Рассмотрим физические процессы происходящие при торможении. Оценим влияние массы автомобиля и его скорости на тормозной путь. Поговорим о коэффициенте трения.


Задача тормозов — поглащение кинетической энергии, которой обладает движущийся автомобиль. Кинетическая энергия это половина произведения массы на квадрат скорости: E = m·v²/2. Рассмотрим вклад массы и скорости.

Вклад массы в кинетическую энергию


Вклад скорости в кинетическую энергию

Разгоняющийся автомобиль набирает кинетическую энергию, которую тормозам нужно будет преобразовать в тепловую

Оценим сколько мощности необходимо для остановки автомобиля массой в 1200 кг, движущийся на скорости 60 км/ч за 10 секунд. Выразив мощность через отношение энергии ко времени, получим 16.5 КВт или 22.5 л.с. Взяв время в одну секунду, мы получаем соответственно 165 КВт или 225 л.с. То есть чем быстрее мы хотим остановить автомобиль тем большую мощность должна поглотить тормозная система. Если бы вместо тормозов у нас была бы нагрузка в виде генератора — такую бы усредненную мощность за время торможения он выдал бы. С другой стороны, тормоза забирают у автомобиля энергию, которую ему передал двигатель и на гражданских автомобилях тормоза работают эффективнее мотора — время торможения заметно ниже времени разгона.

Тепло идет на нагрев тормозных колодок и дисков за счет трения, возникающего при их контакте. Количество выделяемого тепла зависит от силы, прижимающей колодку к диску, коэффициента трения между ними и площадью контакта. Колодки выполнены из фрикционного (обладающего высоким коэффициентом трения) материала, а сила прижима определяется максимальным давлением, развиваемым тормозным цилиндром. Тормозной диск должен иметь высокую теплопроводность и высокую теплоемкость — ему нужно быстро поглощать много тепла.

Раскаленный до красна тормозной диск

И вот мы имеем большой тормозной диск с перфорацией, чтобы увеличить площадь для рассеивания тепла, колодку обладающую высоким коэффициентом трения, подняли максимальное рабочее давление в системе и уперлись в следующее ограничение — полная блокировка колес. Дальнейшее улучшение тормозной системы бесполезно, мы и так уже платим большую цену: из-за больших тормозных дисков необходимы колеса большого радиуса с низким профилем, тяжелые тормозные диски и массивные суппорта увеличивают неподрессоренную массу подвески, а высокий коэффициент трения колодок делает торможение слишком резким (теряем комфорт). Итак, мы получили тормозную систему, способную заблокировать колеса на любой необходимой скорости, и дальнейшее ее улучшение упирается в коэффициент сцепления резины с дорогой.

Решающий вклад в тормозные способности автомобиля вносит коэффициент трения покрышек с дорогой

А что с резиной?

Рассмотрим чем определяется сила трения покрышки об асфальт. По определению это произведение силы прижимающей автомобиль (сила тяжести) на коэффициент трения между колесом и асфальтом. Чем больше масса автомобиля, и чем выше коэффициент трения резины об асфальт, тем сложнее его сдвинуть с места при заблокированных колесах — тем лучше сцепление с дорогой. Приходим к тому, что для целесообразности дальнейшего улучшения тормозов нам необходимо увеличить два параметра — прижимную силу (массу автомобиля) и коэффициент трения (свойства резины). Но ведь с увеличением массы автомобиля увеличивается и кинетическая энергия, причем прямо пропорционально. Но и сила трения резины об асфальт тоже пропорциональна массе автомобиля. Получается что они друг друга компенсируют. Казалось бы, чем тяжелее автомобиль, тем сложнее его остановить, но ведь и прижимной силы у него больше, а следовательно при достаточной эффективности тормозной системы, масса автомобиля не влияет ни на время торможения, ни на тормозной путь — просто тормоза будут больше греться.

Коэффициент трения

Следовательно резина с хорошим коэффициентом трения (сцеплением с дорогой) будет позволять тормозной системе работать эффективнее, причем независимо от ширины (пятно контакта), рисунка протектора и количества колес. Площадь контакта (ширина колеса) вляет лишь на скорость износа покрышки. Ширина колеса (площадь пятна контакта) влияет на длину тормозного пути только в случае торможения с блокировкой колеса — за счет того что сгорает больше резины и нагревается больший участок асфальта, больше кинетической энергии переходит в тепловую. Выходит, что один из самых главных параметров шины, напрямую влияющий на длину тормозного пути — это коэффициент трения.

Зависимости тормозного пути от коэффициента трения между покрышкой и асфальтом при разных начальных скоростях без учета конструктивных особенностей покрышек и массы автомобиля

Из графика видно, что на скользких поверхностях (лед, снег, мокрый грунт) качество резины не существенно и только трением машину на льду не остановить. Нужно применять другие принципы — протектор, цепляющийся за неровности покрытия, грунтозацепы, цепи или шипы, вгрызающиеся в лед. Участок с коэффициентом трения до 0.8 примерно характеризует поведение обычного автомобиля на асфальте. Для сравнения приведены показатели болида формулы 1.

А что же на практике?

Итак, согласно классической теории трения масса автомобиля не влияет на длину тормозного пути. Но на практике не существует идеально ровных поверхностей, всегда есть неровности, которые цепляются друг за друга. Также не существует идеально чистых поверхностей (металлы всегда покрыты оксидной пленкой, на поверхности находятся грязь и жир). В месте контакта шины с дорогой происходит ее растяжение, деформация и сжатие, из-за чего на некотором участке пятна контакта шина проскальзывает (возникает скольжение). Все это зависит от нагрузки на шину и способность покрышки не подвергаться этим влиянием характеризуется ее индексом нагрузки. Также очень существенно на коэффициент трения влияет температура. Вообще, теория трения — это эмпирическая наука и главным предметом ее изучения является коэффициент трения. Этот коэффициент не является константой и находится в сложной зависимости от очень многих факторов и условий. Их влияния и учет заслуживают отдельного поста.