От чего зависит сцепление шин с дорогой? Часть 3

В первой части статьи я описал, от чего зависит сцепление шины с дорогой с точки зрения физики: от коэффициента сцепления шины с дорогой и силы прижания шины к дороге. При этом коэффициент сцепления — величина не постоянная и зависит от различных параметров. В прошлой статье я рассказал о влиянии качества дорожного покрытия, типа протектора и его температуры на коэффициент сцепления шины с дорогой. В этой статье – о влиянии на коэффициент сцепления скорости движения автомобиля и проскальзывания шин.

Влияние скорости движения автомобиля на коэффициент сцепления

Кроме всего вышеперечисленного, на коэффициент сцепления шин с дорогой влияет и скорость движения автомобиля.

Аквапланирование

В случае мокрой дороги дождевые канавки в протекторе шины при увеличении скорости успевают отводить все меньше воды из пятна контакта. Поэтому чем больше скорость, тем больше воды скапливается в пятне контакта и тем меньше коэффициент сцепления. В конце концов может наступить момент, когда шина полностью потеряет контакт с дорогой и всплывает, а автомобиль потеряет управляемость. Это явление называется аквапланированием. Критическая скорость, при которой обычно возникает аквапланирование – около 90 км/ч, а толщина водяной пленки – несколько сантиметров. Как правило, аквапланирование возникает во время дождя при движении в асфальтовой колее. При большей толщине водяной пленки аквапланирование не возникает, потому что создается сильное сопротивление качению шин, которое быстро гасит скорость, и до критической скорости машина не может разогнаться. Если же толщина водяной пленки небольшая, скажем, пара миллиметров, аквапланирования вообще не будет. Просто коэффициент сцепления с дорогой немного уменьшится, к примеру, с 0,8 на сухой дороге до 0,6 на влажной.

При этом чем шире профиль шины, тем при меньшей скорости наступает аквапланирование. Ну и тип протектора тоже к этому причастен. Шина без рисунка – слик – всплывет раньше других, шина с обычным асфальтовым протектором и рисунком – чуть позже, а шина со специальным дождевым протектором – продержится дольше всех.

Так что широкая шина хоть и хороша для сухого асфальта, но уязвима на откровенно мокрой поверхности дороги.

Практические рекомендации

1. Избегайте движения по колее во время дождя, а если приходится по ней двигаться, не превышайте скорость 80 км/ч. Будьте особенно аккуратны в дождь, если у вас широкие спортивные шины – они предназначены в первую очередь для сухого асфальта и подвержены риску аквапланирования больше обычных более узких шин.

2. Помните, что аквапланирование возникает только в длинных и относительно глубоких лужах и при скорости от 90 км/ч. На мокром асфальте аквапланирование невозможно. Поэтому не нужно бояться дождя и чрезмерно снижать скорость. Всем известно, что та же Москва буквально встает в пробках в летние дождливые дни. Это раздувание из мухи слона… Увеличьте дистанцию до автомобиля-лидера в полтора-два раза и езжайте с привычной скоростью. И не въезжайте в колею с водой, вот и все. Ну и не лихачьте, если у вас шины с навороченным дождевым рисунком протектора, ведь он не сможет приклеить шины к дороге…

К сожалению, в России пока отсутствуют специализированные и общедоступные автодромы для контраварийной подготовки водителей, где каждый мог бы изучить поведение машины в экстремальной ситуации аквапланирования, поэтому рекомендация только одна — не попадать в эту ситуацию.

Уменьшение коэффициента сцепления на сухой дороге

При движении по сухой дороге коэффициент сцепления тоже незначительно уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении скорости возрастает частота вертикальных колебаний шины, и в результате шина контактирует с поверхностью дороги меньшее время. То есть она не успевает охватывать микронеровности дороги, как при более низкой скорости. Этот факт оказывает негативное влияние на тормозные свойства автомобиля при больших скоростях. Мало того, что тормозной путь сам по себе пропорционален квадрату скорости – то есть увеличивается в 4 раза при увеличении скорости в 2 раза, так еще и коэффициент сцепления подводит…

В таблице ниже приведены зависимости коэффициента сцепления от скорости движения автомобиля на разных дорожных покрытиях. Таблица взята из справочника Automotive Handbook (Bosch, 5th edition, 2000)

Из таблицы видно, что коэффициент сцепления при увеличении скорости незначительно уменьшается на сухой дороге, более явно уменьшается на мокрой дороге в дождь и при попадании в длинную лужу (колею) исчезает при скорости выше 90 км/ч, то есть при возникновении аквапланирования.

Практические рекомендации

3. Не гоняйте по дорогам общего пользования :) О том, как правильно выбрать безопасную скорость, читайте в статье «Как выбрать безопасную скорость» или на нашем курсе безопасного вождения «МВА для водителя: Мастерство Вождения Автомобиля».

Влияние проскальзывания шины на коэффициент сцепления

Что значит «степень» проскальзывания шины? Казалось бы, шина либо катится, то есть не скользит вообще, либо скользит так скользит. Вообще, скольжение шины принято разделять на пробуксовку, что происходит при избытке газа, и проскальзывание – юз, что мы наблюдаем при торможении с блокировкой колес. На самом деле шина может скользить и частично, а показателем степени буксования или проскальзывания служат коэффициенты, соответственно, пробуксовки и проскальзывания.

Проскальзывание шины

Проскальзывание тормозящего колеса определяется разностью между скоростью движения автомобиля и линейной скоростью вращения колес. А коэффициент проскальзывания представляет собой относительную разность этих скоростей, выраженный в процентах:

 δ = 100%*(VA – VК)/VA                                                                                                                                        (8)

где VA – скорость движения автомобиля, VК ­– линейная скорость вращения колеса.

В случае свободного качения колес проскальзывания нет (в первом приближении), то есть оно составляет 0%. Если мы на автомобиле без АБС нажали на тормоз в пол, колеса заблокировались, линейная скорость вращения колеса становится нулевой, а проскальзывание 100%-м. Но мы можем тормозить импульсно, как это делает АБС, тогда проскальзывание колеса будет чередоваться качением и наоборот. То есть тормозной путь будет состоять из чередующихся участков качения и проскальзывания колес. В этом случае линейная скорость вращения колеса уже не будет нулевой, потому что есть участки качения, но будет меньше скорости автомобиля, потому что есть участки проскальзывания. И тогда чем длиннее участки качения и короче участки юза, тем меньше коэффициент проскальзывания, и наоборот, чем длиннее участки юза и короче участки качения, тем коэффициент проскальзывания больше. Если вы затормозите с АБС на шипованных шинах на чистом льду, а потом посмотрите на следы торможения, то увидите короткие участки юза, процарапанные шипами, длиной 2-3 см. А со стороны выглядит, как будто колеса постоянно вращаются или блокируются на очень короткое время. Это проскальзывание несколько процентов, которое обычно и обеспечивает АБС.

Пробуксовка шины

Аналогично, буксование определяется разностью между линейной скоростью вращения ведущих колес и скоростью движения автомобиля, а коэффициент пробуксовки – их относительной разностью:

 S = 100%*(VК – VA)/VК                                                                                                                                          (9)

При свободном качении пробуксовка нулевая (в первом приближении). Если на автомобиле с отключенной противобуксовочной системой или без таковой нажать на газ в пол, например, при старте на скользкой дороге, ведущие колеса сорвутся в пробуксовку и будут шлифовать лед, а автомобиль – стоять на месте до тех пор, пока мы не отпустим газ и не дадим возможность шинам зацепиться за дорогу. В этом случае скорость движения автомобиля нулевая при вращающихся ведущих колесах, и мы имеем 100%-ю пробуксовку. Но если чередовать буксование с качением, аналогично импульсному торможению, пробуксовка будет меньше 100%. И чем длиннее участки качения и короче участки пробуксовки, тем меньше коэффициент пробуксовки, и наоборот, чем длиннее участки пробуксовки и короче участки качения, тем коэффициент пробуксовки больше. Или другая ситуация – управляемый занос, когда ведущие колеса буксуют, вращаются быстро, а автомобиль двигается медленно:

Максимальное сцепление – при небольшом проскальзывании

Так вот, практика показывает, что:

• при торможении (разгоне) коэффициент сцепления зависит от степени проскальзывания (пробуксовки);
• коэффициент сцепления максимален не тогда, когда шина катится без юза (пробуксовки), а при некоторой степени проскальзывания (пробуксовки). По разным данным и на разных покрытиях максимум сцепления возникает при различном проскальзывании, но на сухой дороге это где-то 5-20% проскальзывания.

Ниже я привожу один из распространенных графиков зависимости коэффициента сцепления от коэффициента проскальзывания для различных типов дорожного покрытия.

Если говорить об увеличении коэффициента сцепления за счет проскальзывания, тут от самой шины мало что зависит. Больше от типа дорожного покрытия, а также манеры торможения/ускорения (если машина без электронных систем) или от настроек электронных систем ABS и ESP (DSC).

Торможение юзом тоже эффективно

Что касается 100%-го проскальзывания, то есть торможения юзом, известно, а также видно из графика, что при этом коэффициент трения скольжения становится меньше по сравнению с коэффициентом трения покоя. Но на практике торможение юзом не менее эффективно торможения с небольшим проскальзыванием. Во-первых, юз провоцирует занос и вращение автомобиля, а это хоть и неприятно, но замедляет машину еще более интенсивно и приводит к сокращению тормозного пути. Кроме того при торможении юзом на рыхлом покрытии возникает эффект бульдозера: заблокированные колеса нагребают кучи снега (грунта, гравия и т.п.) перед собой, что создает дополнительное сопротивление движению машины и сокращает тормозной путь. Это, кстати, отражено на графике для рыхлого снега – резким увеличением коэффициента трения в момент 100%-го проскальзывания.

А главное – торможение юзом находится в согласии с физиологией и психологией человека в отличие от способов экстренного торможения, при которых водителю нужно четко дозировать усилие на педали тормоза или использовать сложные действия и комбинации движений ногами и руками. Подробнее об этом читайте в статье «Экстренное торможение».

Практические рекомендации

4. При вождении по дорогам общего пользования на автомобиле без АБС не стоит уповать на торможение с контролируемым проскальзыванием в случае экстремальной ситуации. Все равно не сможете его контролировать. Лучше сразу готовьтесь тормозить юзом и учитывайте возможные последствия.

5. Если вы любите выезжать на гоночный трек на автомобиле без АБС, учитесь дозировать усилие на педали тормоза и контролировать проскальзывание. В спорте – в отсутствие экстремальных ситуаций и испуга водителя – контроль проскальзывания как раз возможен и актуален.

6. Если у вас автомобиль с АБС, вообще забудьте о проскальзывании и тормозите «в пол» в любых экстремальных ситуациях, на гоночном треке и на любом дорожном покрытии. АБС все сделает сама.

7. На автомобиле с АБС используйте зимой только шипованные шины. Как видно из графика, на льду коэффициент сцепления нешипованных шин имеет очень неявный максимум, что затрудняет работу АБС и может сильно удлинить и без того огромный тормозной путь на льду.

Коэффициент сцепления шины с дорогой. Итоги

1. При увеличении скорости движения автомобиля коэффициент сцепления шин с дорогой уменьшается. На сухой дороге уменьшается незначительно из-за увеличения частоты вертикальных колебаний шин и меньшего времени контакта с дорожной поверхностью. Во время дождя может уменьшаться резко вплоть до полной потери сцепления вследствие аквапланирования – всплытия шины на водяной пленке.
2. При торможении (ускорении) на грани сцепления шин с дорогой может возникать частичное проскальзывание (пробуксовка) шин, которое переходит в полное проскальзывание (пробуксовка) при увеличении нажатия на педаль тормоза (газа) на автомобилях без электронных систем безопасности. Коэффициент сцепления максимален при некотором проскальзывании (пробуксовке) в 5-20% на сухом асфальте и при других значениях проскальзывания на других покрытиях.

В следующей статье – о боковом уводе шин и о влиянии увода на коэффициент сцепления.

Продолжение следует…