0

Príspevok popisuje základné fyzikálne princípy elektronických protipreklzových systémov automobilov, ako sú napríklad ABS či ASR. Pomocou sklzovej charakteristiky radiálnych pneumatík a tzv. trecej kružnice objasňuje maximálnu veľkosť prenesiteľných hnacích a brzdných síl na hranici šmyku.

Takisto objasňuje veľkosť brzdnej dráhy automobilu, resp. dráhy potrebnej na dosiahnutie určitej rýchlosti bez elektronických protipreklzových systémov a s pomocou elektronických protipreklzových systémov.

Sklzová charakteristika pneumatiky

Ako prvú si analyzujme sklzovú charakteristiku pneumatiky, uvedenú na Obr. 1. Na sklzovej charakteristike vidíme dve krivky, ktoré predstavujú pozdĺžne a priečne sily prenesiteľné pneumatikami na cestu pri rôznych sklzoch pneumatiky. Pozdĺžnymi silami (Fx, -Fx) rozumieme brzdné a hnacie sily, ktoré dokáže pri rôznych sklzoch pneumatika na cestu preniesť a priečnymi silami (Fy, -Fy) rozumieme bočné sily, ktoré musí pneumatika prenášať na cestu, napríklad počas riadenia s automobilom (zmena smeru jazdy).
Na Obr. 1 teda vidíme veľkosť brzdných, hnacích a bočných síl, ktoré pneumatika pri rôznych sklzoch dokáže preniesť na cestu. Je zrejmé, že vozidlá vybavené elektronickými systémami s reguláciou sklzu kolesa dokážu prenášať na cestu väčšiu hnaciu aj brzdnú silu a čo je dôležitejšie, sú ovládateľné pri maximálnom brzdnom účinku na rozdiel od vozidiel vyrábaných v minulosti bez systémov ABS a ASR. Je to zrejmé so sklzovej charakteristiky, z ktorej vidíme, že ak je pneumatika v 100-percentnom sklze, je síce schopná preniesť pomerne veľké hnacie aj brzdné sily (Fx, -Fx), ale nie je schopná preniesť na cestu žiadnu bočnú silu (Fy, -Fy).

V praxi to znamenalo, že ak sa pri brzdení zablokovali predné kolesá, dostali sa do 100-percentného sklzu a boli schopné prenášať iba brzdné sily, nie však už bočné. Vodič mohol otáčať volantom zo strany na stranu, pneumatiky nedokázali prenášať bočné sily potrebné na riadenie vozidla. V moderných automobiloch s elektronickou reguláciou sklzu kolies dokážeme regulovať sklz pneumatík v okolí 15 – 20 %, pri ktorom, ako vidíme zo sklzovej charakteristiky, pneumatiky dokážu prenášať ešte väčšie brzdné aj hnacie sily. Čo je však ešte dôležitejšie, pri takomto sklze dokážu pneumatiky prenášať na cestu aj bočné sily potrebné na riadenie automobilu. Správnou reguláciou sklzu pneumatík tak dokážeme na cestu preniesť nielen väčšie hnacie a brzdné sily, ale vozidlo je aj pri maximálnom brzdnom účinku ovládateľné. Systémy pracujúce na princípe riadenia sklzu pneumatík pracujú v oblasti vyznačenej na Obr. 1. Z grafu ďalej vyplýva, že pneumatiky dokážu prenášať brzdné aj hnacie sily jedine so sklzom. Znamená to, že pri akejkoľvek akcelerácii či brzdení je pneumatika v určitom sklze. Ako je to pri brzdení na hranici šmyku na rovnej ceste a v zákrute si vysvetlíme v nasledujúcej časti na trecej kružnici.

 1
Obr. 1 Sklzová charakteristika pneumatiky s radiálnou konštrukciou

 

Trecia kružnica

Zo sklzovej charakteristiky je vidieť, že veľkosť prenesiteľných síl z pneumatiky na cestu je závislá od okamžitého sklzu pneumatiky. Veľkosť týchto prenesiteľných síl na hranici šmyku si vieme znázorniť na tzv. trecej kružnici. Na Obr. 2 vidíme tvary trecích kružníc pri rôznych sklzoch pneumatík. Je zrejmé, že trecia kružnica nemusí byť a v praxi ani často nie je kružnicou. Jej hranicu tvoria v zvislom smere prenesiteľné brzdné a hnacie sily (Fx, -Fx) a vo vodorovnom smere bočné sily (Fy, -Fy). Pri 0-percentnom sklze pneumatiky, Obr. 2a, sú prenesiteľné iba bočné sily, ako vidno aj zo sklzovej charakteristiky. Preto má trecia kružnica tvar iba vodorovnej čiary, ktorej dĺžku určujú bočné sily na pravú a ľavú stranu (Fy, -Fy).

Pri malých sklzoch pneumatiky, kde je priečna sila väčšia ako pozdĺžna, už má trecia kružnica tvar elipsy (Obr. 2b). V sklze pneumatiky, kde je priečna sila rovná pozdĺžnej sile je teda trecia kružnica kružnicou, Obr. 2c. Pri väčších sklzoch, kde už prevláda pozdĺžna sila nad priečnou, nadobúda trecia kružnica tvar elipsy predĺženej vo zvislej osi (Obr. 2d). Pri 100-percentnom sklze, kde už pneumatika nedokáže preniesť žiadne priečne sily, iba pozdĺžne, má trecia kružnica opäť tvar úsečky, tentokrát však zvislej (Obr. 2e). Pneumatiky sú teda schopné preniesť na cestu maximálne také veľké sily, aké sa zmestia do trecej kružnice. Ak sú sily práve také veľké ako hranica trecej kružnice, ide o sily prenášané na hranici šmyku.

2 
Obr. 2 Tvar trecej kružnice pri rôznych sklzoch pneumatiky

 

Na Obr. 3 vidíme tri rôzne situácie pri rovnakom sklze pneumatiky. Obr. 3a dokumentuje situáciu brzdenia na hranici šmyku na rovnej ceste, pretože v trecej kružnici nie je znázornená žiadna priečna sila. Pri takomto sklze, ktorému zodpovedá tvar trecej kružnice, brzdíme vozidlo maximálnou silou na hranici šmyku. Samozrejme, to isté by platilo aj pre akceleráciu s vozidlom, ale sila by smerovala na opačnú stranu. Ak by sme pri takomto brzdení/akcelerácii vytočili riadené kolesá tak, že by veľkosť priečnej sily zodpovedala Obr. 3b, výslednica síl by presahovala treciu kružnicu a s pneumatikou by sme sa dostali do šmyku, pri ktorom nie sme schopní prenášať priečne sily a tvar trecej kružnice by sa zmenil podľa Obr. 2e. Preto, ak chceme s vozidlom naďalej brzdiť/akcelerovať na hranici šmyku, musíme to spraviť na úkor pozdĺžnej sily, Obr. 3c, aby výslednica síl bola na okraji trecej kružnice, teda na hranici šmyku. Ak si porovnáme veľkosti síl na hranici šmyku z Obr. 3a a Obr. 3c, vidíme rozdiel v pozdĺžnych silách, čo môže mať negatívny vplyv na veľkosť brzdnej dráhy. Stabilita vozidla však má väčšiu prioritu ako kratšia brzdná dráha pri neschopnosti pneumatík prenášať priečne sily, čo zamedzí ovládanie automobilu.

 3
Obr. 3 Maximálne prenesiteľné brzdné, resp. hnacie sily na hranici šmyku

 

Zhodnotenie

Ako vyplýva z vyššie uvedených charakteristík, nedá sa jednoznačne tvrdiť, či automobil s elektronickými systémami, regulujúcimi sklz hnacích a brzdiacich kolies, skrátia rozbehové, resp. brzdné dráhy automobilu. Dá sa však potvrdiť, že prispievajú k jazdnej stabilite pri maximálnej akcelerácii alebo maximálnom brzdnom účinku na hranici šmyku. Veľký vplyv na rozbehovú či brzdnú dráhu automobilu má predovšetkým požiadavka na prenos priečnej sily, ktorá má za následok redukciu brzdnej či hnacej sily do takej miery, aby bolo vozidlo stále na hranici šmyku a tým ovládateľné. Tento fakt môže mať negatívny vplyv na veľkosť brzdnej dráhy alebo dráhy na rozbeh vozidla. Naopak, ak nie je požiadavka na prenos priečnej sily, teda vozidlo ide v priamom smere, môžu byť na cestu prenesené vyššie brzdné aj hnacie sily na hranici šmyku, čo má pozitívny vplyv na rozbehovú aj brzdnú dráhu automobilu.