ПОЛИМЕРЫ

Испытание на износ электрических шин на дороге.

Компании пытаются устранить тенденцию шин к более быстрому износу из-за большего веса и крутящего момента.

Алекс Тулло C&EN , 2024 , стр. 18–20, 1 июля 2024 г.

Компания Bridgestone разработала новый синтетический каучук для своей шины Turanza EV. (Источник: Bridgestone)Электромобили уже не так привлекают внимание, как несколько лет назад. Люди привыкают к их виду. По данным Управления энергетической информации США , в 2023 году водители зарегистрировали 14 миллионов электромобилей — аккумуляторных и подключаемых гибридных. Это составляет 18% от общего числа проданных автомобилей и на 35% больше, чем годом ранее. Сегодня на дорогах мира около 40 миллионов автомобилей — электрические.По мере того, как все больше автомобилистов знакомятся со своими новыми электромобилями (ЭМ), они задают себе вопросы, которые не задавали при покупке автомобилей с двигателем внутреннего сгорания:

Придется ли мне менять аккумулятор?

Сколько километров я смогу проехать до следующей зарядки?

Уменьшится ли запас хода в холодную погоду?

Один вопрос, который они, возможно, не задают, — будут ли шины изнашиваться быстрее, чем на их старой машине.

В конце концов, какая связь может быть между электродвигателями, аккумуляторами и шинами?

Оказывается, связь сильна. Проблемы веса, крутящего момента и отсутствия возможности движения накатом означают, что шины на электромобилях подвергаются большей нагрузке, чем шины на бензиновых автомобилях, и изнашиваются быстрее. В ответ на это производители шин и поставщики полимеров и других ингредиентов разрабатывают новые эластомеры и внедряют новые материалы, чтобы износ шин не стал недостатком для владельцев электромобилей. Одной из причин износа является гравитация. Из-за громоздких батарей электромобили тяжелее обычных автомобилей. Например, бензиновая Toyota Camry весит 1500 кг; Tesla Model 3 весит 1800 кг. Другой — крутящий момент. Как знает любой, кто видел видео , где Tesla побеждают Lamborghini в гонках на скорость, электродвигатели прикладывают больше силы к колесам, чем обычные автомобили.И наконец, объясняет Дейл Харригл, главный инженер по потребительским сменным шинам в Bridgestone Americas, электромобили не катятся по инерции — или свободно — как обычные автомобили. К колесам почти всегда прикладывается сила, либо через электродвигатели автомобиля, либо через его рекуперативную тормозную систему. «Поэтому в электромобиле очень мало выбега, и это одна из причин, по которой срок службы сокращается», — говорит Харригл. По его оценкам, из-за веса, крутящего момента и отсутствия выбега шины на электромобиле изнашиваются на 20–30% быстрее, чем на обычном автомобиле. Bridgestone и конкуренты, такие как Michelin и Goodyear Tire & Rubber, уже выпускают шины, специально разработанные для электромобилей. Они обеспечивают улучшенную износостойкость без ущерба для низкого сопротивления качению, что важно для максимального увеличения дальности поездки.Шины также не могут идти на компромисс по сцеплению, что имеет решающее значение для безопасности автомобиля. Производители шин также снизили уровень шума, что становится важным фактором для владельцев электромобилей.

Шины — это современные чудеса, созданные из натурального и синтетического каучука, стального ремня, тканевого корда и армирующих добавок, включая кремний и технический углерод. Каждый компонент вносит свой вклад в создание продукта, способного выдержать автомобиль весом 1½ метрической тонны, что эквивалентно двум поездкам вокруг Земли. Тем не менее, инженеры постоянно совершенствуют шины. И когда они это делают, они пытаются раздвинуть углы руководящего принципа, который они называют магическим треугольником . Он представляет собой три ключевых свойства — сопротивление качению, износостойкость и сцепление на мокрой дороге, — которые имеют решающее значение для производительности шин. Эти три свойства взаимосвязаны, и инженерам часто приходится искать компромиссы между ними. Один из них — между сопротивлением качению и сцеплением на мокрой дороге. По словам Мальте Вольфарта, директора по исследованиям и разработкам компании-производителя синтетического каучука Synthos, сопротивление качению определяется склонностью резины рассеивать энергию при ее деформации в процессе эксплуатации. Когда автомобиль катится по дороге, водитель хочет, чтобы это рассеивание было как можно меньше, чтобы экономить топливо. Но когда водитель нажимает на тормоза, рассеивание должно быть высоким, особенно когда дорога холодная и мокрая. Резина должна работать в обоих режимах. Износостойкость может достигаться за счет сцепления на мокрой дороге. Например, говорит Харригл, больший контакт между шиной и дорогой приводит к меньшему износу. Но для работы на снегу и дожде требуются канавки, которые позволяют воде выходить между шиной и дорогой. «Поэтому должен быть инженерный компромисс или баланс между всеми этими параметрами», — говорит он. Напротив, низкое сопротивление качению и высокая износостойкость, как правило, идут рука об руку, говорит Вольфарт. Он сравнивает это со стальным колесом в поезде. Износ и сопротивление качению равны нулю, потому что, в отличие от резины, сталь не деформируется. Но во время торможения это стальное колесо склонно скользить, и остановка занимает время. «Все изменения, которые вы можете сделать, чтобы улучшить сопротивление качению, также улучшают износ шин, но в то же время идут вразрез со сцеплением с мокрой дорогой и тормозным путем», — говорит он. Эти эмпирические правила не являются абсолютными. Например, добавление осажденного кремнезема снижает сопротивление качению, но его влияние на износостойкость может быть недостаточным для электромобилей и других высокопроизводительных шин. Это одна из проблем, которую производители шин стремятся решить. Добавление кремния в сочетании с связующими агентами, которые помогают ему прилипать к резине, привело к значительному снижению сопротивления качению в последние годы и помогло кремнию заменить часть традиционного армирования техническим углеродом, по словам Стивена Моллера, менеджера по продукции для резиновых наполнителей в компании Evonik Industries, занимающейся производством кремния. Evonik утверждает, что зеленые шины, в протекторе которых содержится до 30% кремния, могут улучшить топливную экономичность автомобиля на 5–8%. «Сетка кремния-силана способна выдерживать гораздо больше нагрузок, поскольку она не просто заполняет резину, а фактически взаимодействует с ней», — говорит Моллер. Марк Смейл, исполнительный директор передовой полимерной науки в Bridgestone, объясняет, что наполнители могут способствовать сопротивлению качению, образуя сети, которые разрушаются и перестраиваются по мере того, как шина проходит свои циклы. «Силикон делает это меньше, чем технический углерод», — говорит он. Бросая вызов традиционным компромиссам, кремний улучшает сцепление с мокрой дорогой, одновременно снижая сопротивление качению. Вероятное объяснение заключается в том, что, будучи полярным материалом, кремний легче проникает в воду на поверхности дороги, чем гидрофобные материалы, такие как технический углерод и резина, говорит Моллер. Для электромобилей производители шин знают, что улучшения в износе не могут происходить за счет сопротивления качению. Брэд Хайм, вице-президент Goodyear по разработке продукции в Америке, отмечает, что запас хода автомобиля является важным аргументом в пользу электромобилей. «Поэтому сопротивление качению шины становится очень важным элементом», — говорит он. Но Хайм реалистично относится к новой технологии в шине Goodyear для электромобилей ElectricDrive2. «Это не обязательно революционное изменение в шине», — говорит Хайм. «Шина по-прежнему круглая, очевидно, и имеет очень похожую форму. Она более эволюционна». Например, он говорит, что Goodyear добавляет больше слоев каркаса к шинам, чтобы они могли выдерживать больший вес. Для синтетических каучуков ключом к улучшению характеристик шин стала функционализация. Такие полимеры, как стирол-бутадиеновый и полибутадиеновый каучуки, производятся с использованием двух основных процессов. Процесс на основе эмульсии является рабочей лошадкой для стирол-бутадиенового каучука, но он не обеспечивает большого катализа или контроля над полимеризацией, говорит Вольфарт. В отличие от этого, при полимеризации в растворе используются катализаторы, которые могут контролировать молекулярную массу, направлять полимеризацию и позволять добавлять функциональные группы к полимеру. Для новой шины Turanza EV от Bridgestone химики разработали полимер, который компания называет PeakLife. Смейл говорит, что продукт находился в разработке всего 2 года, прежде чем был произведен в промышленных масштабах на заводе производителя синтетического каучука в Луизиане. Используя новый катализатор и полимеризацию в растворе, Bridgestone точно настроила микроструктуру полимера, в данном случае цис-полибутадиенового каучука, добавив функциональные группы, которые реагируют с поверхностью кремнезема, чтобы надежно диспергировать его в полимерной матрице. «Мы можем получить преимущества контролируемой микроструктуры и адгезии к наполнителю, что затем позволяет нам одновременно получить как износ, так и сопротивление качению», — говорит Смейл. Это звучит правдоподобно для Ли Цзя, профессора полимерной науки и химии в Университете Акрона. Он объясняет, что резина с кремниевым наполнителем подвержена проблеме, называемой сколами.«Когда кремний не распределен должным образом, у вас есть эти агрегаты, которые вызывают трещины», — говорит он. «Куски резины могут быть быстро и легко потеряны». Но когда кремний распределен лучше, шина не имеет крупных агрегатов частиц и менее подвержена износу. «Эффективная функционализация может играть важную роль в полимерах, которые мы производим, поскольку она помогает лучше взаимодействовать с наполнителями в шине», — говорит Вольфарт из Synthos. «Силикон в составе шины обеспечивает лучшую механическую прочность, поэтому она становится менее подверженной износу, а также помогает с сопротивлением качению». Производители технического углерода адаптируют свой продукт для решения аналогичной проблемы. Ранее в этом году Cabot запустила технический углерод Propel E8 по всему миру после регионального запуска в Китае, стране, которая является мировым лидером по внедрению электромобилей. «Мы быстро увидели этот интерес к попыткам сбалансировать износ с сопротивлением качению», — говорит Кэти Таттл, директор по маркетингу Cabot. Таттл говорит, что некоторые сорта технического углерода лучше всего подходят для низкого сопротивления качению, а другие — для износа. Propel E8 удалось захватить оба свойства. Компания не раскрывает, как ей удалось этого добиться, за исключением того, что инновация связана со структурой частиц, размером и распределением агрегатов. Производители шин уже приняли этот продукт, отмечает она.Помимо электромобилей, износ становится фокусом для шинной промышленности в целом, отмечает Таттл. Европейский союз стремится регулировать выбросы микрочастиц из шин, одного из основных источников микропластика в окружающей среде. «Износ шин является основным фактором», — говорит она. Помимо магического треугольника, еще одним важным атрибутом шин для электромобилей является контроль шума. Все шины подвержены резонансу воздушной полости, который распространяется через структуру транспортного средства и в салон, говорит Хайм из Goodyear. Водители обычных транспортных средств едва ли замечают его из-за шума двигателя. Но двигатели электромобилей почти бесшумны, и вибрации, которые поднимаются от дороги, более заметны. «Поэтому минимизация этого шума становится большой проблемой», — говорит Хайм. Goodyear применила полиуретановую пену с открытыми ячейками на внутренней поверхности ElectricDrive2, чтобы погасить вибрации, подход, который она называет технологией Sound Comfort. «Это позволяет снизить создаваемый шум на 50%», — говорит Хайм.Bridgestone использует другой подход к проблеме шума. Ее технология QuietTrack состоит из элементов, отлитых в канавках шины, которые разбивают резонансную частоту звука. Харригл говорит, что эта функция работает в более широком диапазоне частот, чем акустическая пена, и не требует добавления еще одного слоя внутрь шины. Более экономичные шины, более долговечные шины, а теперь и шины, которые работают с меньшим шумом. Автомобили меняются кардинально, тогда как шины развиваются более постепенно. Но в отличие от бензинового двигателя, шины определенно останутся. И с помощью химиков они будут постоянно совершенствоваться. Скачать PDF-файл