מדריך ג'יפולוג לצמיגי שטח - חלק III, הנדסת צמיגי שטח

חלק ראשון - קריאת נתוני צמיג | חלק שני - מידות הצמיג | חלק שלישי - הנדסת צמיגי שטח

חלק רביעי - החישוק (ג'אנט) | חלק חמישי - סיכום, איך בוחרים צמיג?

קריאה נוספת: צמיגים, כביש ואחיזה | למה צמיג גדול חשוב ברכב שטח?

מנגנוני האחיזה בשטח

יש מגוון גדול  של פרופילים לצמיגי שטח. אבל מה עושה פרופיל שטח ליעיל? על מנת להבין זאת, ננסה קודם להבין מה נדרש מצמיג שטח, ולשם כך תרשו לנו להסביר מעט על מנגנוני אחיזה בשטח.

בכביש, החיים פשוטים. אחיזה = חיכוך. מקדם החיכוך בין הצמיג למשטח עליו הוא מתגלגל יקבע באופן מלא את הכוח שהצמיג מסוגל להעביר לקרקע (זה בגדול. עוד על מנגנוני אחיזה בכביש). אולם בשטח, יש מנגנוני אחיזה נוספים ושונים.

העברת כוח ישירה: דמיינו מדרגות עשויות קרח. מעשית, אפשר לטפס על מדרגות אלו בהליכה מדודה וזהירה, למרות שמקדם החיכוך בין הנעל לקרח הוא אפסי. אם נניח רגל על המדרגה, ונעביר את משקל הגוף באופן מדוייק לרגל, בלי לייצר כוח נורמלי בשום כיוון פרט לכיוון מטה, הרי שנוכל לטפס על המדרגה. זה, כמובן תיאורטי לחלוטין, אבל באופן מעשי, מספיק מקדם חיכוך קטן מאוד על מנת להעביר את הכוח מהרגל למדרגת הקרח ולטפס עליה. הפעלת הכוח הכמעט טהורה בין הרגל למדרגה היא העברת כוח ישירה. בדומה לכך, ניתן לחשוב על צמיג ובו קוביות גדולות מאוד, ועל מדרגת סלע עם פינה חדה. ה"שן" של הצמיג תיתפס על מדרגת הסלע, ותעביר כוח באופן ישיר, מסתייעת בתנועה לפנים שמייצרים הצמיגים האחרים. (בתמונה - Krawler, הטעות במקור, של חברת BFGoodrich, נמכר במידות של 35 אינץ' ומעלה ונחשב לצמיג זחילת הסלעים היעודי הטוב בעולם).

אחיזה בקרקע גרגרית: קרקע גרגרית הוא שם יפה לחול, בוץ, חימר וכולי. הקרקע הגרגרית היא תמיד שילוב של שני סוגי קרקע קיצוניים. בצד אחד, חול יבש. לחול היבש שתי תכונות עיקריות. הראשונה, הגרגרים שלו אינם נדבקים זה לזה כלל. השניה, בין הגרגרים יש חיכוך. בצד השני, יש קרקע דומה לחרסית או חימר. גם לחימר יש שתי תכונות עיקריות, הפוכות כמובן. הראשונה- הגרגרים שלו נדבקים זה לזה. השניה- אין כל חיכוך בין הגרגרים. אם נבין כיצד צמיג מעביר כוח לקרקע בשתי תצורות הקרקע הללו, נבין כיצד הוא יעביר כוח לקרקע בכל תצורה אחרת שביניהם.

חול = קרקע עם חיכוך וללא הדבקה: בזמן נסיעה על חול יבש, הצמיג מפעיל לחץ על השכבה העליונה של גרגרי החול. גרגרי החול שבשכבה הראשונה מפעילים לחץ על השכבה שתחתיהם וכן הלאה. העומס שמפעיל גרגר חול על הגרגר שתחתיו, בצירוף החיכוך שביניהם, מעביר את האחיזה מהצמיג לקרקע. במנגנון כזה, נדרש שטח מגע גדול ככל האפשר בין הצמיג לחול, על מנת ליצור חיכוך בין מספר גדול ככל האפשר של גרגרים. נדרש גם שהצמיג יהיה בעל מתאר "רך" ומעוגל- ללא פינות חדות שישברו את החול וימנעו מהכוח לעבור משכבה לשכבה. כדאי גם שהצמיג יהיה גדול ככל האפשר, לא רק על מנת ליצור שטח מגע גדול, אלא גם כדי להקטין ככל האפשר את גובה "מדרגת" החול הנערמת בקדמת הצמיג, ביחס לקוטר הצמיג, ועל ידי כך להקטין את ההתנגדות לתנועה ככל האפשר. יש אפילו צמיגים בעלי חתך עגול (בדומה לצמיגי אופנוע), המגדיל  עוד יותר את שטח המגע של הצמיג עם הקרקע. (בתמונה צמיג חול טהור לרכבי דיונות - sand rails - בעל פרופיל מעוגל וגם כפות)

חרסית = קרקע עם הדבקה וללא חיכוך: כאן מנגנון העברת הכוח שונה לחלוטין. קוביה של צמיג החודרת לתוך האדמה ומסתובבת, לוחצת לאחור אדמה, מדביקה ודוחסת אותה לכדי "גוש" אדמה קשיח. ה"גוש" נלחץ לאחור ומעביר את התנועה בהעברת כוח ישירה בינו לבין הקוביה של הצמיג, בכיוון האופקי. על מנת לייצר אחיזה גדולה, כדאי שהקוביות יהיו גדולות, יחדרו לתוך האדמה וידחסו "גושים" גדולים ככל האפשר של אדמה. בנוסף, כדאי שהצמיג יהיה גדול, על מנת שמספר גדול ככל האפשר של קוביות יחדור לקרקע.

שמים לב למכנה משותף אחד בין כל סוגי הקרקע ומנגנוני האחיזה? בכל מקרה כדאי שהצמיג יהיה גדול...

המעניין הוא שצמיגי הבוץ הטובים מתאימים גם לשטח סלעי- הם גמישים וחובקים את הסלע, ויש להם פינות שנוגסות בפינות הסלע- הקוביות הגדולות משמשות כ"מדרגות" ומעבירות כוח באופן ישיר לבליטות בסלעים.

פרופיל צד כבר באמצע המאה הקודמת, על כלי רכב ממזרח אירופה ראינו צמיגים שהפרופיל שלהם נמשך גם לדופן הצמיג. בבוץ, אין טוב מזה- לא רק המדרס חודר לבוץ ודוחף את הרכב, גם פרופיל הצד משתתף בעבודה, כשהוא נוגס לתוך שולי הקוליסים ומייצר עוד דחף. בסלעים מדובר בחגיגה ממש - אפשר לטפס על סלע בעזרת דופן הצמיג בלבד! ובחול אפשר להוריד את הלחץ ללחץ נמוך מאוד, כזה שגורם למרווח בין הקוביות שבמרכז המדרס להיסגר, ואז הקוביות של פרופיל הצד כמעט משתטחות על הקרקע הרכה ומייצרות אחיזה (בתמונה - פרופיל צד של צמיג גודייר MT/R)

איך יודעים שצמיג מסויים מתאים לשטח?

יש כמה פרמטרים קלים לזיהוי. הראשון הוא קוביות גדולות, ביניהן מרווחים גדולים ועמוקים. המרווחים הגדולים בין הקוביות הם מרכיב קריטי בגמישות הצמיג. צמיג גמיש יוכל לחבוק סלע, כאשר הוא בלחץ אוויר נמוך. החריצים הרחבים גם מאפשרים לצמיג לפנות רטיבות ובוץ ביעילות ולא להסתם ולהפוך חלק לחלוטין, ללא אחיזה. העומק הגדול של החריצים (או גובה הקוביות- תלוי מאיזה צד מסתכלים על זה) מאפשר לצמיג לחדור לקרקע בוצית ולהעביר אליה את הכוח, כפי שהוסבר קודם. על מנת שקוביה גבוהה לא תישבר, היא צריכה להיות בעלת שטח גדול, וכך מתקבל צמיג עם קוביות גדולות.

מעניין לנתח את צורת הקוביות בצמיגי השטח המובילים. במקום חריצים ניצבים למדרס, צידי החריץ משופעים- השיפוע מאפשר לבוץ להשתחרר יותר בקלות כאשר הצמיג מתגלגל והמדרס מתרומם מן הקרקע, על ידי מניעת היווצרות ואקום בין גוש הבוץ לחריץ. עוד בתוך החריץ, תוכלו למצוא במקרים רבים חיזוק, מעין "רכס" שמתרומם בתוך ה"קניון"- החריץ הזה מונע את קריסת הקוביות אך יותר חשוב – דוחף את גוש הבוץ כלפי חוץ. מה שאין בצמיג אגרסיבי הם חריצי היניקה הקטנים המצויים על הקוביות בצמיגי כביש.  כאשר הצמיג מונח על הכביש והקוביה מתכווצת, החריצים האלו מתמלאים מים. כשהקוביה מתרוממת מהכביש, החריץ נפתח, ויונק לתוכו את המים- מרים אותם מהכביש. כאשר הקוביה ממשיכה ומתרוממת, האינרציה זורקת את המים החוצה. חריצים כאלו בקוביות גדולות היו גורמים להיחלשות הצמיג- ולכן מוותרים עליהם בדרך כלל כמעט לחלוטין.

החסרונות של צמיג שטח ברכב דו-שימושי

אחיזת כביש: צמיגים בעלי פרופיל אגרסיבי - "צמיגי בוץ" בכינוי המקובל - מגלמים בתוכם פשרות. אם בצמיג כביש אפשר להאריך שכ80% משטח המדרס אכן נוגע בקרקע, הרי שבצמיג אגרסיבי, שטח המגע עומד על כ50% בלבד. האם מדובר בצמיג מעוט אחיזה יחסית לצמיג כביש? כן, בהחלט. אבל אין צורך להבהל. ההשפעה על ביצועי הרכב, אפילו בכביש רטוב, קטנה מאוד. הסיבה היא לחץ האוויר. שכשמתאימים אותו לסוג הצמיג והרכב, שומרים בסך הכל על שטח מגע קבוע ומספק בין הרכב לקרקע. בתנאים קיצוניים של כביש רטוב, נדרש משנה זהירות עם צמיגי שטח אגרסיביים, אבל אותה זהירות נדרשת ממילא כיוון שכלי הרכב עליהם הצמיגים הללו מורכבים מראש סובלים מתכונות דינמיות גרועות מאוד ביחס למכונית כביש. זה לא שהתקנת צמיגי כביש ספורטיביים על ג'יפ סופה ישפר את התנהגותה משמעותית.

רעש מאפיין צמיגי שטח. ככל שהקוביות גדולות יותר, עולה רמת הרעש. היצרנים עושים ככל יכולתם להפחית את הרעש, בין השאר על ידי כך שכמעט ואין שתי קוביות בגודל זהה על צמיג אחד (לא מאמינים? צאו והביטו בצמיג מודרני, ותדהמו לגלות שכל קוביה שונה מרעותה. לפעמים ההבדל בולט ולפעמים הוא מילימטרים, אבל כמעט כל הקוביות שונות!) כך נמנע רעש כתוצאה מתדר קבוע, והצמיג שקט יותר.

בלאי מואץ:  צמיג גמיש מתבלה מהר. שכבת הבסיס של הצמיג עובדת קשה מאוד בשטח, מתעוותת לכל הכיוונים ועם הזמן הגומי והפלדה מתעייפים, ונוצרים סדקים פנימיים בצמיג.

מבנה הצמיג - רדיאלי-דיאגונלי ושכבות

מכיוון שהשנה היא 2007 והבטחנו מדריך מעשי, נסתפק בתקציר  ההיסטוריה של טכנולוגית הצמיגים (דנלופ-גודייר-מישלין... מעניין אתכם? הקלידו tire בוויקיפדיה) .הצמיג המודרני הוא בעל מבנה רדיאלי. הוא מורכב משכבות  (plies) המחוזקות בסיבים סינטטיים הנמתחות בכיוון הרדיוס של הצמיג, ניצבות לכיוון הגלגול. מעל השכבות האלו נמתחות שכבות עם כיוון הגלגול, המהוות בסיס למדרס (Thread) - גוש הגומי שנותן לצמיג את הפרופיל שלו. התוצאה היא מדרס שטוח, רחב, שאינו משנה את גודלו עם העומס על הצמיג (ולכן צמיגים אלו רגישים הרבה פחות ללחץ אויר מדויק מאשר קודמיהם הדיאגונלים),  והחיכוך הפנימי בין שכבות הצמיג קטן בהרבה מאשר בצמיגים הדיאגונלים בהם השכבות הוצלבו. הצמיגים הרדיאלים לכן מתחממים פחות, מאריכים חיים הרבה יותר, ויכולים להיות הרבה יותר גמישים. בשורה התחתונה,  היום צמיגי מכוניות ומשאיות קלות (light truck) אליהם משתיכים צמיגי השטח נושא המדריך הזה,  הם  כולם רדיאליים.

נתון אחד שמעניין אותנו הוא מספר השכבות בדופן. בתמונה משמאל (חתך של צמיג חקלאי, באדיבות מישלן) ניתן לראות 4 שכבות בדופן הצמיג. בנוסף, ישנם עוד 4 שכבות חיזוק, ניצבות לשכבות הרדיאליות. על צמיגי כזה יאמר שיש לו 4 שכבות בדופן ו8 שכבות במדרס.

לצמיגי רכב שטח, בדרך כלל 2 שכבות בדופן. ישנם מספר מצומצם של יצרנים עם 3 שכבות בדופן. 4 שכבות בדופן תמצאו רק בצמיגי שטח מיוחדים במידות גדולות יותר מהרלוונטיות לרובנו. יש עדיפות ברורה לצמיגים בעלי 3 שכבות. הדופן שלהם חזקה ועמידה יותר בפני קריעה במידה מובהקת. קריעה של הדופן כתוצאה ממפגש עם גוף חד, "טראומה" בלשון הרופאים, היא גורם מוות מוביל של צמיגים בשטח.  אין מבחר גדול של צמיגים עם שלוש שכבות - ואלו שקיימים, עולים הרבה.

למה צמיגים נכשלים?

בנסיעת שטח כאמור, צמיגים נכשלים לרוב בגלל טראומה רגעית. לחיצה מול פני סלע משונן, עליה על ברזל זוית חבוי או שאריות ברזל הקבורות בשטחי אש. בהנחה שנהיגה זהירה - ומזל - מונעים מהצמיגים שלכם מוות מוקדם שכזה, מה כן גורם לצמיגים למות בטרם עת? כולנו מכירים את שאריות צמיגי המשאיות הפזורות בצידי הכבישים המהירים. כמעט תמיד מדובר בסוליית הצמיג שנפרדה לשלום משאר הצמיג, וזה לא מקרי.

גורם הכשל העיקרי בצמיגים הוא חום. בשביל להבין מהיכן מגיע החום לצמיג, נחזור לתפקוד הבסיסי של צמיג, והוא מערכת של קפיץ ומרסן. זה שהצמיג מתפקד כקפיץ- זה ברור. בעת הפעלת עומס על הצמיג, הוא נפחס, האוויר נדחס בתוכו, ואוגר אנרגיה. כשהאנרגיה הזו משתחררת, הצמיג מפעיל כוח כלפי מעלה, דוחף את הרכב בחזרה. אם מעמיסים צמיג על מנת לבדוק את הקשר בין הכוח למעוות שלו, על מנת לגלות את קבוע הקפיץ שלו, מגלים עוד דבר מעניין. בדרך חזרה, יש אנרגיה שהולכת לאיבוד. אם גרף ההעמסה הוא לינארי (והשיפוע שלו הוא קבוע הקפיץ), הגרף שישרטט הצמיג בחזרה אינו לינארי. החלל הריק בין שני הגרפים נגרם כתוצאה מהיסטרזיס, והוא למעשה אנרגיה אבודה. אבודה? אין כזה דבר, האנרגיה ה"אבודה" היא למעשה חום שמתפתח בצמיג, ומודל בו קפיץ מאבד אנרגיה בזמן חזרתו, הופך את מודל הקפיץ הטהור למודל של קפיץ + מרסן. עוד עובדה מעניינת היא שלמרות שהכוח שהצמיג מפעיל בזמן ההעמסה תלוי רק במידת הכיווץ שלו, האנרגיה אותה הוא מאבד בזמן החזרה תלויה במהירות בה מבצעים את הפעולה- בדיוק כמו בולם זעזועים. הגדרת הכוח כתלות במהירות היא קבוע הריסון של המערכת.

אז הבנו מאין מגיע החום, ועכשיו ננסה להבין לאן הוא הולך. אחת הבעיות העיקריות עם מבנה הצמיג, היא שהוא בנוי מסיבי פלדה יצוקים בתוך גומי. הגומי מתחמם ומתקרר, הפלדה מתחממת ומתקררת, וכל אחד מהם לחוד מתפשט ומתכווץ. כל אחד מהם מתפשט ומתכווץ במידה שונה, ולאורך זמן, הפלדה מתחילה להיפרד מהגומי. אבל זה עוד לא נורא כל כך. גומי מתפרק כתוצאה מחום, ומתפרק כתוצאה מחימום וקירור חוזרים ונשנים, וזה כבר כן נורא. הגומי עצמו מפנה חום כלפי חוץ, לאוויר, ועושה זאת טוב יותר במקומות בהם הצמיג דק יותר. הנקודה החמה ביותר היא הנקודה העבה ביותר בצמיג- וזה קורה בכתפיים, בדיוק בחיבור בין הסוליה לבין דופן הצמיג.

כיוון שקבוע הקפיץ של הצמיג תלוי ביחס בין העומס עליו ללחץ הניפוח, וכיוון שהעומס הוא שילוב של מהירות ומשקל על הצמיג- לחץ ניפוח נמוך שאינו מתאים לעומס יתר (כפשוטו- משקל גדול מדי) או למהירות גבוהה , יתבטא בטמפרטורה גבוהה בצמיג. הטמפרטורה הגבוהה תגרום להיפרדות השכבות, הטמפרטורה הגבוהה תגרום לפירוק הגומי, ובסופו של דבר, הטמפרטורה הגבוהה תגרום להתפרקות הצמיג, בדיוק במקום בו החום הוא הגבוה ביותר- כתפי הצמיג. התוצאה ידועה מראש- סוליה שנפרדת מהצמיג.

>>>  להמשך המדריך...

חלק ראשון - קריאת נתוני צמיג | חלק שני - מידות הצמיג | חלק שלישי - הנדסת צמיגי שטח

חלק רביעי - החישוק (ג'אנט) | חלק חמישי - סיכום, איך בוחרים צמיג?

קריאה נוספת: צמיגים, כביש ואחיזה | למה צמיג גדול חשוב ברכב שטח?