Pomysł na tę serię artykułów zrodził się po rozmowie z pracownicą jednej z firm branży motoryzacyjnej. Co usłyszałem? Grupa pracowników firmy była na szkoleniu doskonalącym technikę jazdy w jednej ze szkół specjalizujących się w takich kursach. Dowiedzieli się na nim, że system ABS wydłuża drogę hamowania. 

Wbrew obiegowym opiniom najważniejszym zadaniem ABS nie jest wcale skracanie drogi hamowania. W określonych warunkach system umożliwia to, ale nie zawsze to jest najważniejsze. Czym więc jest ABS? Tego dowiecie się z tej serii artykułów. Będzie w nich sporo informacji o fizyce ruchu pojazdu, ale tylko dlatego, by zobaczyć, jak złożonym zjawiskiem jest hamowanie pojazdu, w czym pomocny jest ABS.
Zacznijmy od podstaw, czyli od sił na styku opony i drogi. Każde koło pojazdu jest dociskane do nawierzchni drogi siłą FNK (rys. 1) skierowaną prostopadle do drogi. W warunkach statycznych jej wartość wynika z rozkładu ciężaru pojazdu. Podczas jazdy wartość siły FNK zależy również od:
- sił działających na samochód podczas hamowania, przyspieszania i jazdy po łuku;
- sprawności amortyzatorów.
Na styku koła napędzanego z nawierzchnią drogi powstaje siła napędowa FN. Suma sił napędowych kół napędzanych służy do pokonywania oporów ruchu samochodu i do jego przyspieszania. Gdy koło jest hamowane, powstaje siła hamowania FH. Suma sił hamowania wszystkich kół hamuje pojazd.
Podczas ruchu koła po łuku, na styku koła z nawierzchnią drogi powstaje siła boczna FB, prostopadła do płaszczyzny koła. Suma sił bocznych wszystkich kół powinna równoważyć siłę odśrodkową, która działa na samochód poruszający się po łuku drogi. Jeśli ten warunek nie jest spełniony, pojazd zostanie „wyrzucony” na zewnętrzną stronę zakrętu.

Siła hamowania
Siła hamowania FH (rys. 2) powstaje podczas hamowania pojazdu, hamulcami lub „silnikiem”. Jest skierowana przeciwnie do kierunku ruchu samochodu. Jej wartość obliczamy ze wzoru:

Wartość siły hamowania FH zależy od wartości wielkości występujących we wzorze. Czynniki, od których zależy wartość siły FNK, przedstawiłem w poprzednim podpunkcie. Wartość współczynnika tarcia wzdłużnego opony μW o nawierzchnię drogi na różnych nawierzchniach i warunkach pogodowych będzie tematem dalszych rozważań.

Poślizg wzdłużny koła
Aby na styku opony z nawierzchnią drogi powstało tarcie, a w następstwie siła hamowania FH lub napędowa FN, gdy koło jest odpowiednio hamowane lub napędzane, konieczne jest wystąpienie tzw. poślizgu koła PK. Jego wartość obliczamy ze wzoru:

Charakterystyczne wartości poślizgu koła, występujące przy hamowaniu, przedstawia rys. 3.
Przykład. Jeśli samochód jedzie z prędkością 50 km/h, ale prędkość obwodowa hamowanego koła, która wynika z jego prędkości obrotowej, wynosi 40 km/h, to znaczy, że koło ma poślizg o wartości 20%. Poślizg koła towarzyszący przyspieszaniu, obliczany z wzoru 2, ma wartość zerową lub mniejszą od zera (rys. 4). 
Przykład. Jeśli samochód jedzie z prędkością 50 km/h, ale prędkość obwodowa przyspieszanego koła, która wynika z jego prędkości obrotowej, wynosi 80 km/h, to znaczy, że koło ma poślizg o wartości -60%.
Prędkość obwodowa przyspieszanego koła VO może być wielokrotnie większa od prędkości pojazdu VP, co oznacza, że ujemna wartość poślizgu koła może wynosić nawet kilkaset procent (rys. 4b).
Wartość współczynnika tarcia wzdłużnego opony
Wartości sił hamowania FH i napędowej FN zależą od wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW. Wartość tego współczynnika zależy od wielu czynników.
Podstawową jest zależność współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW od poślizgu koła PK. Kształt wykresu i jego charakterystyczne punkty prezentuje rys. 5. Jest on typowy dla różnych rodzajów nawierzchni, z wyjątkiem sypkich (niezwiązanych): żwir, piasek i sypki śnieg (powrócę do tego zagadnienia). Wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW zależą od:
- rodzaju nawierzchni, z którą współpracuje opona;
- prędkości ruchu samochodu;
- konstrukcji i rozmiaru opony.

Wykresy zależność współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW od poślizgu koła PK dla różnych nawierzchni przedstawia rys. 6. Każdą z linii A, B i E wykresu, odpowiednio dla suchego asfaltu, mokrego asfaltu i lodu, cechuje:
- maksymalna wartość współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW przy wartości poślizgu koła PK z zakresu ok. 15-25% – punkty: OA, OB i OE.
- wartość współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW niższa od maksymalnej, gdy koło jest zablokowane, czyli gdy wartość poślizgu koła jest równa 100% – punkty: ZA, ZB i ZE.

Ponadto przy zablokowanych przednich kołach nie ma możliwości kierowania samochodem, co wyjaśnię w kolejnych częściach artykułu.
Największe wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW cechują suchy beton lub asfalt – linia A wykresu. Mniejsze wartości tego współczynnika cechują nawierzchnie mokre, czyli pokryte cienką warstwą wody – linia B wykresu. Gdy warstwa wody na jezdni jest grubsza (silniejszy deszcz, koleiny), wówczas wartości są jeszcze mniejsze. Najniższe wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW cechują lód (linia E wykresu), a najniższe, lód pokryty warstwą wody.
Proszę zauważyć, że spadek wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW, po zablokowaniu koła (PK = 100%), w stosunku do jego wartości maksymalnej (rys. 6), jest:
- mniejszy dla nawierzchni suchej – linia A wykresu, różnica wartości współczynnika mW między punktami wykresu ZA i OA;
- większy dla nawierzchni mokrej – linia B wykresu, różnica wartości współczynnika mW między punktami wykresu ZB i OB.

Dla nawierzchni pokrytej lodem (linia E wykresu, rys. 6) wartość maksymalna współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW jest mała (punkt OE wykresu), a po zablokowaniu koła jego wartość ulega dalszemu obniżeniu (punkt ZE wykresu), ponadto tracimy możliwość kierowania samochodem, o czym już wspomniałem.
Istotna jest również zależność współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW od prędkości jazdy samochodu. Dla dwóch różnych nawierzchni przedstawia ją rys.7. Im prędkość samochodu jest większa:
- tym mniejsze są maksymalne wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW dla każdego z obu rodzajów nawierzchni;
- tym większa jest różnica pomiędzy wartością maksymalną współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW a wartością, która występuje przy hamowaniu koła zablokowanego (PK = 100%); różnice te rosną szybciej dla nawierzchni mokrej w porównaniu do nawierzchni suchej.

Tabela 1. Przykładowe, maksymalne wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opon μW, na różnych rodzajach nawierzchni, przy różnym stanie opon i przy różnych prędkościach (Źródło: Bosch)

Powróćmy do nawierzchni sypkich (niezwiązanych), takich jak żwir lub sypki śnieg (odpowiednio linie C i D wykresu na rys. 6) czy nawierzchnia piaszczysta. Na nawierzchniach tego typu maksymalna wartość współczynnika tarcia wzdłużnego opony μW nie jest osiągana w zakresie wartości poślizgu koła PK od 15 do 25%, ale przy hamowaniu koła zablokowanego (PK = 100%) – punkty ZC i ZD na rys. 6. Jest to spowodowane mechanizmem hamowania koła zablokowanego na nawierzchniach tego typu. Wyjaśnia to rys. 8 i jego podpis.
Na zakończenie tego podpunktu zapraszam do analizy przykładowych maksymalnych wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW, zebranych w tabeli 1. Wartości te odnoszą się do opony nowej lub zużytej oraz nawierzchni suchej, pokrytej warstwą wody o różnej grubości lub pokrytej lodem przy różnych prędkościach jazdy. Poniżej kilka uwag do tabeli.
Na nawierzchni suchej wyższe wartości współczynnika tarcia wzdłużnego mW cechują opony zużyte. Jest to spowodowane wyższą sztywnością bieżnika opony zużytej w porównaniu do bieżnika opony nowej.
Na każdym rodzaju nawierzchni wraz ze wzrostem prędkości jazdy maleją wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW (patrz też rys. 7).
Im grubsza warstwa wody leży na drodze, tym niższe są wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW. Dla prędkości 90 i 130 km/h osiągają one wartości zbliżone do wartości występujących na lodzie lub niższe, zarówno dla opon nowych, jak i zużytych. Ta zależność jest spowodowana koniecznością odpompowywania wody z powierzchni styku opony z nawierzchnią drogi. Im grubsza jest warstwa wody, wyższa prędkość jazdy, a opona szersza (brak tej zależności w tabeli), tym ilość wody, którą należy odpompować, jest większa. Jednocześnie im mniejsza jest wysokość bieżnika, tym wyższe jest ciśnienie wody pod oponą, konieczne, aby tę wodę odpompować. To ciśnienie zmniejsza siłę, z którą koło naciska na nawierzchnię drogi (siła FNK na rys.1 i 2). Proszę zwrócić uwagę, że przy przejeździe przez kałużę o głębokości 2 mm z prędkością 90 i 130 km współczynnik tarcia wzdłużnego opony mW osiągnął wartość zerową, czyli opona nie ma żadnego styku z nawierzchnią. To zjawisko nazywamy aquaplaningiem.

mgr inż. Stefan Myszkowski