Трение между шиной и дорогой

Пока все колёса вращаются, тормозные силы, действующие на транспортное средство, могут быть предсказаны с помощью Уравнения (3-19). Тем не менее, тормозная сила может увеличиться только до предела трения сцепления между шиной и дорогой.

Есть два основных механизма, ответственных за трение сцепления, как показано на Рисунке 3.4. Поверхностное сцепление возникает в результате межмолекулярных связей между резиной и заполнителем в дорожном покрытии. Сцепление компонентов является большим из двух механизмов на сухих дорогах, но значительно снижается, когда дорожная поверхность покрыта водой; следовательно, на мокрой дороге трение уменьшается.

Рис. 3.4. Механизмы трения между шиной и дорогой [4].

Механизм запаздывания (гистерезиса) в материале представляет потери энергии в резине, так как она деформируется при скольжении по заполнителю дороги. Трение материала (или гистерезисное) не сильно зависит от воды на поверхности дороги, таким образом, лучшее сцепление на мокрой поверхности достигается с шинами, которые имеют в протекторе высокогистерезисную резину.

И трение сцепления, и гистерезисное трение зависят от скольжения небольшой величины, происходящего при взаимодействии шины с дорогой. Дополнительное скольжение наблюдается в результате деформации резиновых элементов протектора шины, так как они деформируются, чтобы развивать и поддерживать тормозное усилие. Этот механизм проиллюстрирован на Рисунке 3.5. Когда такой элемент входит в контактное пятно шины, он недеформирован. Когда он доходит до центра контакта шины, для поддержания силы трения в шине должна произойти деформация. Деформация увеличивается от передней к задней части пятна контакта шины, а сила, развиваемая каждым элементом, пропорционально увеличивается в направлении спереди назад. При высоком уровне торможения элементы на заднем краю пятна контакта начинают скользить по поверхности, а тормозное усилие от шины может начать снижаться.

Рис. 3.5. Тормозные деформации в пятне контакта.

Из-за этих механизмов тормозное усилие и скольжение проявляются совместно. Сила торможения (выраженная в виде коэффициента Fx/Fz) в зависимости от скольжения показана на Рисунке 3.6.

Рис. 3.6. Зависимость тормозного коэффициента от скольжения [4].

Скольжение шины определяется отношением скорости скольжения в пятне контакта (скорость движения вперёд - скорость окружности шины) к скорости движения вперёд:

(3-20)

где,

V = Скорость движения вперёд транспортного средства

ω = Скорость вращения шины (рад/сек)

Коэффициент торможения, получающийся из трения сцепления и гистерезисного трения, с увеличением скольжения в зависимости от условий возрастает по величине от 10 до 20%. При мокрой дороге вклад трения сцепления уменьшается, таким образом, суммарный коэффициент ниже. Пиковый коэффициент является ключевым свойством, обычно обозначаемым μр. Он  отражает максимальное тормозное усилие, которое может быть получено от конкретной пары трения шина-дорога. При более высоком скольжении этот коэффициент уменьшается, достигая наименьшего значения при 100% скольжении, представляющего состояние полной блокировки и обозначаемого μs. В ситуации торможения μр соответствует наивысшей силе торможения, которая может быть создана, и которую можно достичь только теоретически, потому что в этой точке система неустойчива. Для заданного выходного уровня тормозного момента, как только колесо замедляется, чтобы достичь μp, любое нарушение этого условия  приводит к избытку тормозного момента, что вызывает дальнейшее замедление колеса. Увеличение скольжения уменьшает тормозное усилие, так что замедление колеса продолжается, и колесо приближается к блокировке. Только отпускание тормоза (как при контроле антиблокировки) может вернуть колесо к работе при μp.

В дополнение к шине и дороге, как ключевым элементам в определении доступного трения сцепления, как показано далее, важными являются и другие переменные.