильных шин считалось, что оптимальная конструкция «скелета» колеса — диагональная. То есть нити корда располагали под углом около 60 градусов к направлению вращения. Однако к сороковым годам скорости растут и выясняется, что упругость таких колес недостаточна: пятно контакта с дорогой имеет нестабильную форму, и покрышка обладает избыточным сопротивлением качению. Эксперименты с резиновой смесью тут не дают принципиального прорыва, и тогда инженеры берутся за каркас покрышки.
В 1946 году впервые налажен выпуск шин с радиальным каркасом — нити корда расположены под протектором поперечно направлению вращения (строго под 90 градусов). Это дает выигрыш по всем параметрам, включая ресурс, экономичность, способность эффективно разгоняться, переносить боковые перегрузки, и, разумеется, отлично тормозить. Первой такие шины стала выпускать французская марка Michelin, а ныне эта конструкция взята на вооружение всеми производителями автомобильных шин, и в классе легковых покрышек она полностью вытеснила прежний «скелет».
В 60-е годы на снежных и ледовых спецучастках ралли Монте-Карло случается сенсация: решающим фактором в гонках оказываются шины. Безоговорочными лидерами становятся гонщики, использующие шипованные покрышки. Впервые серийное производство таких шин началось в 1961 году с появления модели Kometa-Hakkapeliitta от Nokian.
Этому предшествовали годы экспериментов с различными накладками на колеса. Сама идея втыкать в протектор металлические «когти» существовала и раньше, но Nokian первой создала покрышку, протектор которой специально был рассчитан на вживление шипов из закаленной стали.
Никакое другое решение не работает на льду так, как шипы. Для стран с холодным климатом — таких как Финляндия, Россия, Канада — шипованная резина становится незаменимым вариантом для зимы. Примеру финской компании последуют все производители зимних шин.
В 70-е годы европейские власти вводят ограничения на использование шипов, из-за того, что те портят дорожное покрытие. Но это событие не стало неразрешимой проблемой для шинной промышленности, а, напротив, породило новые открытия. На рынок выходят принципиально новые зимние покрышки без шипов, которые в нашей стране получат прозвище «липучки».
Главная находка — это мелкие прорези в протекторе, называющиеся ламелями. Дело в том, что увеличивать мягкость резины для зимних шин можно лишь до определенных пределов, иначе колесо начинает попросту быстро разрушаться. А вот ламели делают блоки протектора более эластичными и цепкими, при этом позволяя использовать износостойкие смеси резины.
Борьба с проколами идет столько же времени, сколько существуют пневматические шины. Фирма Michelin еще в 1934 году представила покрышку, внутри которой содержался специальный пенистый наполнитель, позволявший колесу сохранять форму. «Пуленепробиваемые» колеса производили мелкосерийно для армейских нужд, но массового распространения такие решения не получили.
В дальнейшем шинники придут к выводу, что самый эффективный вариант — это укреплять борта покрышки. Первая серийная автомобильная шина, не боящаяся проколов, появилась в 1972 году. На следующий год автопром взял ее на вооружение: такие колеса в качестве опции предложили покупателям английских седанов Rover P6, а вскоре и хэтчбеков Mini. Первой эту чудо-резину стала производить фирма Dunlop.
«Запасное колесо больше не потребуется, и в багажнике остается больше свободного места», — написала в мае 1973 года газета Scottish Evening Times. Благодаря усиленным боковинам и дополнительным мягким вставкам в толще протектора при потере внутреннего давления колесо не проседало полностью и не соскакивало с диска. В таком состоянии можно было продолжать ехать со скоростью до 80 км/ч на расстояние до 160 км (отличный показатель даже по нынешним временам).
Впоследствии аналогичные модели покрышек станут выпускать и другие марки, а в наши дни некоторые автопроизводители (например, BMW) предпочитают комплектовать свои машины только подобной резиной run-flat, все чаще отказываясь не только от запасного колеса, но и от «докатки».
Каждая фирма стремится найти свой «совершенный шип». Ради того, чтобы шипы меньше вылетали в ходе эксплуатации, производители стали применять посадку шипов на клей, а также «якорную посадку»: такой шип сидит в шине, грубо говоря, как гвоздь, только шляпкой внутрь. Для снижения шума некоторые производители делают «подпружиненные» шипы: внутри протектора шип опирается на специальную эластичную подушку. Такие шипы дольше служат, да и вред дорожному полотну наносят меньше.
В XXI веке инженеры берутся за усовершенствование «острия» шипа — чтобы он лучше цеплялся за скользкую поверхность. В этой области новое слово было сказано в 2003 году, когда на рынок вышла модель Nokian Hakkapeliitta 4 — первая в истории шина с некруглым шипом.
Инженеры рассчитали, что квадратные шипы более эффективно справляются с нагрузкой как при разгонах и торможениях, так и в поворотах. Выяснилось, что одно лишь это решение улучшило сцепление с дорогой на 8% в сравнении с предыдущей моделью покрышек. Идею быстро подхватили другие марки, и сейчас на рынке встречаются самые разные многоугольники на острие шипа, которые, как утверждается, работают еще лучше.
Нынешние карьерные самосвалы по своим габаритам превышают 20 м в длину и 8 м в высоту. Именно для них в 2001 году начали выпускать покрышки Bridgestone 59/ 80 R63 V-Steel E-Lug S, высота которых составляет 4,02 метра. Аналогичные по размерам покрышки появились также у марок Michelin и Titan.
Обозначение «R63» в названии этих моделей указывает на гигантский посадочный диаметр этих шин — 63 дюйма. Каждое такое колесо выдерживает нагрузку в 100 000 тонн. Вес одной такой шины превышает 5 тонн, а цены достигают $60 000 за штуку.
Помимо грузоподъемности эта шина обязана обладать хорошей проходимостью. Поэтому рисунок протектора тут похож на серьезную джиперскую «резину», только увеличенную во много раз. Глубина широченных канавок — аж 7 см. Это нужно для того, чтобы они не забивались грунтом. Покупатели могут на заказ выбирать из нескольких вариантов резиновой смеси в зависимости от условий эксплуатации.
Если говорить о шинах, реально эксплуатирующихся на транспортных средствах, то покрышки карьерных самосвалов — самые большие. Однако существуют и гигантские макеты шин — они еще больше. В 1964 году ко всемирной выставке в Нью-Йорке была сооружена 24,4-метровая покрышка, вокруг которой вращалось колесо обозрения. Сегодня эта шина (уже без аттракциона) стоит в пригороде Детройта. По сей день она считается самой большой в мире шиной из числа тех, что создавались не для реальной эксплуатации.
Этот прорыв в конструкции колес нам обещают уже много лет: зачем накачивать колесо воздухом, если можно добиться таких же потребительских качеств за счет особой амортизирующей конструкции прямо внутри покрышки? Выпускающиеся сейчас колеса run-flat после прокола могут проехать порядка 100 км, а безвоздушное колесо будущего сможет эксплуатироваться весь срок службы после множественных проколов — об этом даже не придется задумываться. Правда, пока это лишь концептуальные разработки, но на крупных международных автосалонах им отводится важное место.
Одна из самых продвинутых разработок по этой части — Tweel, которую Michelin представил в «нулевые» годы. В названии зашифрована формула «tire+wheel» (покрышка+диск). То есть это единая конструкция, внутри которой — сложное сплетение упругих перемычек. Журнал Time назвал эту разработку самым удивительным изобретением 2005 года. Прошло 10 лет, а до серийного выпуска таких колес для легковых автомобилей все еще далеко. Но серийные колеса Tweel уже выпускают для погрузчиков, сельскохозяйственной и строительной техники. Также этой конструкцией заинтересовалась NASA. На основе мишленовского концепта заказана разработка аналогичных колес для будущих луноходов.
Сами создатели этого концепта называют его первой в мире «нешипованной покрышкой с шипами». В обычных режимах движения она ничем не отличается от фрикционной покрышки без шипов, но стоит водителю нажать на специальную клавишу в салоне, как из поверхности протектора выскакивают шипы.
Пока эта разработка Nokian носит статус прототипа, и появление выдвижных шипов — это вопрос не самого близкого будущего, а вот такая экзотика, как зимние шины «для лета» — это уже наше настоящее.
Понятие «всесезонные» шины существует не одно десятилетие, но, строго говоря, все подобные покрышки, выпускавшиеся прежде, годились для зимы только с очень большими оговорками. Nokian пошла другим путем, запустив в 2015 году в серийное производство резину, которая способна одинаково хорошо работать как на снегу при минусовых температурах, так и на сухом асфальте в жаркую погоду. Если все прежние «всесезонки» делались на основе летних шин, то новинка, названная Nokian Weatherproof, изначально является полноценной зимней покрышкой, но при этом достойно показывает себя в летних условиях.
Необычно тут уже то, что протектор сочетает в себе как зимний, так и летний рисунки. В центральной части протектора блоки и канавки направлены так, чтобы наилучшим образом противостоять слашплэнингу — потере управления на снежно-водяной «каше». Боковые блоки рассчитаны на эффективный разгон и торможение, как на летних шинах, но промежутки между ними увеличены — чтобы прорези не забивались снегом. В сочетании с «круглогодичным» составом резины это дало нужный эффект.
P.S. Какие покрышки можно назвать венцом творения шинной промышленности за 170 лет существования? Пожалуй, на такой титул могут претендовать шины, которые получил Bugatti Chiron, представленный весной 2016 года. Для быстрейшего в мире гиперкара специально были созданы покрышки, позволяющие набрать «паспортные» 420 км/ч, а в теории даже больше («максималка» автомобиля ограничена электроникой). Размерность колес — 285/30 R20 спереди и 355/25 R21 сзади. Эти шины, которые производятся только вручную, — совместная разработка Michelin и Bugatti.