Огромный вклад в обеспечение активной безопасности вносят сегодня системы поддержки водителя, базирующиеся на процессах автоматического торможения, и системы контроля проскальзывания колёс. Эти системы стали настолько привычными, что при ежедневном вождении мы уже не замечаем их работу и воспринимаем их как должное.
За последние годы произошло бурное развитие различных систем поддержки водителя, ставшее возможным благодаря достижениям в области разработки и производства электронных компонентов, которые сделали их доступными для установки в автомобиль. Совместное использование отдельных функций, обмен данными между разными системами и их совместная работа стали логическим следствием этого процесса.
Рассмотрим сначала коротко физические основы сцепления колёс с дорогой, существенные для понимания работы систем, которые будут рассмотрены далее.
Взаимодействие автомобиля с дорогой происходит в местах соприкосновения шин с дорожным покрытием, так называемых пятнах контакта шин. На практике пятна контакта имеют форму, близкую к овалу. Через пятна контакта передаются как силы, действующие со стороны автомобиля на дорогу (например, масса), так и силы, действующие со стороны дороги на автомобиль и вызывающие его движение в том или ином режиме, например, ускорение или торможение, движение по прямой или поворот.
Через пятно контакта на автомобиль в разных ситуациях могут действовать разные силы реакции (рис.5.2.18). Всегда действуют силы реакции опоры, противоположные массе автомобиля, распределённые по осям и колёсам. Помимо них в различных динамических ситуациях могут действовать силы тяги и торможения, а также боковые направляющие силы. Все эти виды сил отличаются направлением своего действия. Силы реакции опоры, как и масса автомобиля, действуют в вертикальном направлении. Силы тяги действуют в направлении движения, силы торможения — в направлении, противоположном движению.
Рисунок 5.2.18 – Силы, действующие в пятне контакта
Боковые направляющие силы возникают при движении в повороте. Под действием этих сил колесо начинает катиться по дуге, то есть они действуют практически под прямым углом к силам тяги и торможения (в поперечном направлении).
В дальнейшем мы будем рассматривать силы, действующие в плоскости, параллельной дороге, так как именно они наиболее важны для динамики автомобиля. Это силы тяги и торможения (продольные) и боковые направляющие силы (поперечные).
Силы, которые мы рассматриваем, не только ограничены силой сцепления шины с дорогой (максимальной силой, которая может быть передана в пятне контакта без срыва колёс в проскальзывание), но и зависят друг от друга. Это можно пояснить на следующем примере.
Автомобиль без ABS при движении прямо тормозит с такой силой, что передние колёса находятся на грани блокирования (рис.5.2.19).
В этот момент водитель, чтобы объехать препятствие, ещё и поворачивает рулевое колесо. Но несмотря на поворот управляемых колёс, автомобиль продолжает движение прямо — боковые направляющие силы не действуют.
Рисунок 5.2.19 – Схема движения автомобиля при торможении
Дело в том, что меньше максимально возможной силы сцепления должна быть не каждая из сил по отдельности, а их векторная сумма, то есть равнодействующая сила. Наглядно соотношение продольных и поперечных сил демонстрирует так называемая круговая диаграмма сил (рис.5.2.20).
Рисунок 5.2.20 – Круговая диаграмма сил, действующих в пятне контакта
Радиус круга на диаграмме соответствует сцеплению колеса с дорогой, то есть максимальной результирующей силе, которая может быть передана колесом на дорогу, а проекции вектора результирующей силы на вертикальную и горизонтальную оси — максимальным продольным и поперечным силам. Максимальная сила, которую можно реализовать в поперечном направлении (боковая направляющая сила) зависит, таким образом, от сцепления колёс с дорогой и от фактически реализуемой продольной силы (тяги или торможения), и наоборот (рис.5.2.20, слева).
На диаграмме (рис.5.2.20, справа) видно, что максимально возможная сила торможения уже «выбрала» весь потенциал сцепления колёс с дорогой, и они не могут больше воспринимать боковые направляющие силы. Поэтому автомобиль продолжит движение прямо, несмотря на поворот управляемых колёс.
Радиус круга диаграммы зависит от имеющегося сцепления колёс с дорогой (рис.5.2.21). Чем лучше сцепление, тем больше радиус круга и тем большие силы могут восприниматься колёсами.
Рисунок 5.2.21 – Круговая диаграмма сил в зависимости от сцепления колес с дорогой
Если в ходе, например, торможения свойства дорожного полотна изменятся (например, сухое–мокрое), может получиться, что силы, которые до этого находились в допустимых пределах, окажутся теперь слишком большими. В таких случаях включаются электронные функции поддержки водителя, которые будут рассмотрены далее.
На круговой диаграмме сил (рис.5.2.22) представлена следующая ситуация. Автомобиль движется по сухой дороге, в повороте водитель тормозит, чтобы снизить скорость. При этом имеющийся потенциал сцепления колёс с дорогой не исчерпывается до конца. Однако во время торможения автомобиль проезжает мокрый участок. Изменение свойств поверхности дороги приводит к изменению сцепления шин с дорогой, и максимально возможные силы, которые могут быть переданы в пятне контакта, заметно уменьшаются.
Рисунок 5.2.22 – Круговая диаграмма сил и схема движения автомобиля при повороте на участках дороги с разным сцеплением
В показанном примере заданные водителем тормозные силы слишком велики, чтобы одновременно обеспечить восприятие колёсами ещё и боковых направляющих усилий. Без вмешательства систем поддержания курсовой устойчивости автомобиль может потерять управляемость. Неспособность восприятия боковых направляющих сил приведёт к тому, что автомобиль не сможет удержать заданный радиус поворота и его может вынести на встречную полосу.
На показанном ниже втором примере (рис.5.2.23) автомобиль движется в повороте так, что боковые направляющие силы выбирают полностью весь потенциал сцепления колёс с дорогой. Если водителю теперь будет необходимо затормозить, например, из-за автомобиля, которые едет впереди медленнее, то колёса не смогут передать на дорогу необходимые тормозные силы. Под воздействием тормозных сил, созданных тормозными механизмами, лишившиеся сцепления с дорогой колёса заблокируются. Потерявший курсовую устойчивость автомобиль покинет свою полосу движения, что создаст серьёзную аварийную ситуацию.
Рисунок 5.2.23 – Схема движения автомобиля на повороте
Благодаря своему упрощённому характеру круговая диаграмма наглядно показывает соотношение основных сил, действующих в пятне контакта. Максимальная абсолютная величина суммарной силы, которую шина может передать на дорогу (радиус круга диаграммы) зависит, прежде всего, от условий трения между шиной и дорожным полотном. Если рассмотреть пятно контакта под большим увеличением, то будет видно, что неровности дороги входят в своего рода «зацепление» с материалом шины (рис.5.2.24). Чем глубже такое зацепление, тем больше сила трения между шиной и дорогой и, соответственно, тем большие силы могут через него передаваться.
Рисунок 5.2.24 – «Зацепление» между шиной и поверхностью дороги
Критерии, определяющие величину трения между шиной и дорогой:
• материал дорожного полотна (асфальт, бетон и т. д.);
• свойства поверхности протектора шины (состав резины);
• состояние дорожного полотна (сухое, мокрое, лёд и т. д.);
• скорость автомобиля;
• температурная характеристика шины (то есть, например, разница между летними и зимними шинами);
• температурная характеристика дорожного полотна.
Передача сил с покрышки на дорожное полотно и наоборот возможна только благодаря трению, без него ведущие колёса просто проворачивались бы и автомобиль не трогался бы с места. При затормаживании вращающихся колёс на движущемся автомобиле они бы, наоборот, блокировались, не вызывая уменьшения скорости автомобиля. Способность поверхностей двух тел создавать силу трения описывается коэффициентом трения μ, который определяется как отношение силы FG, с которой одно тело прижимается к поверхности другого, к силе FV, которую нужно приложить, чтобы сдвинуть одно из этих тел относительно другого (рис.5.2.25).
Рисунок 5.2.25 – Коэффициент трения
Наибольшее значение силы сдвига достигается в момент перехода от трения покоя (тела неподвижны друг относительно друга) и к трению скольжения (тела скользят друг относительно друга). Коэффициент трения в этом состоянии называется коэффициентом трения покоя.
Коэффициент трения для двух скользящих друг относительно друга тел называется коэффициентом трения скольжения.
В паре шина-дорога, однако, эти два случая нельзя чётко разделить. При реальном качении колеса между шиной и дорожным полотном имеет место как трение покоя, так и трение скольжения.
Основными факторами, определяющими коэффициент трения в паре шина-дорога являются следующие:
• состояние поверхности дорожного полотна;
• состояние шины;
• скорость автомобиля.
Примерные значения коэффициента трения для разных типов и состояний дорожного полотна при скорости 60 км/ч:
• сухой асфальт: 0,9;
• мокрый асфальт: 0,4;
• сухой бетон: 0,9;
• мокрый бетон: 0,5.
При использовании особых типов резины для специальных применений (например, для автомобильных гонок) могут быть реализованы значения коэффициента трения покоя >1 (в автомобильных гонках примерно до 2).
При передаче колесом усилий на дорогу резиновые элементы шины в области контакта нагружаются, и в них возникают внутренние напряжения (в направлении, параллельном дороге), за счёт которых такая передача, собственно, и становится возможной. В результате попеременного растяжения и сжатия резиновых элементов шина в целом постоянно «проворачивается» относительно дороги. Состояние, в котором скорость вращения шины не совпадает со скоростью автомобиля и при этом в пятне контакта имеются точки, в которых обе поверхности — шины и дороги — неподвижны друг относительно друга, называют упругим проскальзыванием колеса.
В зависимости от того, передаёт ли колесо силу тяги или силу торможения, различают, соответственно, упругое проскальзывание тяги и торможения. Оптимальные условия для передачи крутящего момента в режиме тяги создаются при величине упругого проскальзывания до примерно 10%. В этом диапазоне возможна передача максимальных тяговых усилий.
В режиме тяги упругое проскальзывание имеет отрицательные значения. При торможении, соответственно, наоборот.
где 
скорость автомобиля; 
скорость колеса.
На иллюстрации (рис.5.2.26) схематически показан процесс деформации шины в пятне контакта катящегося колеса. При этом цельный материал шины условно разбит на большое число отдельных резиновых элементов. Попадая в пятно контакта, каждый такой элемент шины нагружается в продольном направлении. Вследствие эластичных свойств резины это вызывает деформацию элемента. Когда элемент шины покидает пятно контакта с противоположной стороны, нагрузка с него снимается, и он упруго возвращается в исходное состояние.
Рисунок 5.2.26 – Схема процесса деформации шины в пятне контакта катящегося колеса
Помимо коэффициента трения, максимальные усилия, которые могут быть переданы в пятне контакта, зависят также от массы (весовой нагрузки на колесо) и от площади пятна контакта.
С увеличением нагрузки на колесо или с увеличением пятна контакта увеличивается и максимальное значение передаваемого усилия. Поэтому на автомобилях с более мощными двигателями используются, соответственно, и шины большей размерности.