7

Лекция № 5

Тема лекции:

Торможение на скользких (мокрых) покрытиях

План:

1. Шины для движения по мокрым (скользким) дорожным поверхностям

2. Автоматическое регулирование тормозных сил автомобиля

3. Антиблокировочные системы

Шины для движения по мокрым (скользким) дорожным поверхностям

Автомобильные шины бывают различных конструкций. В зависимости от соотношения высоты профиля Н к его ширине В шины могут быть подразделены на: шины обычного профиля, низкопрофильные, сверхнизкопрофильные и шины с определенным соотношением профиля (арочные).

В зависимости от конструкции шины бывают диагональными, которые имеют перекрестное расположение слоев в каркасе, причем угол наклона нитей к экватору составляет 35–38° в "нормальных" конструкциях, 30–34° в спортивных шинах, уменьшаясь до 26° в высокоскоростных и гоночных шинах. Чем меньше этот угол, тем лучше передаются боковые силы и тем легче получить более низкий профиль.

Радиальные шины имеют в своем каркасе – от борта к борту – значительно больший угол наклона: 85–90°, и если бы только каркас являлся несущим элементом, то шина бы получилась круглого сечения (Н/В » 1) и имела слишком большую податливость в контакте под действием боковых и продольных сил. Это предотвращает наложенный на каркас пояс (брекер), состоящий из нескольких слоев корда. В этих слоях угол наклона нитей к экватору составляет 6–10°. Боковые силы, приложенные в контакте колеса с дорогой, стремятся сдвинуть пояс из среднего положения, и это привело бы к уменьшению диаметра шины, если бы не противодействие внутреннего давления. Поэтому из соображений безопасности движения при радиальных шинах следует обращать особое внимание на строгое соблюдение предписанного заводом давления воздуха.

В течение последних лет на легковых и комбинированных автомобилях диагональные шины были почти полностью вытеснены радиальными.

Преимуществами радиальных шин являются: меньший износ и меньшее сопротивление качению, что достигается за счет стабилизирующего действия пояса, особенно если последний изготовлен из стального корда; лучшую передачу продольных и боковых сил; безупречное качение по прямой; более быстрая реакция на поворот руля; меньше чувствительность к переезду через препятствие; лучшие характеристики упругости (это имеет место при скоростях свыше 80 км/ч и объясняется тем, что радиальная шина почти не изменяет своего профиля на большой скорости); большая грузоподъемность по сравнению с диагональной такого же размера.

Среди недостатков, особенно присущим радиальным шинам со стальным кордом, можно назвать следующие: более жесткое качение, которое компенсируется продольной податливостью либо в опорах рычагов подвески, либо в креплении поперечины; большая масса, особенно в сравнении с диагональными шинами, которые имеют два слоя в каркасе; больший момент инерции относительно оси вращения (проявляется при разгоне и торможении).

Проскальзывание и коэффициент сцепления

Если катящаяся шина передает в точке контакта продольную силу, например, тяговую Р_т, то между шиной и поверхностью дороги возникает определенное относительное перемещение, т. е. кинематические потери. Периферия ведущего колеса имеет большую скорость, чем сам автомобиль. Проскальзывание имеет обозначение l и рассчитывается по формуле:

, (28)

где v_a – скорость автомобиля; w_к – угловая скорость колеса; r₀ – свободный радиус колеса.

Чем больше сила, которую необходимо передать (например, на низших передачах при движении на подъеме или при разгоне), а также чем больше неровность и влажность дорожной поверхности, тем большее устанавливается проскальзывание. Как видно из рис. 10, на сухой дороге колеса при проскальзывании около 15–25% имеют наилучшие возможности передачи сил, т. е. трение при этом максимальное, оно выражается продольным коэффициентом сцепления j_х. Относительно колеса j_х определяется как продольная сила Р, деленная на нормальную силу R_z, т. е.

. (29)

Рис. 10. Коэффициент сцепления j_х = m_k шин с H/В >= 0.82 при 80 – 90%-ной глубине стандартного дорожного рисунка протектора на скорости около 60 км/ч, представленный в функции проскальзывания, на дорожных покрытиях различного состояния. Радиальные шины серии 70 на сухой дороге имеют значения примерно на 10% выше, а серии 60 – на 20% выше: 1 – бетон сухой; 2 – асфальт сухой; 3 – асфальт мокрый; 4 – снег; 5 – лед.

Зависимость коэффициента трения скольжения от дорожной поверхности

Слишком сильное торможение или резкое увеличение подачи топлива приводит к тому, что проскальзывание достигает величин больше 25%, т. е. коэффициент сцепления и возможность передачи сил падают. При 100%-ном проскальзывании, т. е. при торможении с блокированными колесами либо трогании с места с буксующими колесами, коэффициент сцепления j_х переходит в коэффициент трения скольжения j_L. Этот показатель, как можно видеть из формы кривых на рис. 10, имеет значение на 15 – 30% ниже. Коэффициенты j_х и j_L зависят от скорости движения, что подтверждено многочисленными испытаниями. Как видно из рис. 11, на сухой дороге при скоростях менее 10 км/ч возможны максимальные значения j_L = 1,25, что можно объяснить явлением “зацепления” между элементами дорожной поверхности и протектора. Радиус шины при этом уменьшается от динамического до статического, следствием чего является увеличение длины и ширины пятна контакта.

Рис. 11. Коэффициент трения скольжения j_L = m_L при блокированных колесах, в зависимости от скорости движения и состояния дороги. Испытания проведены на радиальных шинах серии 82 с поясом из стального корда и дорожным рисунком, глубина которого составляла 80 – 90% первоначальной. Температура льда составляла около 0°: 1 – сухо; 2 – сыро; 3 – мокро; 4 – снег; 5 – лед.

На неровных дорожных поверхностях или поверхностях с меньшей шероховатостью коэффициент трения имеет меньшие значения, чем на цементобетоне. Значение коэффициента трения скольжения зависит не только от дороги, но в равной степени и от шины: вида и глубины рисунка протектора, каркаса. Вопреки распространенному прежде мнению, гладкая шина – без рисунка протектора – на сухой дороге имеет лучшее сцепление, чем шина с полным или малоизношенным рисунком. Однако на мокрой дороге и, в особенности на льду картина получается обратная.

Увеличение скорости движения приводит к падению коэффициентов сцепления и трения скольжения на диагональных шинах: центробежные силы приводят к увеличению динамического радиуса, в результате чего площадь контакта уменьшается, и возможность передачи продольных сил снижается. Радиальные же шины с поясом из стального корда при скоростях выше 60 км/ч практически не изменяют своей формы. Это обеспечивает то преимущество, что на таких шинах серии “82” коэффициент трения скольжения на сухой дороге падает значительно меньше и при скорости 140 км/ч можно еще считаться с j_L = 0,8 (см. рис. 11). Аналогичным образом широкие шины имеют больший коэффициент трения скольжения и на влажной дороге, при всех других погодных условиях они не обеспечивают каких-либо преимуществ.

Аквапланирование

Во время сильного дождя и ливня на дороге образуются лужи, опасность которых зависит как от их глубины, так и от скорости движения. Оба эти фактора способствуют “всплытию” шины, или, употребляя специальную терминологию, появлению аквапланирования. Рис. 12 (публикация фирмы “Данлоп”) наглядно иллюстрирует этот эффект всплытия и, кроме того, при гладких шинах на скорости около 100 км/ч имеющийся коэффициент сцепления составляет всего около j_х = 0,1, что делает передачу сил между шинами и дорогой весьма проблематичной. При торможении в этом случае автомобиль продолжал бы двигаться прямо с почти неизменной скоростью; шины не могли бы передавать больше боковых сил, и управляемость была бы утрачена автомобилем. Воздействие внешних сил в это время могло бы сместить автомобиль в сторону.

Рис. 12. При наличии луж на дороге появляется опасность “всплытия” гладкой шины при повышенных скоростях и толщине водяной пленки свыше 1 мм: 1 – водяная пленка; 2 – дорога; 3 – полная площадь контакта; 4 – водяной клин; 5 – уменьшенная площадь контакта; 6 – отсутствие контакта.

Более благоприятным, чем стандартный дорожный рисунок протектора, является рисунок шин М&S (крупный рисунок увеличенной до 12–13 мм глубины для лучшего сцепления) и т.н. "дождевых", показанных на рис. 13; крупные выступы легче продавливают водяную пленку.

а б

Рис. 13. Гидроскольжение шин "Pirelli Р 4000" (а) и "Goodyear NCT 2" (б).

Главная отличительная черта дождевой шины - глубокий водоэвакуационный канал (иногда их два или даже три), делящий широкую шину на узкие "полушиния". Правда, на отдельных моделях такого канала нет вообще (рис. 13, б). Вода по каналу и по нарезанным "елочкой" поперечным канавкам (ламелям) выбрасывается из пятна контакта, что предотвращает аквапланирование. Зачастую, чтобы добиться хороших сцепных свойств как в продольном, так и в поперечном направлении, подбирают состав смеси с повышенными качествами держания, обеспечивающий максимальное сцепление с микрошероховатостями дорожной поверхности.

Склонность к аквапланированию определяется удельным давлением, поэтому узкие шины при их относительно небольшой площади контакта имеют меньшую склонность, а широкие шины низкого профиля уже при малом износе более склонны к этому. К этому надо добавить еще зависимость от давления воздуха: чем оно больше, тем выше скорость v_A, при которой начинается всплытие шины при Н/В >= 0,82.

Движение по льду и снегу

Такие же проблемы, как летом вода, доставляет зимой гололедица. Значения коэффициента сцепления составляют при этом j_х » 0,1 (0 °С). Эти значения зависят еще от глубины и вида рисунка протектора. Кроме этого, оказывает влияние различная температура льда. Из исследований известно, что при температуре около 0° коэффициент сцепления j_х шины серии "82" с рисунком М&S лишь незначительно превышает коэффициент трения скольжения j_L.

Заторможенная машина может стоять на уклоне, численно меньшем, чем коэффициент трения скольжения (см. ф-лу 29). Проще говоря, на уклоне 0,05 при гололедице (j_L=0,1) машину удержит и "ручник", когда заторможена лишь задняя ось. На уклоне 7–8% (0,07–0,08) один "ручник" может не предотвратить скольжения, поэтому на передне- или полноприводной машине нужно включить передачу, чтобы затормозить и передние колеса. Хуже с заднеприводной. А на ледяном уклоне 10% и большем никакие тормоза не держат. Во время движения, пока колеса катятся без проскальзывания, машиной можно управлять. Скажем, не очень скользкий лед (j_х=0,15) на горке в 5% оставляет нам резерв силы сцепления в 10% веса машины. Это немного, но все же позволяет плавно рулить и осторожно притормаживать.

При низких температурах j_х может вдвое превышать j_L. Сам коэффициент сцепления увеличивается до j_х = 0,5…0,65 при –20 °С. Диагональные шины, практически больше не применяемые зимой, имеют при 0 °С меньшие значения коэффициентов трения, чем радиальные шины.

Как видно из рис. 11, для шин с 90%-ным дорожным рисунком протектора и при температуре льда около 0 °С коэффициент трения скольжения составляет независимо от скорости движения j_L » 0,1. Это значение уменьшается до j_L = 0,07, если высота рисунка имеет минимальное допустимое значение 1 мм, и до j_L » 0,05 при изношенной, совершенно гладкой шине.

Таблица 2.

Средние значения коэффициентов трения скольжения j_L шин с различным рисунком протектора при скорости около 60 км/ч на цементобетоне в различном состоянии

Рисунок протектора и конструкция шины	Состояние дороги
	сухое	мокрое	укатанный снег	обледенелое
Радиальная шина с поясом из стального корда, со стандартным дорожным рисунком	0,90	0,75	0,25	0.11
Радиальная шина с поясом из стального корда с рисунком М & S	0,80	0,65	0,33	0,16
Радиальная шина М & S – Е (с шипами)	0,68	0,60	0,30	0,25

Для улучшения сцепления со скользкой дорогой применяются шины с шипами. Чем больше выступание шипов над протектором, тем выше коэффициент трения скольжения j_L (лучше разгон и торможение при гололедице), однако и тем больше повреждается поверхность дороги при “незимних” погодных условиях. К этому надо добавить еще один недостаток: меньшие коэффициенты трения на сухой или сырой дороге (табл. 2). Последнее касается также рисунка протектора М&S. Водитель автомобиля, оснащенного такими шинами, должен помнить, что хотя в зимних условиях он может ехать более уверенно, однако на сухой и сырой дороге ему необходимо считаться не только с увеличением тормозного пути, но и с необходимостью снижения скорости на поворотах.

Многие фирмы разрабатывают шины для езды по снегу и льду без использования шипов. В шине “Бриджстоун” Blizzak MZ-01 применена противоскользящая микропористая структура. Микропоры и мелкие дренажные каналы рассеивают водяную пленку, возникающую при давлении шины на ледяную или снежную поверхность. Именно эта пленка и является причиной скольжения при езде по снегу или льду.