Зависимость эффективности торможения автомобиля от состояния шин колес
Самый совершенный набор тормозов абсолютно бесполезен, если шины не имеют достаточной силы трения об опорную поверхность. Независимо от того, как плотно, плавно и равномерно их давление может быть приложено к поверхности, торможение на сможет осуществится, если шина не оказывает эффективного сцепления с поверхностью дороги.
Двигающееся транспортное средство аккумулирует энергию, и не только ту, что автомобиль получает через трансмиссию от двигателя, но и энергию, полученную в результате импульса двигающегося транспортного средства. Эта энергия увеличивается со скоростью и весом автомобиля, и может быть израсходована и поглощена только путем воздействия сил противоположных направлению движения. Противодействующая сила, которая наиболее часто используется, чтобы управлять и поглощать накопленную энергию движения обеспечивается тормозом, который делает свою работу так тихо и так мало заметно, что мы склонны забывать о колоссальной задаче, которая выполняется каждый раз, когда мы жмем на педаль тормоза.
Возьмем, к примеру, грузовое транспортное средство, двигающееся на скорости 50 км в час, его накопленная энергия импульса на такой скорости - очень значительная величина, особенно если этот грузовой автомобиль тяжело нагружен. Тем не менее, когда это требуется остановить этот автомобиль, тормозные свойства трения шин колес преодолевают эту энергию и действуют до полной остановки. Для нас в этом нет ничего особенного или впечатляющего.
Но если на секунду предположить, что тот же импульс был поглощен в результате столкновения с кирпичной стеной, то автомобиль будет полностью разбит. Более того, мы сможем получить видимое доказательство силы импульса в виде деформаций узлов и деталей автомобиля, необходимых для поглощения и рассеивания накопленной энергии.
Таким образом, работа которую тормоз должен выполнить при заданном наборе условий (скорость, вес и т.д.), равна деформациям при столкновении с кирпичной стеной, разница только в том, что расход энергии при торможении происходит в более длительный период времени, так как замедление происходит постепенно.
Средой, через которую тормозное усилие направлено на преодоление скорости транспортного средства, является шина. С одной стороны системы, мы имеем импульс, двигающий транспортное средство вперед, а с другой стороны мы имеем тормоз, который пытается удержать ее, таким образом мы получаем пластическую деформацию шины колеса, которая образуется между двумя противоборствующими силами.
На данный момент многое зависит от свойств протектора шин. Если колесу не удается сохранить сцепление с дорожным покрытием, оно перестает быть подходящей средой для передачи противоборствующих сил, в результате чего каждая сила достигает своей цели совершенно независимо. Импульс транспортного средства, больше не противостоит тормозной силе, шина потерявшая сцепление с дорожным покрытием, несет автомобиль вперед и торможение больше не противостоит накопленной энергии импульса транспортного средства, по той же причине может появиться занос ТС.
Это почти идеальный пример перетягивания каната. Где роль веревки выполняет шина колеса, на одном конце которого находится накопленная энергия движущегося транспортного средства, в то время как на другом конце действует тормозное усилие. Каждая сторона веревки деформируется в усилиях сторон по преодолению друга. Есть три возможных результата: (1) тормоза победят; (2) импульс автомобиля победит; (3) трос лопнет.
Вариант, в котором веревка порвется, эквивалентен потере шинами своих свойств трения, в этом случае связь между двумя противостоящими группами сил будет потеряна, и каждая из них достигнет своей цели оказывая максимальную силу воздействия беспрепятственно относительно другой. Это точка, в которой тормоза автомобиля полностью блокируют вращение, при этом сам автомобиль перемещается вперед в заносе.
Шины Поддерживают Равновесие!
Одно из назначений шины в сохранении баланса между силами движения и торможения. Шина передает на опорную поверхность тормозное усилие, которое пытается преодолеть инерцию, но она также передает силу импульса, которая пытается преодолеть силы торможения. Именно поэтому сама шина должна обладать свойствами эластичности и быть прочной. Прочность шине придает внутренняя структура корда, эластичность резина. При деформации шина теряет некоторую часть энергии передаваемой ей тормозным механизмом, либо трансмиссией. Конструкция шины рассчитана производителем таким образом, что при торможении тормозное усилие распределяется ровно и стабильно, для того чтобы водитель мог контролировать процесс торможения ТС без проскальзывания колес в направлении движения автомобиля.
Занос автомобиля при торможении представляет собой потерю функции выполнения основной задачи шин по сцеплению с дорогой при полной независимости и успешной работе двух других сил. Для лёгкости восприятия мы должны рассматривать стабильность и торможение отдельно, одно как работа шины другое как обязанности тормоза. Конечно, в современных автомобилях, оборудованных такими системами как ABS или ESP проскальзывание колес в принципе почти невозможно, однако мы не будем пока рассматривать роль этих систем и остановимся на ситуации, когда блокирование колеса возможно с выходом автомобиля в занос при максимальном сцеплении тормозных колодок с тормозными барабанами или дисками. В большинстве случаев результатом является проскальзывание колеса в направлении вектора сил инерции, двигающей автомобиль вперед, что в итоге приводит к полной потере курсовой устойчивости.
"Стабильность транспортного средства зависит от третьей силы, которая действует по касательной к самой шине в противоположном направлении вектору силы торможения. Эта сила прикладывается к эллиптической области протектора шины, которая находится в контакте с дорогой. Важно, что эта сила, которую мы будем называть C, должна быть больше, чем сила торможения, в противном случае проскальзывание колеса неизбежно.
Нагрузка на шину и трение
Значение C является переменной в зависимости от обстоятельств, основные влияния оказывает нагрузка на шину (L) и коэффициент трения автомобильных шин (f). Изменения первой величины находится под полным контролем водителя и эти данные могут быть получены нами с абсолютной точностью. Коэффициент трения установить точно не так легко, однако, он меняются в зависимости от рисунка протектора шин, степени износа, и от характера дорожного покрытия - влажного или сухого, грубого или гладкого. Принимая средние показатели для гладкой, сухой дороги при среднем износе шины получаем значение f, которое составляет около 0,6.
Сила С, от которого зависит стабильность, равна произведению L и f. Таким образом, если предположить, что f является постоянной (как это было бы, если бы мы путешествовали по ровной дороге в сухой день) значение С увеличивается по мере роста нагрузки. Но более важным, при взгляде на эту величину является то, что, если наша нагрузка постоянна величина С контролируется изменениями в f. и различиями в коэффициенте трения шины на дороге, вообще говоря, гораздо серьезнее влияет на безопасность, с точки зрения стабильности, чем изменение нагрузки.
Предположим, у нас есть грузовой автомобиль, который оснащен шестью колесами (факт, что он имеет только четыре тормоза не влияет на расчет) и нагрузка на каждой шине (L) 3000 кг, то есть, общий вес 18000 килограмм.
Как мы уже поняли C = L X f, поэтому C = 3000 x0.6 = 1800 кг.
Это сила 1800 кг работающая на каждой из шести шин в направлении противоположном движению транспортного средства. Таким образом, общее усилие замедления составляет 6*1800 = 10800 кг. Но автомобиль, как мы видели, имеет нагрузку 3000 кг на каждой шине и, следовательно, весит 18000 кг, при использовании этих цифр эффективность торможения будет рассчитана как (108/180) *100% = 60 %.
Давайте рассчитаем влияние сокращения значения f .
На той же ровной дороге, если поверхность становится мокрой, коэффициент трения (f) уменьшается на две трети от 0,6 до 0,2. Таким образом, при неизменных других факторах, C = 3000 x0.2 = 600 кг. Максимальная мощность замедления становится 6х6 = 36 ц. и эффективность торможения рассчитывается как (36/180) x 100%= 20 %. Очевидно, что падение двух третей коэффициента f вызывает эквивалентное снижение эффективности торможения. Тормозной путь транспортного средства будет в последнем случае в три раза больше, чем в первом. Кстати, сокращение L будет иметь такой же эффект.
Почему эффективность торможения падает, хотя само тормозное усилие на педаль тормоза остается неизменным? Почему мы потеряли две трети нашей эффективности торможения? Просто потому, что шина не сможет обеспечить достаточную силу С, когда дорога становится мокрой?
Что мы можем сделать, чтобы контролировать эту ситуацию, и для повышения курсовой устойчивости нашего автомобиля? Просто, увеличить тормозное усилие недостаточно; Для тех пор, пока тангенциальная сила С не равна по меньшей мере силе торможения колеса будут заблокированы и автомобиль будет скользить по дороге. Увеличить нашу силу замедления путем увеличения нагрузки L во время движения невозможно по понятным причинам. Вопросы переноса и распределения веса важны, но они выходят за рамки настоящей статьи, в данном случае они просто осложнят понимание проблемы.
Таким образом, нам остался коэффициента трения шин f. Состояние дорожного покрытия при движении автомобиля, мы изменить не можем. Если оно гладкое, мы не можем обеспечить шероховатость, если оно будет мокрым, мы не можем высушить его. Все, что мы, можем сделать, чтобы увеличить значение f - это обеспечить себя хорошими шинами, которые окажутся способными оказывать "максимальное сцепление». Очевидно, что гладкая шина имеет более низкий коэффициент трения, чем та, которая имеет глубокий рисунок протектора. Именно поэтому, как только рисунок протектора изнашивается покрышка должна быть своевременно заменена. Помните - если ваши шины не будут достаточно хороши, ваши тормоза вам не помогут!
