Про резину. Часть 2: Про торможение, ламельки и перегрев. [Обновлена]

Рекомендую ознакомится с первой частью статьи:  Про резину. Часть 1.

Перегрев резины.

Москва. Третье кольцо. Суббота. Конец октября явно не радует погодой. Пасмурно, +3, снега нет (а очень хочется!). День выдался без дождя — и на том спасибо. Москвичи уже проснулись и толкаются в пробках, желая провести этот день в торговых центрах. Я неспешно еду по своим делам.

Данные с 3-х осевого акселерометра. Красный график показывает продольное ускорение. Минимальное значение -1G соответствует максимальному замедлению.

И тут передо мной появляется такой манящий красный задний бампер Киа.

Расстояние около 50-70 метров, сухой асфальт, нешипованная зимняя резина, спортивные тормоза — вполне достаточно условий, что бы не волноваться.

На всякий случай втапливаю педаль в пол. Отличная реакция тормозов и резины, хорошее замедление — все в порядке. Но буквально через секунду начинает трещать ABS, а очколоджик показывает, что замедление теряет свою интенсивность. Что бы не расстраивать свою страховую и прекратить блокировку колес, начинаю бороться за целостность машины и периодически кидать педаль. В нормальных условиях так конечно делать бессмысленно — ABS все делает лучше, но когда ситуация критическая и хуже уже не будет, мозг начинает искать альтернативные варианты.

К счастью, торможение началось в нужный момент и дедушка в Kia теперь никогда не узнает, что в него должен был влететь очередной дурак на BMW.

После того, как радость от съекономленных на ремонте денег прошла, в голове сразу возник вопрос: «Какого черта резина на сухом асфальте повела себя как в дождь или гололед?»

Версия с невидимым льдом или инеем отметается — в первые мгновения машина тормозила в полную силу, значит с покрытием было все в порядке.

Объективные данные с акселерометра в видеорегистраторе подтверждают ощущения. В первый момент замедление достигло отметки в -1G…-1,1G, но потом упало до -0,5G (усредненное значение если отбросить колебания из-за работы ABS и моих попыток спасти положение).

Единственным разумным объяснением такого поведения может быть только перегрев зимней резины. И это не разовое явление. После этого случая в памяти всплыло еще несколько подобных торможений, а так же все заносы при выходе из поворота.

При околонулевой температуре зимняя резина ведет себя следующим образом:

В начале маневра (разгон на выходе из поворота, торможение, резкий маневр …) резина обеспечивает максимальное сцепление с дорогой, даже лучше, чем на летней резине. Это создает ощущение безопасности и отличного контроля над машиной. Если интенсивность маневра и его длительность превышают определенный порог, то начинается юз и температура резины очень быстро достигает критического уровня и коэффициент трения начинает быстро падать, а вы теряете контроль над ситуацией.

В случае с дрифтом разница очень заметна — летом на жесткой резине занос начинается плавно и сцепление задних колес с дорогой хорошо прогнозируется. На зимней резине при высокой температуре (0 и выше) занос очень сложно начать, а потом происходит резкий срыв оси.

Ситуация с перегревом усугубляется еще и тем, что обычно зимнюю резину покупают меньшей ширины, чем летнюю. Узкая резина в морозы быстрее и легче прогревается до оптимальной температуры, лучше продавливает снег, шугу и, следовательно, обеспечивает лучшее сцепление с дорогой.

Но при оттепелях на сухом асфальте перегрев становится главной проблемой узкой резины.

Зима — коварное время. Необходимо быть начеку не только в морозы с снежными заносами но и в сухую теплую погоду — мягкая резина обеспечивает отличное сцепление но лишь на короткое время.

UPDATE.

Плавное торможение вплоть до полного нажатия педали обеспечивает ровное торможение без активации break assist. Это предотвратит блокировку колес и перегрев. Температура -3 градуса, сухой асфальт.

Наглядный пример перегрева резины при экстренном торможении.

Возможно перегрев вызвало именно экстренное торможение «в пол». Несколько дней назад, двигаясь по трассе оттормаживался не менее активно, но плавно. Температура -3 градуса, но срабатывания ABS не происходило.

При резком торможении в начальный момент колесо блокируется — и начинает активно нагреваться. Перегрев снижает коэффициент трения, что опять приводит к блокировке и снижению эффективности торможения — возникает замкнутый круг.

На современных автомобилях устанавливается break assist, максимизирующий тормозные усилия при резком нажатии на педаль тормоза. Описание: https://wikipedia.org/

Его работа  может усугубить ситуацию, когда резина находится на верхнем «пределе» своего оптимального температурного диапазона.

Кроме того моя резина прошла около 10 тыс. км., следовательно внешний слой резины уже изменил свои свойства, стал более пористым и подверженным перегреву, что так же ухудшает реальные показатели по сравнению с тестами новой резины.

Еще один из факторов риска — возможное повышение давление воздуха выше рекомендованного из-за теплой погоды и, как следствие, — деформация и уменьшение пятна контакта и последующий перегрев.

Плавное торможение с постепенным наращиванием усилия вплоть до максимального — скорее всего позволит сократить тормозной путь, за счет оптимальной температуры резины и высокого коэффициент трения.

ВЫВОД: Ключ к безопасному движению в любую погоду — плавность маневров.

UPDATE 2.

Принцип действия ламелей на резине

После написания статьи меня не покидал вопрос: почему резина так легко теряет сцепление, разве она может так быстро перегреваться при интенсивных нагрузках? Я решил вернуться к физическим отличиям зимней и летней резины.

Зимние шины отличает наличие большого количества мелких ламелей, которые деформируются, подстраиваясь под микрорельеф дороги и цепляются за неровности. При эксплуатации постоянные деформации приводят к дополнительному выделению тепла (именно поэтому у зимней резины ниже индекс скорости). Сама по себе конструкция тоже хорошо сохраняет тепло в пятне контакта (ламели схематично даже похожи на ворсинки ковра), следовательно имеют тенденцию к перегреву даже при низких температурах.

В ситуациях, когда температура пятна контакта находится на верхнем пределе, даже малейшее проскальзывание может нарушить работу ламелей и вызвать лавинообразный нагрев, из-за чего они перестают подстраиваться под рельеф дороги, что в итоге должно приводить резкой потере сцепления.

Т.е. на летней резине резкое нажатие на педаль газа на высокой скорости не доставит проблем, система ABS допустит кратковременные блокировки колес, но резина с этим справится. Зимняя резина из-за ламелей и микродеформаций при движении (а тем более торможении) выделяет больше тепла и дольше его сохраняет, т.е. даже работающий на асфальте ABS на скоростях более 60-80 км/ч легко перегревает колесо и в 2 раза снижает эффективность торможения. В такой ситуации надо тормозить, не допуская срабатывания ABS (замедление не более 0.6-0.8G), до скорости 60 км/ч, а уже потом — в полную педаль.

Зависимость коэффициента сцепления от температуры для дорожных (снизу) и гоночных (сверху) покрышек. [Источник: http://www.race-technology.com/]

Два вопроса для экспертов по резине:

1. Может ли тормозной путь автомобиля, двигающегося со скорость 100 км/ч, быть меньше 30 метров?
2. Есть ли дорожные автомобили, способные разогнаться до 100км/ч менее чем за 2,5-2,7 секунды?

Подсказка на фото.

Итак объяснение.

В первой Части я рассказал о том, что что сцепление с дорогой зависит от коэффициента трения и веса приходящегося на колеса. Звучит просто, но на самом деле коэффициент — это обобщенный показатель на который влияет огромная куча факторов, начиная  с состава резины и дорожного покрытия и заканчивая температурой воздуха и фазами луны. Рассчитать математически данный показатель непосильная задача для диссертации, поэтому обычно он устанавливается экспериментальным путем. Для дорожной резины коэффициент составляет 0,9-1,1 Это означает, что автомобиль способен развивать горизонтальные ускорения (при торможении, разгоне или маневрировании) приблизительно равные ускорению свободного падения: 9,8 м/с2.

Развить большее ускорение можно либо увеличив прижимную силу за счет аэродинамических обвесов, либо за счет использования спортивной резины с более высоким коэффициентом трения. Однако на скоростях до 100 км/ч аэродинамика не работает, а для повышения коэффициента трения необходимо использовать более мягкую и пористую резину, что пагубно влияет на ее ресурс — максимальный пробег на одном комплекте в формуле 1 не превышает 200-300 км.

Значит ни широкая резина, ни большие тормозные диски, ни всевозможные системы не позволят развить ускорение выше 9-11 м/с2  (0,9-1,1 G). И следовательно минимальный тормозной путь составит 30-40 метров на любом дорожном автомобиле с дорожной резиной. Те же 30-40 метров являются и пределом для ускорения до 100 км/ч — это около 2,5-2,7 секунды.
Калькулятор тормозного пути и замедления.