Інженерія шин електросамоката: контактна пляма, опір коченню Crr, Kamm circle, склад гуми і стандарти ETRTO / ISO 5775 / DOT FMVSS 119 / EN 17128 / UTQG
У статті «Підвіска, колеса й IP-захист електросамокатів» описано архітектурні типи коліс (8/10/11/12 дюймів, з підвіскою і без, надувні і безкамерні) разом із системою підвіски. У «Гайді з ремонту проколу шини на дорозі» — польова процедура ремонту. Цей матеріал — інженерний deep-dive у саму фізику шини як контактного інтерфейсу: чому контактна пляма має площу A_contact ≈ W_load / p_infl (гідростатичний баланс — як зважена коробка стискає аркуш паперу); чому 80–90 % опору коченню Crr виникає не з тертя, а з гістерезисних втрат у в’язкопружній гумі; чому Kamm circle забороняє одночасно максимально гальмувати і максимально повертати (F_lat² + F_long² ≤ (μ · N)²); чому «магічний трикутник» rolling resistance ↔ wet grip ↔ wear десятиліттями вважався нерозв’язним до моменту, коли Michelin у 1992 році вставила силікагель з силановим coupling agent у тред і виграла два кути одразу. Це шоста engineering-axis deep-dive (після інженерії захисної екіпіровки, інженерії літій-іонної батареї, інженерії гальмівної системи, інженерії мотора й контролера і інженерії підвіски) — закриває повний субсистемний цикл захист → джерело → диссипація → конверсія → ізоляція → контакт. Усе, що мотор виробляє і гальмо розсіює, мусить пройти через контактну пляму завширшки з кілька квадратних сантиметрів.
Передумова — розуміння архітектури підвіски і коліс та технік повороту з нахилом, де Kamm circle виявляється на практиці.
1. Чому шина — фундаментальний субсистем
Кожен ньютон сили — продольний (тяга або гальмування) і поперечний (поворот) — між самокатом і дорогою проходить через дві контактні плями загальною площею 20–60 см² (для типового 10-дюймового самоката з рідером 80 кг при 50 psi = 3,4 бар). Це менше за слід однієї людської долоні. Усе інше — рама, підвіска, мотор, контролер, гальма — лише модулює, як цей маленький інтерфейс взаємодіє з асфальтом.
Шина виконує чотири паралельні функції:
- Тягова сила — продольна
F_long ≤ μ · N(Coulomb’s law of friction), з якої виникає прискорення і гальмування. - Поперечна сила —
F_lat ≤ μ · N, що тримає траєкторію в повороті. - Високочастотна вібрація-гасіння — деформація гуми поглинає 10–50 Гц збурення (тріщини, шви, дрібний гравій), перш ніж вони передадуться у підвіску.
- Інтерфейс водовідведення — tread evacuation pattern прокачує воду з контактної плями, запобігаючи гідроплануванню (§ 7 нижче).
Інженерна складність — це чотири цілі одночасно, і кожна тягне склад гуми, конструкцію casing’у і малюнок протектора у різний бік. Те, що добре для тяги (м’яка гума, високе hysteresis для зчеплення), погано для опору коченню (м’яка гума гріється і втрачає енергію). Те, що добре для гасіння вібрації (висока TPI casing — гнучка тканина), погане для опору проколу. Звідси — магічний трикутник і причина, чому ідеальної шини не існує.
2. Контактна пляма: гідростатичний баланс p·A = N
Найфундаментальніша формула шини — баланс між внутрішнім тиском повітря і нормальною силою колеса на дорогу:
$$p_{\text{infl}} \cdot A_{\text{contact}} \approx W_{\text{load}}$$
де p_infl — внутрішній тиск повітря (Па або psi), A_contact — площа контактної плями (м² або in²), W_load — нормальна сила колеса на дорогу (Н або lbs). Це гідростатичний принцип: повітря у шині знаходиться під рівномірним тиском (закон Паскаля), і це повітря давить на стінки шини так само, як на гумовий протектор у контакті з дорогою. Площа протектора, потрібна для збалансованості ваги, прямо випливає з закону сил Ньютона.
Конкретний рахунок: рідер 80 кг + самокат 20 кг = 100 кг повна маса, з якої 60 % припадає на заднє колесо (60 кг = 588 Н), 40 % на переднє (40 кг = 392 Н). При тиску p_infl = 50 psi = 344 740 Па (3,45 бар):
- Заднє:
A_contact ≈ 588 / 344 740 = 1,71 × 10⁻³ м² = 17,1 см² = 2,65 in² - Переднє:
A_contact ≈ 392 / 344 740 = 1,14 × 10⁻³ м² = 11,4 см² = 1,77 in²
Це приблизно прямокутник 35 × 49 мм для заднього колеса і 29 × 40 мм для переднього (з аспектним співвідношенням ~ 0,7 для типового pneumatic).
Лінійна формула — це не точна площа, а оцінка зверху. Реальна контактна пляма меньша, бо частину навантаження несе жорсткість бічної стінки (sidewall stiffness) — особливо у радіальних шин і шин високого тиску. За даними дослідження Boeing щодо літакових шин і за TRR Transportation Research Record paper 523 (1974), реальна середня тискова контактна площа на дорозі не дорівнює тиску накачування — вона на 10–30 % вище через жорсткість sidewall’у. Для bias-ply різниця менша (sidewall гнучкіша), для radial — більша.
Практичні наслідки:
- Збільшення тиску → зменшення контактної плями → менший опір коченню (менше гнуцької деформації), але менше зчеплення і гірша амортизація. Підкачана шина 60 psi на 10-дюймовому самокаті дає контактну пляму ~10 см² проти ~17 см² при 50 psi.
- Зменшення тиску → більша контактна пляма → краще зчеплення (більше тертя), краща амортизація, але вища температура (більший гістерезис), вищий ризик pinch flat (бортівка зачіпається об обід), вищий опір коченню.
- Радіальна конструкція (з пов’язаним belt’ом) тримає контактну пляму на 30 % більшою при тому ж тиску — це підтверджено тестами Schwalbe Radial vs Magic Mary bias-ply на 22 psi (mountain-bike контекст, але фізика одна).
Стандартна рекомендація для самоката 100 кг рідер+машина: 40–55 psi (2,7–3,8 бар) для дорожньої їзди; на верхній межі — менше Crr і fuel economy, на нижній — більше зчеплення і комфорт. Завжди дотримуйся MAX PRESSURE маркування на боковині шини — overinflation 10 %+ підвищує ризик bead blowoff у 5–10× (за тестами CPSC).
3. Опір коченню Crr: фізика гістерезисних втрат
Опір коченню (rolling resistance) — це сила, яка протистоїть руху колеса по дорозі і викликана в’язкопружною дисипацією енергії у гумі при її циклічній деформації:
$$F_{rr} = C_{rr} \cdot N$$
де Crr — безрозмірний коефіцієнт опору коченню, N — нормальна сила (вага колеса). Для розгалуження повної сили опору:
$$F_{\text{total}} = F_{rr} + F_{\text{grade}} + F_{\text{aero}} = C_{rr} \cdot m \cdot g \cdot \cos(\theta) + m \cdot g \cdot \sin(\theta) + \tfrac{1}{2} \cdot \rho \cdot C_d \cdot A \cdot v^2$$
де θ — кут нахилу дороги, ρ — щільність повітря, Cd — аеродинамічний коефіцієнт, A — фронтальна площа.
Типові значення Crr для самокатів і малих транспортних засобів:
| Шина і умови | Crr | Коментар |
|---|---|---|
| Гоночна шосейна (Continental GP5000 28C @ 100 psi) | 0,002–0,003 | Майже-ідеальний еталон |
| Класична шосейна шина (28–35C tubeless @ 65 psi) | 0,004–0,006 | Шосейний шифт у самокат-розмір |
| E-scooter 10-дюймовий pneumatic (50 psi) | 0,007–0,012 | Звичайна експлуатація |
| E-scooter недокачаний (80 % від рекомендованого) | +15–20 % від базового | Підвищення Crr через зайвий гістерезис |
| Безкамерна solid honeycomb (Xiaomi M365 1S 8,5 дюйма) | 0,015–0,025 | 1,5–3× вищий за pneumatic |
| Off-road MTB knobby tire | 0,010–0,015 | Тред-блоки додають deformation loss |
Чому 80–90 % опору коченню — це гістерезис. Гума — в’язкопружний (viscoelastic) матеріал: під деформацією вона не повністю повертає енергію назад при відпусканні. Графічно це означає, що зашриховує-розшриховує цикл (stress, strain) створює гістерезисну петлю (площа якої = розсіяна енергія). Кількісна міра — tan δ (loss tangent, тангенс кута втрат):
$$\tan \delta = \frac{E’‘}{E’}$$
де E' — пружний модуль (real part of complex modulus), E'' — модуль втрат (imaginary part). Більший tan δ → більше гістерезисних втрат при кожному оберті колеса. Для типової tread compound tan δ @ 50–70 °C ≈ 0,1–0,3 — це 10–30 % енергії деформації, втрачена як тепло, на кожному циклі.
Решта 10–20 % опору коченню походить від:
- Аеродинамічна боковина (тонкий шар повітря між шиною і дорогою, особливо при високих швидкостях).
- Тертя у підшипниках колеса (sealed cartridge ~ 0,5–1 Вт на колесо).
- Cogging/eddy current у двигуні-маточині (для hub-моторів, ~ 2–5 % від total drag).
Зменшення Crr — два головні шляхи:
- Хімія compound’у: silica/silane (Michelin Energy, Continental EcoContact, Pirelli Diablo Rosso з силікою) — на 18–24 % нижче Crr порівняно з car-bon-black-only compound при тому ж wet grip.
- Менша деформація: вищий тиск (зменшує гнуцьку площу), радіальна конструкція (менше bias deformation), більший діаметр колеса (зменшує кут pad-flatten за обертом).
4. Friction circle / Kamm circle: межа одночасного грипу
Закон Кулона (Coulomb’s law of friction) встановлює максимальну тангенціальну силу, яку шина може передати на дорогу:
$$F_{\text{friction}} \leq \mu \cdot N$$
де μ — коефіцієнт тертя (0,7–0,9 для сухого асфальту, 0,4–0,6 для мокрого, 0,1–0,3 для снігу/льоду), N — нормальна сила. Але тертя — вектор, який може бути направлений у будь-якому напрямку у площині дороги. Кругу всі можливі комбінації (F_long, F_lat) обмежений: F_long² + F_lat² ≤ (μ · N)² — це Kamm circle (за німецьким інженером Wunibald Kamm, який досліджував її у 1930-х) або friction circle:
$$\sqrt{F_{long}^2 + F_{lat}^2} \leq \mu \cdot N$$
Геометрична інтерпретація:
- Точки всередині кругу — можливі комбінації тяги, гальмування і повороту.
- Точки на краю — максимальне використання зчеплення (одночасний максимум — лише якщо це одна вісь).
- Точки поза — фізично неможливі: шина починає slide (sliding region за peak slip angle/ratio).
Практичний наслідок №1: якщо у повороті ви досягли межі бічного зчеплення F_lat = μ · N, залишок продольного зчеплення = 0. Будь-яке гальмування або тяга → trail-braking під slide. Звідси правило з «Техніки повороту з нахилом»: припиніть гальмування до входу у вершину (apex), щоб увесь μ був доступний для бічної сили.
Практичний наслідок №2: при різкому гальмуванні навіть прямо (F_lat ≈ 0), якщо передні гальма заблокують переднє колесо (slip ratio → −1), вы виходите за peak μ_s (статичне тертя, 0,8) у регіон μ_k (кінетичне тертя, 0,6–0,7) — шина починає slide і втрачає здатність генерувати бокову силу. ABS (anti-lock braking system) існує для того, щоб тримати slip ratio у вікні −0,15 ≤ s ≤ −0,2 де μ peak.
Friction ellipse vs friction circle: коли шина має асиметричні longitudinal та lateral grip capacities (наприклад, drag-strip slick має high longitudinal μ, але low lateral), точніше моделювати її як еліпс із півосями μ_long · N і μ_lat · N. Для більшості mainstream tires асиметрія мала (5–10 %), і круг — добра апроксимація.
5. Slip ratio і slip angle: фізика генерації сил (Pacejka)
Як шина генерує ці сили? Не через статичне тертя — а через slip (мікро-проковзування) у контактній плямі:
Longitudinal slip ratio:
$$s = \frac{\omega \cdot r - v}{\max(\omega \cdot r, v)}$$
де ω — кутова швидкість колеса, r — радіус, v — швидкість самоката. s = 0 — чисте качення (теоретично жодної сили); s > 0 — тяга (колесо обертається швидше за рух); s < 0 — гальмування; s = −1 — повне блокування.
Slip angle α — кут між напрямком, куди вказує колесо, і напрямком, куди воно реально рухається (для повороту). При α = 0 колесо рухається прямо вздовж осі. Cornering force з’являється тільки при α > 0.
Pacejka «Magic Formula» — стандартний емпіричний tire model:
$$F = D \cdot \sin\left[C \cdot \arctan\left{B \cdot \kappa - E \cdot (B \cdot \kappa - \arctan(B \cdot \kappa))\right}\right]$$
де κ — slip (longitudinal slip ratio або slip angle), а B/C/D/E — фіттед коефіцієнти, що залежать від характеристик шини. Універсальна форма дає:
- Лінійна область (
κ < 1–2°):F ≈ Cα · α— пропорційна сила, деCα= cornering stiffness (cornering stiffness coefficient, у Н/градус для α або Н/(%-slip) для s). - Peak (
κ ≈ 3–6°): максимальна сила досягається, далі вона починає падати. - Sliding region (
κ > 6°): сила знижується, шина почала slide.
Cornering stiffness для типової самокат-шини 10-дюймової Cα ≈ 50–80 Н/градус. На прикладі 80-кг рідера у повороті радіуса 10 м на швидкості 30 км/год (8,3 м/с):
- Доцентрова сила:
F_c = m · v² / r = 100 · 8,3² / 10 = 689 Н - Поділена на два колеса: 345 Н на колесо → потрібний slip angle:
α = F / Cα ≈ 345 / 65 ≈ 5,3°
Це близько до peak slip angle — для цього самоката і цієї швидкості/радіусу поворот вже на межі. Будь-яке додаткове збурення (нерівність, водяна пляма, гілка) виштовхує шину у sliding region.
Ключове практичне значення: rider може відчути slip angle через посилення вібрації у керма (мікро-stick-slip у контактній плямі) — це попередження за 5–10 °C перед втратою. Досвідчений рідер навчається інтерпретувати цей сигнал як «нагору ще трохи μ є, але далі не йди».
6. Склад гуми: NR, SBR, BR, filler і magic triangle
Гума шини — це полімерна композиція, не чистий каучук. Стандартна tread compound для passenger-car і e-scooter pneumatic складається з:
| Складник | Частка | Роль |
|---|---|---|
| Natural rubber (NR) з Hevea brasiliensis | 30–60 % | Високий tear strength, низький heat buildup, висока еластичність |
| Styrene-butadiene rubber (SBR) | 20–40 % | Hot polymerization E-SBR (∼23 % styrene) або solution S-SBR — синтетика для wet grip і wear |
| Polybutadiene rubber (BR) | 10–25 % | Висока резистентність до зношування, низька Tg ≈ −110 °C |
| Silica filler (precipitated SiO₂) | 50–80 phr | Зчеплення мокре і Crr; surface area BET 150–200 m²/г |
| Carbon black (N134/N220/N330) | 20–60 phr | Зміцнення, UV protection; вищий гістерезис → більше grip, але більше Crr |
| Si69 (bis-(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide) | 5–10 % silica weight | Coupling agent: ковалентний місток силіка-каучук |
| Sulfur + accelerator (CBS/TMTD) | 1,5–3 phr | Vulcanization — формування cross-link мережі |
| ZnO + stearic acid | 4–6 phr | Activator системи вулканізації |
| Anti-degradants (6PPD/IPPD) | 1–3 phr | UV + ozone захист |
| Plasticizer (aromatic oil або TDAE) | 5–25 phr | М’якість і processability |
(phr = parts per hundred rubber — стандартна одиниця у rubber industry.)
Vulcanization — це формування поперечних сульфідних зв’язків між полімерними ланцюгами під дією тепла (160–180 °C) і сірки. До вулканізації каучук — пластична маса; після — еластомер з пам’яттю форми. Cross-link density (густина зв’язків) — приблизно 5 × 10⁻⁵ моль/см³ — визначає Shore A hardness (50–80 для tread compound, 40–55 для sidewall compound).
Glass transition Tg — температура переходу гуми з гумоподібного у скловидний стан. Для NR Tg = −70 °C, SBR ≈ −50 °C, BR ≈ −110 °C. Wet grip прямо корелює з tan δ у температурному діапазоні 0–30 °C (де гума і дорога взаємодіють у мокру погоду): чим ближче Tg до операційної температури, тим вищий tan δ і тим більше зчеплення. Це фундаментальна причина, чому зимові шини мають вищу частку BR і нижчий Tg — щоб залишатися гумоподібними і чіпкими при −10 °C.
Magic triangle
Три кути:
- Wet grip — корелює з
tan δ @ 0…30 °C(вище = краще). - Rolling resistance Crr — корелює з
tan δ @ 50…70 °C(нижче = краще, бо менше гістерезисних втрат при робочій температурі). - Wear / treadwear — корелює з cross-link density і compound stiffness (вище = краще, але робить гуму менш чіпкою).
Проблема: усі три криві tan δ vs T для однієї композиції — це одна функція. Якщо мати високий wet grip (tan δ high @ 0–30 °C), важко мати низький Crr (бажано tan δ low @ 50–70 °C) бо це одна молекулярна композиція.
Прорив Michelin 1992: silica/silane (SiO₂ + Si69 coupling agent) — на молекулярному рівні роз’єднує дві температурні залежності. Силіка має нижче surface energy ніж carbon black, тому її гістерезис при високих температурах (50–70 °C, де Crr виміряється) різко падає — Crr знижується на 18–24 %. Але при низьких температурах (0–30 °C, де wet grip актуальний) силіка з Si69-coupling-agent залишається активною: wet grip зберігається або зростає. Це «defying the magic triangle» — два кути одночасно покращено без compromise третього.
E-scooter contextual sourcing: tread compound для самокатних шин (10×2,125“, 8,5×2“, 11×3“) — це часто знижена specifically silica content (40–60 phr замість 80) щоб скоротити вартість. Якісні бренди (Schwalbe, CST/CHENG SHIN, Maxxis, Kenda) йдуть з silica/silane; bargain replacements (no-name AliExpress 10×2,125) — переважно carbon-black з підвищеним Crr і слабшим wet grip.
7. Гідропланування і критична швидкість Vp
Hydroplaning (aquaplaning) — втрата контакту шини з дорогою через водяний шар. Класична NASA TN D-2056 (1963) формула для авіаційних шин:
$$V_p = 9 \cdot \sqrt{p} \quad [\text{knots}, ; p \text{ in psi}]$$
де Vp — критична швидкість гідропланування, p — тиск інфляції шини. Цивільна (mph) форма для рібрів-протектора:
$$V_p = 10{,}35 \cdot \sqrt{p}$$
Конкретний рахунок для самокатної шини при 50 psi:
$$V_p = 10{,}35 \cdot \sqrt{50} = 73 \text{ mph} = 117 \text{ km/h}$$
Це значно вище за робочу швидкість самоката (25–45 км/год для більшості моделей; навіть Apollo Phantom v3 100 km/h max). Здавалося б, гідропланування не критичне? Не зовсім.
NASA-формула виведена для авіаційних шин зі стандартним rib tread і flat-bottomed contact patch. Для самокатів:
- Меньший контакт patch (17 vs 100+ см²) — менший об’єм води для evacuation.
- Нижчий tread depth (typical 2–4 мм new e-scooter тред vs 10+ мм motorcycle) — менш ефективна grooves.
- Bias-ply construction з flatter pad → гірше evacuation pattern.
Реальна критична швидкість для e-scooter pneumatic у воді 3 мм глибиною — ймовірно 60–80 % від NASA-формули, тобто ~70–95 km/h. Усе ще вище за робочу швидкість більшості, але достатньо близько, щоб проходити калюжі на повній газу ризиковано.
Tread groove evacuation rate — пропускна спроможність протектора:
$$Q = A_{\text{groove}} \cdot v_{\text{tire}}$$
де A_groove — поперечна площа канала протектора, v_tire — швидкість руху шини. Знижений tread depth (3 мм → 1,5 мм при зношенні) половинить Q → Vp падає на ~30 % за квадратним коренем. Це причина, чому зношені шини у дощ небезпечніші — і чому DOT FMVSS 119 вимагає treadwear indicators при глибині 0,8 мм (1/32“) як ознаку «треба замінити».
8. Casing construction: bias vs radial, TPI, Kevlar belt
Casing — структура шини під самим тред-протектором: тканинні шари, що несуть навантаження.
Bias-ply vs radial
| Параметр | Bias-ply | Radial |
|---|---|---|
| Кут ниток до бортівки | 45–60° (схрещуються) | 90° (прямо радіально) + circumferential belt |
| Sidewall stiffness | Висока (sidewall = тред continuous fabric) | Низька (sidewall гнучкий, незалежно від тред) |
| Тред stiffness | Помірна | Висока (через belt) |
| Heat buildup | Високий (constant flex of bias) | Низький (тред і sidewall flex independently) |
| Wear pattern | Швидший center wear | Рівніший |
| Контактна пляма @ 22 psi | Baseline | +30 % (за Schwalbe testing 2024) |
| Cost | Низька | Висока |
| Поширення у самокатах | Більшість (90 %+ ринку) | Преміум (Schwalbe Radial 2024+) |
Чому bias-ply переважає у самокатах попри переваги radial:
- Мала діаметр і ширина шини (10×2“) не виправдовує економічно складність radial production.
- Низькі швидкості (25–45 km/h) — heat buildup проблема bias-ply менш критична ніж у автомобілях на 130 km/h.
- Sidewall stiffness bias-ply корисна для бічної підтримки при поворотах із нахилом (compensates lack of substantial suspension).
TPI: Threads Per Inch
Threads per inch — щільність ниток у тканинному шарі casing. Стандартні градації:
| TPI | Casing weave | Властивості | Застосування |
|---|---|---|---|
| 60 | Coarse | Жорстка, важка, дешева, висока puncture resistance | Бюджетні самокати, off-road |
| 120 | Medium | Балансована | Mainstream urban e-scooters |
| 240–320 | Fine | Гнучка, легка, низький Crr | Performance MTB, premium scooter (Schwalbe Big Apple) |
| 600+ | Ultra-fine | Гоночна, ламка | Спортивні шосейні (Vittoria Corsa) |
Високий TPI = гнучкіший casing = краще обгортання довкола контакту з дорогою (більший effective grip), краща амортизація вібрації, нижчий Crr. Але також тонкіший шар casing matrix → менше захисту проти проколів, особливо боковин.
Aramid (Kevlar) belt — пара під тред-протектором з арамідних ниток. У шинах на самокатах із підкріпленим anti-puncture layer (Schwalbe Marathon E-Plus, CST C-1488) це шар aramid забезпечує 5–10× вищу puncture resistance ніж стандартний tread без вкладиша. Aramid має tensile strength ~ 3,6 ГПа (на 25–30 % вище за сталь по вазі) і теплостійкість до 500 °C — ідеальний матеріал для belt’у.
Tubeless vs tube-type, Hookless TSS vs UST
Дві конструктивні системи:
- Tube-type (TT) — традиційна: внутрішня камера з гумової трубки тримає повітря, шина-протектор тільки в shape. Pinch flat при недостатньому тиску — типова відмова.
- Tubeless (TL) — повітря тримається безпосередньо між herметизованим ободом і herметизованою бортівкою шини. Сealant (Schwalbe DocBlue Professional, Stan’s NoTubes, Slime tire sealant) закупорює маленькі проколи (до 3–4 мм) автоматично.
Hookless TSS (Tubeless Straight Side) vs UST (Universal System Tubeless):
- UST (Mavic 1999) — оригінальний стандарт з bead hook на ободі (С-shape lip), що тримає бортівку механічно. Високий рівень безпеки і висока внутрішня compatibility, але важчий обід.
- Hookless TSS (Tubeless Straight Side) — обід без hook’у, бортівка тримається тільки фрикцією і тиском. Легший і дешевший, але обов’язково суворо низький тиск (max 73 psi за UCI ETRTO 2023 standard для bike). Для самокатів на 50 psi tubeless hookless — норма.
Sealant chemistry
Стандартні tubeless sealants:
| Бренд | Основа | Particle | Temperature range |
|---|---|---|---|
| Schwalbe DocBlue Professional | Natural rubber latex + glycol | Кросс-link latex particles | −20…+50 °C |
| Stan’s NoTubes | NR latex + ammonia + fiber bits | Ammoniated latex + crystals | −5…+50 °C |
| Slime Tire Sealant | Latex + fiber + glycol | Латексні нитки + skin-coagulant | −20…+60 °C |
| OEM e-scooter “Jelly” | Variable | Полімер з high tack | Variable |
Sealant mechanism: при проколі під тиском повітря латексна емульсія виштовхується назовні, на повітрі швидко коагулює (полімеризується через відведення розчинника), формує локалізовану пробку діаметром 2–4 мм. Тиск зберігається, дальша їзда можлива. Для самокатних 10×2“ шин типова дозу 60–80 мл sealant’у.
9. Стандарти і сертифікація шин: повна порівняльна матриця
Шини самокатів регулюються комбінацією dimensional standards (геометрія, посадка), performance standards (endurance, traction, durability) і labeling standards (UTQG, marking requirements). Універсального single-standard для PLEV-шин не існує, тому виробники застосовують гібридний набір:
| Стандарт | Сфера | Версія | Що регулює | Юрисдикція |
|---|---|---|---|---|
| ETRTO Standards Manual | Геометрія шин і ободів | Edition 2024 | Dimensional compatibility — нормалізовані діаметри bead, sectional width, рекомендовані tire-rim pairs, hookless rim max pressure | Європа (де-факто світовий) |
| ISO 5775-1:2023 | Designation of bicycle tires | Part 1 — dimensions | Нумерація розміру (50-507 = 50 мм width × 507 мм bead diameter) — eliminate ambiguity ETRTO-style legacy | ISO глобальний |
| ISO 5775-2:2015 | Designation of bicycle rims | Part 2 | Геометрія ободу для compatibility з Part 1 шинами | ISO глобальний |
| DOT FMVSS 119 | New pneumatic tires for vehicles >4 536 кг + motorcycles | 49 CFR § 571.119 | Endurance test (steel test wheel 1 708 mm, 50 km/h, multiple load phases per Table III) + tread separation visual test + min treadwear indicator depth 0,8 мм | США (DOT mandated) |
| UTQG Uniform Tire Quality Grading | Treadwear/Traction/Temperature labeling | 49 CFR § 575.104 | Mandatory marking: TREADWEAR 80–700+ (multiples of 20), TRACTION AA/A/B/C, TEMPERATURE A/B/C | США passenger car tires |
| EN ISO 4210-7:2014 | Bicycle safety — Tires and rims test methods | 2014 | Rolling test 250 km, dynamic radial test 280 km, hose test, force application + adhesion verification | Європа (CEN harmonized) |
| EN 14781:2005 | Racing bicycles — Safety requirements | 2005 | Tire/rim для race bicycle (часто застосовується як reference for sport e-scooter) | Європа |
| EN 17128:2020 | PLEV — Requirements and test methods | 2020 | § Tire-pressure marking — обов’язкове MAX PRESSURE: x psi на боковині PLEV-шини; § 6.6 wheel assembly fatigue 50 000 cycles при rated load + 1,3 dynamic factor | Європа (для CE marking) |
| ECE Reg. R75 | Tyres for L-category vehicles (motorcycles, mopeds) | Rev 2 2018 | Endurance, dimensions, load index, speed rating for motorbike/L-category — referenced для high-speed e-scooter (>45 km/h, EU L1e-A category) | UNECE Geneva |
| SAE J1100 | Motor Vehicle Dimensions | 2009 | Dimensional vocabulary — defines terms section width, aspect ratio, etc. — harmonized з ISO 5775 для cross-reference | SAE міжнародний |
UTQG детальніше (US-only, але світовий reference)
Treadwear — порівняльна метрика з контрольною шиною NHTSA на стандартному 7 200-mile circuit у West Texas:
- TW 100 = контрольна шина зношується на стандартну відстань.
- TW 300 — шина зношується в 3 рази повільніше ніж контрольна.
- Premium шини: TW 500–800. Performance гоночні: TW 80–200.
Traction — wet braking deceleration вимірюється на standardized concrete і asphalt test surfaces за 49 CFR § 575.104 paragraph (f):
| Grade | Asphalt min g | Concrete min g |
|---|---|---|
| AA | > 0,54 | > 0,38 |
| A | > 0,47 | > 0,35 |
| B | > 0,38 | > 0,26 |
| C | ≤ 0,38 | ≤ 0,26 |
Temperature — стійкість до перегріву при високих швидкостях:
- A: можна сталий 185+ км/год без degradation.
- B: до 160–180 km/h.
- C: < 160 km/h.
Для e-scooter всі шини «легко» в A-категорії temperature, бо max швидкість сильно нижча.
EN 17128 § tire-pressure marking — конкретні вимоги для PLEV
EN 17128:2020 § 8 (Marking and information) вимагає обов’язково на боковині PLEV-шини:
MAX. PRESSURE: xx psi (yy bar)— максимальний тиск інфляції;LOAD MAX: zz kg— максимальне навантаження;- Tire designation per ISO 5775 (e.g.,
50-507); - DOT-equivalent serial (для traceability).
Pressure limit prevents pinch-blowout при overinflation; load limit prevents structural fatigue при overload. Перевищення MAX PRESSURE на 10 %+ підвищує ризик bead-blowout у 5–10× за тестами CPSC.
10. Engineering ↔ симптоми: diagnostic matrix
| Симптом | Engineering root cause | Перевірка |
|---|---|---|
| Швидкий center-tread wear | Overinflation → центр контактної плями несе непропорційну частку навантаження | Виміряти tread depth у центрі vs боковинах; зменшити тиск на 10–15 % |
| Швидкий edge wear | Underinflation → бічні частини контактної плями перенавантажені | Перевірити tread depth по краях; підняти тиск; перевірити alignment |
| Cupping/scalloping (хвилеподібний знос) | Loose wheel bearings, defective shock damping (resonance excitation), або misaligned camber | Перевірити підшипники, demper rebound, геометрію axle |
| Sidewall cracks (dry rot) | UV/ozone degradation NR/SBR matrix; anti-degradant migrated out (typically 5–7 років life) | Візуальний огляд; replace якщо cracks > 2 мм глибиною |
| Bead blowoff/blowout | Overinflation beyond MAX PRESSURE marking; hookless rim з high-pressure tubeless | Slow re-inflate, check MAX PRESSURE marking, replace якщо bead damaged |
| Pinch flat snake bite (паралельні проколи) | Underinflation + sharp impact (curb, pothole); камера зажата між ободом і tire bead | Підняти тиск; tubeless conversion усуває pinch-flat механізм |
| Slow leak без visible puncture | Bead leak (improper seating), valve stem leak, або slow porosity через sidewall (tube-type) | Soap-bubble test на bead/valve; tubeless sealant для sidewall porosity |
| Сильне hydroplaning у малому дощі | Tread depth < 1,5 мм; high-density tread (slick-style) з poor evacuation | Перевірити tread indicators 0,8 мм; replace якщо worn; вибрати tread з central groove |
| Plotting (drift) у повороті при стабільному газі | Slip angle > peak ~ 4–6° (вже у sliding region); μ нижче ніж очікувано (мокра дорога, gravel) | Знизити швидкість входу; повернутись на peak slip angle; перечитати техніку повороту |
| Підвищена вібрація на високих швидкостях | Wheel imbalance (sealant clump, mounting), or radial runout > 0,5 мм | Перевірити balance і trueness; повернути tire 180° на ободі і перевірити, чи проблема рухається разом з шиною |
| Дивний скрипливий звук | Bead не сів повністю на ободі; tire-rim resonance | Re-seat bead з помпою (швидкий impulse); soap water lubricant |
Recap — 8 ключових принципів
- Контактна пляма ≈ Load / Pressure —
p_infl · A_contact ≈ W_load(гідростатичний баланс). Більший тиск → менша пляма → менший Crr і менше зчеплення. - Опір коченню — 80–90 % гістерезис. В’язкопружна гума не повертає всю енергію деформації. tan δ @ 50–70 °C — ключова метрика.
- Kamm circle обмежує одночасний грип:
F_long² + F_lat² ≤ (μ · N)². Гальмувати і повертати на максимумі одночасно неможливо. - Сили генеруються через slip: longitudinal slip ratio для тяги/гальмування, slip angle для cornering. Peak — 3–6°, далі sliding region (втрата контролю).
- Magic triangle rolling resistance ↔ wet grip ↔ wear — фундаментальна compound trade-off. Silica/silane (Michelin 1992) — найважливіший прорив у tire industry, розрив’язує два кути.
- Bias-ply vs radial: bias переважає у самокатах через cost і вищу sidewall stiffness; radial дає +30 % контактну пляму при тому ж тиску.
- Hydroplaning Vp ≈ 10,35 · √p (mph) для типового rib-tread — реалістично 60–80 % NASA-формули для самокатних шин. Перевір tread depth ≥ 1,5 мм перед їздою у дощ.
- Стандарти-каскад: ETRTO + ISO 5775 (dimensions) → EN ISO 4210-7 + EN 17128 (test methods для PLEV) → DOT FMVSS 119 + UTQG (US market labeling). Завжди дотримуйся MAX PRESSURE marking на боковині — overinflation 10 %+ підвищує ризик bead blowoff у 5–10×.
Інженерія шини — це постійний компроміс між фізично несумісними цілями (зчеплення ↔ опір коченню ↔ зносостійкість ↔ вага ↔ comfort), розв’язуваний через грамотну композицію compound’у, casing’у і tread’у. Те, що мотор виробляє (CP мотор+контролер), і те, що гальмо розсіює (CN brake), фінально проходить через ці 20–60 см² гумової interface — і саме її здатність витримати миттєвий пік μ · N визначає, чи вгальмуєте ви на мокрому за 5 м чи 12, чи зробите поворот на 30 km/h чи sled на тротуар.