Вкратце — поверхность сильно меняет коэффициент сцепления, а значит тормозной путь и устойчивость; ABS пытается удержать колёса в зоне скольжения, где продольная сила максимальна, но эта «оптимальная» зона и её форма зависят от поверхности. Подробно:
1) Влияние характера сцепления на тормозной путь и устойчивость
- Приблизительные значения коэффициента сцепления $\mu$: сухой асфальт $\mu \approx 0.8÷1.0$, влажный асфальт $\mu \approx 0.5÷0.8$, уплотнённый снег $\mu \approx 0.2÷0.5$, лёд $\mu \approx 0.05÷0.2$. (Диапазоны ориентировочные.)
- Тормозной путь (без учёта реакции водителя) при постоянном тормозном замедлении $a=\mu g$:
$$d=\frac{v^2}{2\mu g}.$$ Полный путь: $$d_{\text{total}}=v{t}_{\text{react}}+\frac{v^2}{2\mu g}.$$ Следствие: при уменьшении $\mu$ путь растёт обратно пропорционально $\mu$.
- Заклинившее колесо теряет возможность создавать большие боковые силы; при скольжении продольная сила снижается, а способность рулить — падает, поэтому заблокированное колесо вызывает потерю управляемости и устойчивости.
- Особые явления: гидропланирование (вода отделяет шины от асфальта) резко снижает контакт и $\mu$; снежная каша/слякоть создаёт слой между шиной и дорогой, часто дающий ещё более низкую и нестабильную адгезию.
2) Физические механизмы работы ABS
- Цель ABS — держать колёса в зоне скольжения, где продольная тормозная сила $F_x$ близка к максимуму, сохраняя при этом боковую силу $F_y$ для управления. Модельное ограничение комбинированных сил:
$$\sqrt{F_x^2+F_y^2}\le \mu F_z,$$ где $F_z$ — нормальная сила.
- Параметр скольжения (slip): если $\omega$ — угловая скорость колеса, $R$ — эффективный радиус, $v$ — скорость автомобиля, то
$$s=\frac{v-\omega R}{v}.$$ Для шин характерная кривая $F_x(s)$: при $s=0$ сила мала, затем растёт до пика при некотором $s_{\text{opt}}$, потом уменьшается при сильном скольжении.
- Компоненты ABS: датчики скорости колёс, блок управления, клапаны на тормозных магистралях и насос. Алгоритм: детектируется приближение к блокировке (слишком большой отрицательный d$\omega$/dt или превышение целевого $s$), клапан снижает давление, затем по достижении прокрутки — повышает; цикл повторяется, удерживая $s$ около оптимального значения.
3) Как меняется поведение ABS при переходах между режимами сцепления
- Сдвиг и «плоскость» кривой $F_x(s)$: при низкой $\mu$ максимум $F_x$ меньше, а профиль может стать более узким/мало выраженным. Это означает, что:
- $s_{\text{opt}}$ и высота пика зависят от поверхности и шин; ABS должен подстроиться (в современных системах — адаптивно оценивается).
- На высоком $\mu$ $s_{\text{opt}}$ чаще находится в диапазоне порядка $10\%-20\%$ (зависит от шины); на очень низком $\mu$ пик менее выражен и точный оптимум труднее удержать.
- При переходе одной оси или колеса на поверхность с существенно другим $\mu$ (split-μ) появляется асимметрия тормозных сил и создаётся вращающий момент (юз), то есть автомобиль будет пытаться повернуть в сторону с более сильным торможением. ABS уменьшает блокировку, но асимметрия остаётся и надо компенсировать рулём или ESC.
- На рыхлой поверхности (гравий, сыпучий снег) поведение иное: при блокировке колёса может «накапливать» материал и образовывать клиновидный упор, иногда дающий более короткий путь, чем при работе ABS — поэтому на подобных покрытиях ABS может в отдельных случаях увеличить тормозной путь (поэтому в некоторых автомобилях есть режимы для гравия/снега).
- При гидропланировании контакт теряется — $\mu$ падает почти до нуля, ABS не сможет создать тормозного усилия до восстановления контакта; ABS при этом может «стремительно» модулировать, но без сцепления эффект мал.
- На слякотном/ледяном покрытии ABS преимущественно улучшает управление и позволяет сохранять курс; однако общее тормозное усилие сильно ограничено малыми значениями $\mu$, поэтому тормозной путь всё равно велик.
Короткие практические выводы
- Порядок тормозного пути (обычно): сухой < влажный < уплотнённый снег < лёд/глубокая слякоть.
- ABS существенно улучшает управляемость и обычно уменьшает тормозной путь на асфальте (сухом и влажном) и на льду, но на рыхлых поверхностях бывают исключения.
- При переходах между разными поверхностями оптимальная степень скольжения и поведение ABS меняются: пик продольного усилия смещается и становится менее выраженным, управление усложняется, возможна юзающая моментная асимметрия (необходима коррекция рулём/ESC).