Сокращает ли ABS тормозной путь автомобиля?

Весь смысл торможения заключается в рассеивании кинетической энергии. Не кинетическая энергия колеса, как вы сказали, а кинетическая энергия автомобиля, даже если вы можете сделать это через передачу на колесо. Некоторые грузовики или автобусы на самом деле тормозят, преобразовывая часть своего КЭ в электричество, которое иногда может быть использовано повторно или рассеивается в виде тепла в виде вихревых токов (или токов Фуко).

Однако наиболее распространенным способом рассеивания кинетической энергии является трение. В случае с автомобилями возможны два трения: между тормозом и колесом (надеюсь, не самой резиной) и между резиной и дорогой.

Но диссипация энергии имеет место только при движении с (кинетическим) трением, создающим силу сопротивления (в случае фрикционного торможения). Слово «кинетический» заключено в круглые скобки, так как может потребоваться дополнительная точность (см. ниже).

Когда автомобиль катится нормально, кинетическое трение отсутствует (или незначительно), поскольку колесо покоится относительно дороги в контактной части. Если вы тормозите, это может быть уже не так, потому что колесо может вращаться недостаточно быстро. На некоторых поверхностях, таких как мокрая дорога (но, по-видимому, не на всех поверхностях) трение более важно, если скорость части колеса, находящейся в контакте с дорогой, не слишком важна по отношению к дороге. За пределами определенной скорости шина может даже как бы скользить по тонкому слою воды, и трение снижается, что приводит к рассеиванию меньшего количества энергии. Это происходит намного быстрее, если вы заблокируете тормоза.

Таким образом, при заблокированных тормозах энергия не рассеивается за счет трения в тормозах, и колеса могут скользить слишком быстро, чтобы эффективно рассеивать энергию. Следовательно, для рассеивания требуется больше времени, а значит, больше времени для остановки.

Идеальная ситуация — рассеивание энергии как в тормозах, так и в резине. Но этого добиться нелегко, поскольку коэффициент статического трения обычно больше, чем коэффициент динамического. Как только колесо начинает проскальзывать, сила реакции трения колеса, сохранившая некоторое движение в тормозах, может стать слишком малой, чтобы тормоза могли допустить движение, и тормоза блокируются, больше не обеспечивая рассеивания и еще больше увеличивая пробуксовку. скорость колеса.

ABS предотвращает блокировку тормозов, устраняя на короткое время трение, и позволяет колесам немного поворачиваться, так что относительная скорость их контакта с дорогой не становится слишком высокой.

Но почему он должен работать на сухой дороге? Согласно Википедии , следует учитывать еще одно явление. Переход от статического к динамическому коэффициенту трения не является прерывистым явлением. По-видимому, «максимальное тормозное усилие достигается, когда проскальзывание между скоростью вращения заторможенного колеса и поверхностью дороги составляет примерно 10–20%», за пределами которого «сцепление при качении быстро уменьшается» до кинетического трения. Так что именно здесь рассеивание тепла максимально, поскольку для максимального рассеяния требуется максимальное движение с наибольшим трением, совместимым с движением (фактически, это произведение, которое должно быть максимизировано). Роль ABS будет заключаться в том, чтобы отпустить ситуацию, когда проскальзывание станет слишком значительным, чтобы проскальзывание оставалось в оптимальном диапазоне (в дополнение к вышеуказанным проблемам).

Но, видимо, некоторые поверхности ведут себя по-другому, и ABS может тормозить медленнее . Я предполагаю, что это связано со специфическими свойствами функции, которая связывает силу трения и скорость проскальзывания для такой поверхности, контактирующей с резиновыми колесами. Но на таком покрытии преимущество в сохранении лучшего контроля над автомобилем за счет меньшего проскальзывания также является проблемой.

Другая роль систем ABS заключается в распределении тормозного усилия между передними и задними колесами. Передние и задние колеса имеют разное внутреннее давление, поэтому разная поверхность соприкосновения с дорогой. Они также подвергаются воздействию различных сил при торможении автомобиля (большая сила спереди), так что коэффициент трения действует более эффективно там, где сила больше. Следовательно, контроль проскальзывания должен различаться спереди и сзади. Он также может балансировать между левым и правым, если по какой-то причине обе стороны ведут себя по-разному.

Последний вопрос был поднят @tohecz. Куда должна рассеиваться энергия, или по какому соотношению между тормозами и резиной-дорожкой? По его мнению, дело должно быть в тормозной системе, а не в контакте колеса с дорогой. Я не нашел никакой информации о том, что если есть выбор, то он должен быть одним больше, чем другим, но может действительно предпочтительнее запастись шинами (правда не знаю). Однако стоит рассмотреть вопрос и степень свободы выбора.

Мы можем несколько проанализировать это соотношение, рассмотрев крайние случаи. Если вы заблокируете колеса (при условии отсутствия ABS), энергия не рассеивается в тормозах. Таким образом, все это рассеивается в контакте резины с дорогой. С другой стороны, если вы тормозите медленно, поверхность колес остается в статическом контакте с дорогой (АБС не требуется) и вся энергия рассеивается в тормозах. Это противоречит некоторым представлениям о том, что резкое торможение может нагреть тормозную систему: частое и медленное торможение будет нагревать, а резкое торможение без ABS приведет к нагреву и износу резины.

Таким образом, вопрос о соотношении с системой ABS возникает только тогда, когда вы тормозите достаточно сильно, так что происходит проскальзывание колес, и ABS можно использовать для его контроля. Здесь правильный анализ действительно потребовал бы работы с фактическими цифрами, поскольку возможных сценариев может быть много.

Должно быть так, что оптимальное торможение с самым быстрым рассеиванием энергии будет оказывать точное давление на тормоза, что приведет к точному коэффициенту рассеяния между тормозами и резиной. Однако, учитывая сбои в работе системы ABS, это, вероятно, соответствует нестабильной настройке, требующей динамического контроля давления, чтобы не выйти за пределы оптимальной зоны рассеяния. Я не нашел никакой информации об этом соотношении.

Если давление на педаль тормоза не указывает на срочность быстрого торможения, система ABS, вероятно, может выбрать в соответствии со своей программой, какое усилие прикладывать и когда, чтобы определить, где будет рассеяна большая часть энергии. между тормозами и резиной. Но, похоже, об этом не так много публичной информации.

Последнее замечание: выбор оптимального давления для любого желаемого результата также должен зависеть от текущей скорости автомобиля. Вероятно, трудно получить какое-либо проскальзывание на очень медленной машине. Следовательно, и по этой причине процесс должен динамически контролироваться.

Примечание : В этом анализе торможения с АБС внимательный читатель заметит, что я говорю о силе, хотя на самом деле во многих случаях это должен быть крутящий момент. Причины, по которым я это делаю, следующие:

• основной вопрос - трение и силы трения, которые из-за строения рассматриваемых устройств становятся моментами;

• говоря о крутящем моменте, обязательно потребуется, чтобы описание включало соображения размера (радиус колеса и тормоза), что усложнило бы анализ, не внося существенного понимания в отношении ABS;

• это просто качественный анализ, без использования реальных цифр. Разработка полных формул, конечно, потребует учета вопросов размеров и крутящих моментов. Но я посчитал, что здесь проще этого не делать.

Чтобы рассеять любое недопонимание и любое раздражение, которое может возникнуть из-за этого, я должен ясно дать понять, что это выглядело как интересная проблема для работы, но у меня нет особого опыта, и я сделал все, что мог, с информацией, которую я мог. найти. Комментарии и критика приветствуются.

Я не уверен на 100%. Но то, как я думаю, что ABS уменьшает тормозной путь, заключается в том, что статическое трение между шинами и дорогой будет выше, чем кинетическое трение. Таким образом, блокировка шин путем резкого торможения без ABS будет означать кинетическое трение между шинами и дорогой. Однако если позволить шинам просто разорваться достаточно сильно, чтобы достичь максимального статического трения (что в основном и делает ABS), это будет означать, что на автомобиль будет действовать большая сила, и, следовательно, автомобиль остановится на более коротком расстоянии.

Без ABS опытный водитель будет легче тормозить, как только почувствует, что она заблокирована. Некоторое время спустя он снова нажмет на тормоз, возможно, на этот раз не так сильно. Компьютер, с другой стороны, может приложить ОГРОМНУЮ тормозную силу, вплоть до того, что колесо ЕДИНСТВЕННО заблокируется на долю секунды, затем отпустит и повторит. Если вы думаете с точки зрения импульса и импульса, большая разрывная сила может компенсировать более короткое общее время, в течение которого она применяется. Если импульс тормозного усилия каждого насоса АБС больше, чем тот, который выдал бы человек, значит, для остановки автомобиля требуется меньше времени и расстояния. Оказывается, это наблюдаемое поведение, когда реальные люди водят автомобили в большинстве условий, хотя это не всегда так.

Есть несколько моментов, которые следует учитывать:

• Ездить можно не только по асфальту. Трение в тормозной системе предсказуемо, потому что материалы не меняются. Но поверхности для вождения различаются. Антиблокировочные тормозные системы особенно полезны на льду или рыхлом гравии. Если колеса блокируются на льду, автомобиль скользит вперед по тонкому слою воды с небольшим трением. Предотвращение блокировки позволяет колесам оставаться связанными со льдом, поэтому тормоза могут рассеивать кинетическую энергию. Идея состоит в том, чтобы попытаться сохранить любое сцепление, которое шины способны обеспечить, чтобы колеса двигались вместе с дорогой, а трение между тормозными колодками и роторами / барабанами могло рассеивать энергию.

• Торможение — это не только замедление или остановка, но и сохранение контроля при этом. Заблокированные колеса могут привести к опасному заносу. Колеса не обязательно блокируются одновременно с обеих сторон, особенно если при торможении происходит перенос веса на рулевое управление.

• В автомобилях с механической коробкой передач при блокировке ведущих колес двигатель может заглохнуть. На скользкой дороге это может происходить на скоростях, при которых водитель не привык выжимать сцепление при торможении.

ABS не предназначена для сокращения тормозного пути, эта система предназначена для предотвращения скольжения, когда оно происходит между рыком и шиной из-за того, что прилагаемая сила превышает силу трения. АБС срабатывает по сигналам датчиков на панель управления и, следовательно, панель управления дает команду уменьшить тормозную жидкость, что позволяет немного ускориться. Затем он снова увеличивает количество жидкости, т.е. увеличивает гидравлическую силу жидкости через установленный насос. Таким образом, если вы владеете элементарной физикой, вы можете видеть, что на самом деле ABS управляет торможением, но имеет место некоторое незначительное увеличение тормозного пути.

TLDR: ABS обеспечивает более стабильное управление и улучшает сцепление с дорогой, обеспечивая статический (а не динамический) контакт. Это может улучшить тормозной путь.

ABS (антиблокировочная тормозная система на английском языке) измеряет вращение колес и регулирует тормозное давление (постоянно или пульсирующим образом), чтобы предотвратить блокировку колес. Это улучшает управляемость и тормозной путь.

Когда тормоза блокируются, направление (небольшой) силы между дорогой и шиной прямо противоположно направлению движения; напротив, когда колесо катится, сила направлена ​​под прямым углом. Последнее означает, что если автомобиль в конечном итоге оказывается направленным в сторону от направления движения (начинает занос), катящееся заднее колесо имеет тенденцию создавать восстанавливающую силу; заблокированное заднее колесо не мешает автомобилю продолжать поворот. Вот почему важно тормозить сильнее передними колесами, чем задними: это обеспечивает устойчивость (если передние колеса блокируются, вы продолжаете движение по прямой и больше не можете управлять автомобилем; если задние колеса блокируются, вы буксуете). Следовательно, обеспечение того, чтобы колеса не блокировались, улучшает управляемость.

Относительно тормозного пути: Торможение забирает кинетическую энергию автомобиля. Эта энергия должна рассеиваться либо между шинами и дорогой, либо между тормозными колодками и дисками. На мокрой дороге профиль катящейся шины обеспечивает отталкивание воды, поэтому между резиной и дорогой есть некоторый контакт. Когда шина блокируется, вода имеет тенденцию скапливаться перед колесом и образует непрерывную «водяную пленку», по которой колесо может скользить с минимальным трением .. Благодаря низкому трению между колесом и дорогой энергия при торможении не рассеивается. За счет восстановления вращения колеса увеличивается контактное трение. Это особенно поразительный случай общего различия между кинетическим и динамическим трением: когда две поверхности не движутся друг относительно друга, сила, чтобы начать их скольжение, больше, чем сила, необходимая для поддержания их скольжения, если они уже движутся.

Коэффициент кинетического трения ВСЕГДА ниже коэффициента статического трения (сцепления) (по определению/в силу обстоятельств). За исключением рыхлого гравия и снега, ABS ВСЕГДА обеспечивает более высокое ускорение, чем торможение с заблокированными колесами. Конечно, для шин на асфальте сцепление и трение — это упрощенная модель, но правильная модель, использующая проскальзывание, говорит точно то же самое: на сухих дорогах, тогда как ускорение за счет динамического трения (колеса заблокированы, поэтому нет ABS) составляет ~ 0,85 g. Для мокрой дороги соотношение примерно такое же: ~0,75 г против ~0,55 г. Я нашел этот источник, который, к сожалению, на немецком языке, но график должен быть достаточно легко интерпретируемым:

https://www.leifiphysik.de/mechanik/reibung-und-fortbewegung/ausblick/reifen-aus-gummi-ein-kompliziertes-reibungsproblem

Обратите внимание, что ваш вывод: «Если АБС позволяет колесу повернуться на какой-то угол, в этот момент трения между колесом и землей нет» неверен. ABS периодически не полностью отпускает тормоза - только до тех пор, пока не уменьшится проскальзывание и в это время ускорение не равно нулю. Это чуть-чуть ниже, чем ускорение за счет чистого динамического трения, и только на очень короткое время. После того, как скольжение снова увеличилось, ускорение стало намного выше и дольше.

Конечно, АБС можно превзойти, но только на ~0,05 г (для обычных автомобилей) и нужно быть очень аккуратным. Водители гоночных автомобилей делают это все время, приближаясь к повороту. Но это совсем другая ситуация, чем аварийная остановка в движении обычными людьми. На самом деле, я почти уверен, что даже многие профессиональные гонщики в такой ситуации в панике нажали бы на тормоза.