A tapadás számlájára

A ralivilág gumiabroncsainak tervezési, gyártási és beállítási komplexitása

 

 

A ralivilág gumiabroncsainak tervezési, gyártási és beállítási komplexitása

 

Egy versenyautó gumiabroncsai kulcsfontosságú szerepet töltenek be a kocsi pályán mutatott teljesítményében, és ez nincs másként a ralisport világában sem. A raliban manapság használatos gumik szintetikus anyagok komplex keverékei, melyek a versenygép és a pálya közötti létfontosságú kapcsolatért felelnek.

1839-ben Charles Goodyear állította elő az első, ember által alkotott gumit, amikor latexet olvasztott, amihez ként adott, hogy egy jó elasztikus tulajdonságokkal rendelkező anyagot hozzon létre. Ez kitűnő hőstabilitással is rendelkezett a természetes latexhez képest. Ez a korai találmány adja a mai napig annak az anyagnak az alapját, melyet a jelenleg használt gumiabroncsokhoz használnak és nyitotta meg a potenciális utat, hogy a felhasználási módok széles skáláján alkalmazzák a gumit.

A dedikált versenygumi fejlesztés az 1950-es évek elején kezdődött, a abroncsokat ekkor kezdték el úgy tervezni, hogy megbirkózzanak a versenykörülmények jelentette nagy sebességekkel, erőkkel és hőmérsékletekkel. A kezdetekben a gumigyártók elég korlátozott tudással rendelkeztek arról, hogy mi szükséges egy hétköznapi abroncs keverékének és konstrukciójának módosításához, hogy a versenykörülményekhez elvárt növelt teljesítményt érjenek el, így a kezdeti raliabroncsok élettartama kicsi volt, hajlamosak voltak a defektre is és gyorsan koptak. Eleinte azzal reagáltak erre a gyártók, hogy több gumit raktak az abroncsba, amitől nagyon nehézzé vált az.

Egészen a ’70-es évek elejéig kellett várni, hogy megjelenjen a ralisportban az abroncsok első olyan generációja, mely defektálló rétegekkel és erősebb, szintetikus gumikonstrukcióval rendelkezett. A Dunlop vállalt ebben vezető szerepet, utat tört az új szintetikus anyagok fejlesztésében és bevezette a kevlár rétegeket. A ’80-as években aztán többkeverékű abroncsokat fejlesztettek, hogy megbirkózzanak a sebességek hatalmas növekedésével, amikor a négykerékhajtású rendszerek dominánssá váltak.

Az 1990-es években és a 2000-es évek kezdetén a ralisportban használt gumiabroncsok még komplexebbek lettek, a gyártók specifikus abroncsokat és keverékeket kezdtek el fejleszteni minden eshetőségre. A fejlesztési programok óriási költségeket emésztettek fel, úgyhogy azért, hogy megpróbálják kontrollálni a kiadásokat, a ralisport irányító testülete úgy döntött, hogy korlátozza az engedélyezett abroncstípusok és a csapatok által az egy versenyen felhasználható gumik számát, egyúttal azt is megtiltotta, hogy a csapatok módosítsanak a homologizált gumikon.

A rali világbajnokság szabályai

Az 1973-as útjára indulása óta a rali világbajnokságon számos gumiszabályzat volt érvényben, a legutolsó változat azonban komoly kihívásokat jelent a gumigyártóknak – elsősorban az egy versenyen felhasználható abroncsok számára, a szezonban alkalmazható három típusra és a típusonkénti két keménységre vonatkozó korlátozások miatt. Ennek eredményeként három különböző abroncs engedélyezett a rali világbajnokságon, egy 18 collos aszfaltgumi két keménységben, egy 15 collos murvás szintén két keverékben, valamint egy – egy keménységben rendelkezésre álló – 15 collos abroncs havas jeges körülményekre.

A sorozatban az utóbbi időszakban négy gumigyártó van jelen beszállítóként, a Michelin, a Pirelli, a DMACK és a Hankook. A rali világbajnokság abroncsokkal kapcsolatos kihívásait szemléltetve a sorozatban részt vevő csapatok a pályák felületének széles kínálatával találkoznak, beleértve murvát, aszfaltot, havat és jeget is, miközben több mint 4500 versenykilométert teljesítenek változatos hőmérsékleti viszonyok, a svédországi -20 és a szardíniai 30 Celsius fok között.

A gyártók számára engedélyezett, hogy a murvás és az aszfaltos specifikáción változtassanak egyszer a szezon folyamán. Ebben az esetben az új specifikáció helyettesíti az eredetit, utóbbit onnantól kezdve nem lehet már használni. Az aszfaltguminak E jellel kell rendelkeznie, a felületén legalább két hosszanti mintaároknak kell lennie, a mintázatnak pedig a futófelület területének legalább 21 százalékát el kell érnie. A verseny folyamán a rovátkák minimális mélysége minimum 1,6 milliméter kell hogy legyen a mintázat legalább hetvenöt százalékán. Kizárólag a Monte-Carlo Rallye-ra egy szuperlágy keverékű aszfaltra való téli gumi is elérhető szög nélküli, valamint szöges változatban. Ezen szigorú követelmények mentén a gyártóknak olyan terméket kell előállítaniuk, mely lehetővé teszi a pilóta számára, hogy teljes kontrolt és stabilitást tartson fenn a nagysebességű, akár laza, egyenetlen, jeges felületen is.

 

Tervezési jellemzők

A rali világbajnokságon jelen lévő számos gumigyártó választotta azt az opciót, hogy a murvagumijait aszimmetrikus mintázattal fejleszti, ez lehetővé teszi, hogy különböző szerepet játszanak a futófelület egyes részei a tapadás és a vonóerő előállítása terén. Az aszimmetrikus kivitelnek két fő funkciója van, melyek a gumi belső, illetve külső mintázatára koncentrálnak. „A gumi külső élén található blokkok nagyobbak, több gumival rendelkeznek, mint barázdával, ez segít az oldalirányú tapadásban, a gumi belső részén lévő nyitottabb mintázat pedig a kigyorsításkor szükséges tapadás és a fékezés közbeni stabilitás miatt hasznos” – magyarázza Jamie McWhir, a Michelin Tyres technikai vezetője.

A kigyorsítás és a fékezés során az aszimmetrikus kivitel belső mintázata behatol a pálya felületébe, és kimozdítja az anyagot, hogy tapadást generáljon. A belső mintázat nyitott részei megtelnek a pálya anyagával az autó haladása közben, effektíve növelik a kapcsolódási felületet.

Kanyarodáskor a mintázat aszimmetrikus része generálja a tapadást, a gumi kapcsolódási felületének külső éle felé mozdítva a talaj laza részét, miközben az eredő erők a kanyarkülső oldala felé mozdítják az autót, ahol a legnagyobb a tapadás a kanyarodás közben. A kocsi bal és jobb oldalára külön forgásirányos abroncsokat szerelnek, így a belső rész működésbe tud lépni mindig, amikor a kormányszöget nyitja a pilóta a kanyar kijáratánál, ezzel létrejön az egyenes vonalú kigyorsításhoz szükséges tapadás.

A havas-jeges versenyekre való abroncsokat általában aszimmetrikus kivitelű mintázattal és ugyanazokkal a működési jellemzőkkel készítik, mint a murvára való gumikat, szűkebbek azonban, mintázatuk nyitottabb és szögekkel ellátott, hogy még inkább elősegítsék a hóba történő behatolást, ami lehetővé teszi, hogy a szögek belekapaszkodhassanak a hó alatti jeges felületbe.

Alapvető hozzávalók

A gumikeverékek kémiai összetevőinek és a keverési arányaik változtatása teszi lehetővé a gyártók számára, hogy finomhangolják a gumi hőmérsékletstabilizációját, a tapadási és tartóssági karakterisztikáját, hogy megfeleljen az abroncs a speciális körülményeknek. A gumitípusokat hozzáigazítják a különböző hőmérsékleti ablakok keveredéséhez, a hidegben alkalmazott keverékekbe több természetes gumit tesznek, míg a magas hőmérsékleten üzemelők több szintetikus anyagot tartalmaznak.

A mechanikai teljesítmény tekintetében számos kitűnő tulajdonsággal rendelkeznek, a természetes gumik gyakran alárendeltek a szintetikusakhoz képest a termikus stabilitás és a más petróleumbázisú anyaggal történő felcserélhetőség tekintetében. A szintetikus gumik petróleumbázis monomerek polimerizálásával készülnek, amit vegyi keveréssel kombinálnak, melynek során a szennyeződéseket és az adalékanyagokat kontrollálni lehet, hogy az elvárt mechanikai tulajdonságok születhessenek meg. Összehasonlítva, a természetes gumik jobb elasztikus karakterisztikával rendelkeznek, az elhasználódás vagy teljesítménycsökkenés ugyanakkor sokkal gyorsabb a hőmérsékletingadozásnak és hőmérsékletciklusoknak eredményeként, de a kopásállóságuk is korlátozott.

A raliabroncsokban leginkább alkalmazott szintetikus gumi a sztirol-butadién gumi (styrene-butadiene rubber – SBR), amit a sztirol és az 1,3-butadién kopolimerizálásával hoznak létre. Ez nagy elasztikus tartománnyal rendelkezik széles hőmérséklettartományban, és a hővel és kopással szemben keményen ellenálló keveréket eredményez. Más összetevőket, mint amilyen az izoprén, a kloroprén és az izobutilén, is lehet kopolimerizálni, hogy irányítsák a gumi mechanikai és kémiai tulajdonságait, hogy az megfeleljen az alkalmazásnak.

 

Konstrukció

A gumiabroncs oldalfalának karakterisztikáját a konstrukcióhoz használt anyagok típusa és azok mennyisége határozza meg. Azért például, hogy lehetővé tegyék az oldalfal gyors és egyenletes hajlékonyságát, a gyártók egy műselyem vagy szövetréteget alkalmaznak, sok esetben pedig egy extra vastag kord vagy dupla szövet karkasz van az extra szilárdság érdekében. Az övrészbe beépített fémes szalag valamekkora ellenállást biztosít az abroncsnak a defektek ellen, a ralisportban azonban gyakran nem az éles tárgyak okozzák ezeket, hanem a perem közelében történt sérülés vagy az, hogy egy nagy becsapódást követően leugrik az abroncs a felniről.

A gyártók különféle gumikat gyártanának a bizonyos keréktípusokhoz ideális esetben, hogy optimalizálják a teljesítményt, a gumiabroncs kivitelének karakterisztikáját azonban a szabályok határozzák meg. Mint ahogyan említésre került már, a rali világbajnokság szabályzata kimondja, hogy a murvás gumiabroncsokat 15 collos felnikre kell szerelni, ami előnyös a gyártók számára, mivel a magasabb oldalfal nagyobb flexibilitást biztosít, ez pedig csökkenti a sérülés átvitelének valószínűségét a gumin és a felnin keresztül a felfüggesztés és az autó felé. A murvára való gumikeverékek összességében jóval nehezebbek, mint az aszfaltra valók, és meg kell jegyezni, hogy a murvás abroncshoz valóknak nem kell annyira hőmérséklet ellenállónak lenniük, mint az aszfaltosoknak, mivel kisebb terhelés éri őket ilyen szempontból.

A gumiabroncs konstrukció és keverékek legújabb innovációja a megerősítésre szolgáló rostszálak alkalmazása és a szilika bevezetése a szintetikus keverékeknél. A radiális szövetréteget keresztirányban fektetik, hogy alapot biztosítson ezeknek az új, rézsútosan futó rétegeknek, melyek aramidból, műselyemből és kevlárból készülnek. Ezek elvezetik a hőt a mintázattól, könnyűek és a ralisportban szükséges szilárdságot is biztosítják.

Összetétel

A raliban használt gumi működési teljesítménye és a kopási karakterisztikája a legtöbb esetben hasonló azokhoz az abroncsokhoz, amiket a pályaversenyzésben alkalmaznak, a lágy keverék nagyobb oldalirányú tapadást és vonóerőt biztosít, ugyanakkor a rövidebb élettartamtól szenved, mint a keményebb társa. „A keverék és a gumi tartóssága az elsődleges abban, hogy az autó a legjobb szakaszidőt teljesítse” – magyarázza McWhir. „Egy túl lágy gumi kitűnik korábban, aztán gyorsan elkopik, ennélfogva gyakran lassabb egy szakaszon vagy a szakaszok során. A versenyző azt is érzi, hogy változik a gumi, ahogyan kopik, úgyhogy a pályaversenyzéshez hasonlóan egy jó pilóta a lehető leghosszabb távon hozza ki a gumiból a legtöbbet.”

Bár a tapadás előállítására vonatkozó ismérvek maguktól értetődőek lehetnek, az út különböző felületeiből, az időjárási körülményekből, a hőmérsékletből és a szakaszhosszból különböző variációk jöhetnek. Ez az, ami miatt a rali világbajnokság szabályzata két különböző keveréket engedélyez, és az egyszerűség érdekében a gyártók keményként, valamint lágyként sorolják be őket, melyek a saját teljesítménykarakterisztikával rendelkeznek.

Ahol lehetséges, a kemény keverékű gumi a kedvezményezett, amikor nagy, abrazív murvás részekkel kerül szembe az út felületén, mivel ez az összetétel erősebb és kevésbé hajlamos a defektre. A lágyabb keverék ugyanakkor nagyobb tapadást biztosít és jobban működik alacsonyabb hőmérsékleteken is.

 

Hőmérséklet

Miután a rali világbajnokság szakaszai olyan klimatikus körülmények között futnak, ahol a hőmérsékletkülönbség akár 45 Celsius fok is lehet a legforróbb és a leghidegebb hely között, a nagy működési ablak kulcsfontosságú egy raliabroncs sikerében. A szakasz karakterisztikájának nagy szerepe van a gumi működési hőmérsékletben. Amennyiben kemény kigyorsítási és fékezési zónákkal rendelkezik egy gyorsasági, ahol a nyitott mintázattal a gumi belső része az egyenesfutásos tapadást biztosítja, akkor az abroncs ezen része magasabb hőmérsékleten fog futni, mintha sok kanyart foglalna magába a szakasz. Egy sok fordulót tartalmazó különpróba esetén az abroncs oldalsó tapadást biztosító, éppen ezért extra gumival ellátott külső éle dolgozik keményebben.

Emiatt a mintázat belső és a külső része közötti maximális hőméréskletkülönbség elérheti a 20 Celsius fokot is, ami lehetővé teszi ezt az extrém szakaszingadozást. A képesség, hogy ekkora különbséget is tolerál az abroncs, a gumi anyagának gondosan meghatározott összetételében rejlik. Álalában elmondható, hogy a gumik standard működési hőmérséklete 40 és 80 fok között van, függően az alkalmazott keveréktől.

Beállítás

A gumik tartóssága egy elsődleges aggály, úgyhogy amikor a legjobb szakaszidők teljesítéséről van szó, a jármű beállítása és annak gumiteljesítményre gyakorolt hatása abszolút kulcs a verseny megnyerése felé. Az a mód, ahogyan az autót beállították, a gumiteljesítmény karakterisztikáját igencsak meghatározza onnantól kezdve, hogy milyen gyorsan éri el az optimális működési hőmérsékletet, de ilyen a tapadás, a kopás, az érzékenység, valamint az alul- és túlkormányozottsági karakterisztikák is.

Ha például alacsonyabbra állítjuk a guminyomást, amikor hidegek az abroncsok, a hőmérséklet gyorsabban fog emelkedni, ami azt jelenti, hogy jóval gyorsabban eléri az optimális működési hőmérsékletet, mindennek ára ugyanakkor a kezdeti kormányérzés. Az alacsony nyomáson futó gumik jobban is kopnak, mivel keményebben dolgoznak. A másik oldalon a nagyobb nyomásra állított abroncsok növelik az egyenesfutási sebességet és az érzékenységet, ez azonban előidézheti a tapadás hirtelen megszűnését, amikor eléri a gumi az oldalirányú súrlódási tényező maximális értékét.

A legtöbb esetben ugyanolyan nyomást alkalmaznak az első gumikon és ettől különbözőeket a hátsókon. Az ezek közötti különbséget az első és hátsó tengely közötti tapadási szint módosítására lehet használni, ily módon változtatva a kocsi kezelhetőségét. Bármely jármű esetében a gumi optimális üzemi nyomása annak méretétől függ és attól, hogy mekkora terhelésnek van kitéve. Ezek az értékek egyenesen arányosak, tehát ahogyan a jármű tömege, a sebesség és a gyorsulási erők növekednek, úgy kell a guminyomásnak is. Egy WRC specifikációjú kocsi esetében az optimális üzemi hőmérséklet általában 2,2-2,5 bar.

A másik fontos megfontolnivaló a felfüggesztés merevsége és a rugóarány. A rugóarány kontrollálja azt, hogy a súly hogyan terhelődik át gyorsításkor, fékezéskor és kanyarodáskor. Egy lágyabb rugóbeállítás lehetővé teszi, hogy az autó jobban elnyelje a huppanókat, következésképpen fenntartja a kapcsolatot a pálya felületével, az autó érzékenységét viszont rontja ez, a súly átterhelődése nagyobb lesz a kormányzási behatásokkor. Az első és hátsó rugóarány egyensúlya befolyásolja a kocsi alul- és túlkormányozottsága közötti egyensúlyt, ami túlzott gumikopást eredményez az első, illetve hátsó gumikon.

Ahogyan korábban említésre került már, a murvagumi belső élének nyitottabb a mintázata, ami a gyorsításkor és fékezéskor jó tapadást biztosít. Arra van szükség, hogy a gumi progresszíven adja át a terhelést erre a részre, ahogyan a kocsi állapota a kanyarodás és a fékezés között változik, hogy a laza felületeken is tapadást találjon, a súly átterhelődését pedig a lengéscsillapító és a felfüggesztés kontrollálja. A lengéscsillapító tartja kordában a felfüggesztés felfelé és lefelé irányuló útjának mértékét, ami azt a sebességet szabályozza, aminél a gumi erőt fejt ki az út felületére és azzal ellentétesen.

A lengéscsillapító beállításnak olyannak kell lennie, hogy elég gyorsan reagáljon a kocsi a göröngyök elnyelésében és a gumi olyan pozícióba térjen vissza, ahol tapadást tud biztosítani, de ne legyen olyan gyors, ami megzavarja az autót azt előidézve, hogy a gumiknak keményebben kell dolgozniuk, amikor megvan a tapadásuk, vagy a tapadáshiány miatt nagymértékű kerékkipörgés történik, illetve blokkolnak azok. Ezt figyelembe véve a lengéscsillapító berugózásának 50-75 százaléknyi értékűnek kellene lennie kirugózás erősségéhez képest, ami lehetővé teszi, hogy a kocsi lelapuljon, mielőtt a felfüggesztés kirugózik, így feszítve a gumit a pályához, generálva maximális tapadást.

 

Konklúzió

A gumigyártás és a tervezés egy kivételesen összetett folyamat, ami összehozza a mechanikai és a vegyi tudományokat. Emiatt nem meglepő, hogy a ralisport extrém környezete népszerű aréna a gumiabroncsgyártók számára még mindig, hogy teszteljék saját szakértelmüket és kitolják a gumiteljesítmény határait. Ha belegondolunk, hogy egy modern WRC autó milyen valódi sebességet tud fenntartani a laza felületen, az látszik, hogy valamit jól csinálnak.

 

Andrew

Módosítás: (2016. április 09. szombat, 06:58)