Delovanje zavor ABS

Tehnika. Kako deluje...? Zakaj ne moremo narediti...?
Uporabniški avatar
shrink
Prispevkov: 14575
Pridružen: 4.9.2004 18:45

Delovanje zavor ABS

Odgovor Napisal/-a shrink »

V rubriki vprašanja sam naletel na to še ne odgovorjeno vprašanje:
Delovanje zavor ABS. Vem, da naj bi protiblokirni sistem omogočal krajšo zavorno pot predvsem pa kontrolo nad volanom. Tudi z delovanjme zavor ABS sem seznanjena. Ne znam si pa fizikalno utemeljiti, zakaj je zavorna pot, ko kolesa blokirajo in avto drsi daljša, kot pa če se kolesa še vedno vrtijo. Mislim, da mora biti povezano s trenjem in seveda s pretvarjanjem energije, ne vem pa kako. (28.3.2001)
Skušal bom na to odgovoriti. Kratica ABS je akronim za Anti-Lock Braking System, ki dobesedno pomeni zavorni sistem za preprečevanje zaklepanja (beri: blokade) koles med procesom zaviranja. Zakaj je sedaj pomembno, da se kolesa med zaviranjem vrtijo? Oglejmo si ta fenomen na kladi, ki jo želimo spraviti v gibanje. Opazimo, da je sila, ki je potrebna, da spravimo klado v gibanje na začetku, večja kot tista, ko je klada že v gibanju. Na začetku je namreč prisotna sila lepenja, ki je večja od sile trenja med gibanjem. Lepenju pravijo v tehniških vodah oprijemno ali statično trenje, med tem ko samemu trenju drsno ali dinamično trenje.

Tako si lahko predstavljamo, da pri ABS-u kolesa s tem, ko se ne nehajo vrteti, neprestano"grabijo" cestišče in tako nastopi lepenje, medtem ko pri klasičnem zavornem sistemu, pri kateremu so kolesa blokirana, zgolj nastopa trenje.

Zakaj je sedaj pri ABS-u zavorna pot krajša? Vzemimo, da imamo vozilo, ki vozi s konstantno hitrostjo v. V danem trenutku ima zato kinetično energijo 1/2*m*v^2. Če se hoče vozilo ustaviti, mora nanj delovati neka zunanja sila, ki vozila zavira. Po zakonu o ohranitvi energije se kin. energija pretvori v delo te sile (produkt sile in poti - zavorne razdalje):

1/2*m*v^2= F*s.

Za ABS velja:

1/2*m*v^2= FL*sL,

kjer je FL lepenje in sL zavorna pot v primeru ABS-a.

Za klasični zavorni sistem velja:

1/2*m*v^2= FT*sT,

kjer je FT trenje in sT zavorna pot v primeru klasike.

Ker je FL > FT sledi, da je sL < sT. Torej je pri ABS-u zavorna pot krajša.

Če smo čisto natančni, potem moramo omeniti, da je v bistvu koeficient lepenja kL večji od koeficient trenja kT. Med koeficientom in silo, pa je zveza sledeča:

FL=kL*N

oz.

FT=kT*N,

kjer je N normalna sila (normalna reakcija podlage), ki je za vodoravno podlago enaka N=m*g. Tu je m masa telesa oz. vozila. Toliko o tem.

Vedež
Prispevkov: 1050
Pridružen: 19.4.2004 8:33

Odgovor Napisal/-a Vedež »

Hmm,
Takrat, ko klada miruje (trenje pri mirovanju) nanjo deluje torna sila pri mirovanju: Ft = μo x Fn
μo = torni količnik pri mirovanju
Fn = sila s katero pritiska ena ploskev na drugo

Pri "trenutni" zaustavitvi koles oz. pri t.i. blokiranju koles nastane trenje pri gibanju izraženo s torno silo Ft = μ x Fn
μ = torni količnik pri gibanju

Tu je še Wk - kinetična energija, ki je energija mase v gibanju. Pri premočrtnem gibanju je Wk = m x v^2/2. Pri krožnem gibanju je Wk = J x ω^2/2
J = masni vztrajnostni moment
ω = vrtilna hitrost

V našem primeru je Wk = m x v^2/2 + J x ω^2/2

Kakšna je torej dejanska razlika med blokiranjem kolesa (koles) in med nadzorovano zaustavitvijo ABS (izražena z zakoni o ohranitvi energij in posledičnim izračunom krajše oz. daljše zavorne poti)?

Uporabniški avatar
shrink
Prispevkov: 14575
Pridružen: 4.9.2004 18:45

Odgovor Napisal/-a shrink »

Hmm,
Takrat, ko klada miruje (trenje pri mirovanju) nanjo deluje torna sila pri mirovanju: Ft = μo x Fn
μo = torni količnik pri mirovanju
Fn = sila s katero pritiska ena ploskev na drugo

Pri "trenutni" zaustavitvi koles oz. pri t.i. blokiranju koles nastane trenje pri gibanju izraženo s torno silo Ft = μ x Fn
μ = torni količnik pri gibanju
In kakšna je razlika med tvojim in mojim opisom? Mislim, da je sploh ni.
Wk = m x v^2/2 + J x ω^2/2
To je res. Vendar imajo rotacijsko komponento kinetične energije samo kolesa, katerih masa je zanemarljiva v primerjavi z maso celotnega avtomobila in lahko zato te člene zanemarimo.

Rotacijska komponenta je prisotna v obeh primerih. Pri klasiki se kolesa naenkrat blokirajo in se rotacijska komponenta v trenutku pretvori v delo trenja, medtem ko se pri ABS-u postopoma pretvorijo v delo trenja, saj se kotna hitrost koles zmanjšuje postopoma.

Osnovni fizikalni fenomen pri ABS-u je lepenje, ki neprestane deluje kot zunanja sila. Pri klasiki je lepenje prisotno samo na začetku, ko se kolesa v trenutku ustavijo, takoj nato pa začnejo kolesa drseti in se pojavi zgolj drsno trenje.

Ker je koeficient lepenja večji od koeficienta trenja, je pri lepenju potrebna manjša zavorna pot, ker v produktu dela (sile lepenja) koeficient lepenja prevzame večji delež.

mirko
Prispevkov: 483
Pridružen: 1.9.2004 13:38

Odgovor Napisal/-a mirko »

Meni so te stvari tudi še malo uganka, razmišljam pa takole:
Če opazujemo avto kot celoto, nanj delujeta dve sili: sila trenja s cesto in sila zračnega upora.
Smer sile trenja je odvisna od smeri hitrosti površine kolesa, ki je v stiku s cesto. Ta hitrost pa je vektorska vsota hitrosti težišča avtomobila in obodne hitrosti kolesa pri vrtenju. Pri speljevanju z mesta, naprimer, je prva hitrost nič, zaradi vrtenja kolesa pa se površina v stiku s cesto giblje v smeri nazaj, tako da dobimo silo trenja v smeri naprej.
Ko avto že ima določeno hitrost, z zaviranjem manjšamo obodno hitrost kolesa, tako da se površina kolesa, ki je v nekem trenutku v stiku s cesto, giblje v smeri naprej, sila trenja pa zato deluje v smeri nazaj.
In rekel bi, da je to edino, kar z zaviranjem dosežemo - spremenimo smer sile trenja. Vemo, da je velikost sile trenja neodvisna od hitrosti površin, ki sta v stiku. Razen, če je ta hitrost nič - takrat pa imamo silo lepenja, ki pa je malo večja od sile trenja. To dobimo takrat, ko je obodna hitrost vrtenja kolesa enaka hitrosti težišča avtomobila, to pa je pri kotaljenju.
Drugače pa imam občutek, da je ABS bolj kot zaradi krajše zavorne poti zaradi lepenja pomemben zaradi vodljivosti avtomobila - pri kotaljenju lahko z volanom vplivamo na smer vožnje, pri drsenju pa ne. Nisem pa tega nikjer preveril in ne vem, če je čisto res.

Uporabniški avatar
shrink
Prispevkov: 14575
Pridružen: 4.9.2004 18:45

Odgovor Napisal/-a shrink »

Ja, prav imaš: ABS omogoča tudi boljšo vodljivost avtomobila pri zaviranju.

Jaz sem samo razložil, zakaj je pri ABS-u zavorna pot krajša. Sicer je ta moja razlaga zelo poenostavljen prikaz dogajanja pri zaviranju. Pri ABS-u namreč zavorna čeljust periodično deluje na kolut (prijema - popušča) in se s časom interval prijemanja vedno bolj podaljšuje. Tako lahko tudi sam voznik simulira delovanje ABS-a, če njegov avtomobil ni opremljen z njim. Zaradi tega se pri ABS-u pojavlja kombinacija drsnega in oprijemnega trenja (lepenja). S tem ko se kolo vrti "grabi" cestišče in periodično nastopa efekt lepenja. Tako je v povprečju koeficient trenja, ki ga izmerimo pri ABS-u nekje med koeficientom drsnega trenja in lepenja. Vsekakor bliže koeficientu lepenja. Seveda ABS ne pride do izraza na snegu in makadamu, ker tu kolo nima kaj "grabiti".
Smer sile trenja je odvisna od smeri hitrosti površine kolesa, ki je v stiku s cesto.
Popolnoma drži. Če ne bi bilo trenja tudi cestnega in železniškega prometa ne bi bilo. To dejstvo je marsikomu težko razumeti, ker meni, da trenje vedno nasprotuje gibanju in ne ve, da je prav zaradi trenja kolo največji izum sodobnega človeka. Težko jim je razumeti, da ima pri pospeševanju trenje enako smer kot gibanje.
Vemo, da je velikost sile trenja neodvisna od hitrosti površin, ki sta v stiku.
To velja samo v splošnem, ko so hitrosti med stičnima površinama majhne in lahko jemljemo koeficient kot konstanto (Coulombovo trenje). Če je govora o drsnem trenju med pnevmatiko in cestiščem, potem z večanjem hitrosti, koeficient drsnega trenja pada. Zato so tudi v literaturi vrednosti podane intervalno in sicer za hitrosti nad 48 km/h in pod 48 km/h.
Zadnjič spremenil shrink, dne 12.12.2004 21:37, skupaj popravljeno 1 krat.

jerneju
Prispevkov: 37
Pridružen: 20.6.2004 13:23

Odgovor Napisal/-a jerneju »

Nekdo mi je pravil, da ABS na mokri cesti ne skrajšuje zavorno pot.

Uporabniški avatar
shrink
Prispevkov: 14575
Pridružen: 4.9.2004 18:45

Odgovor Napisal/-a shrink »

Nekdo mi je pravil, da ABS na mokri cesti ne skrajšuje zavorno pot.
To ne bo držalo. Dokler je omogočen oprijem med pnevmatiko in cestiščem, je ABS dobrodošel. Pri zmerno mokri cesti je to izpolnjeno.

Stvar je drugačna v ekstremnih razmerah: npr. pri aquaplanningu (ko pnevmatike ne uspejo izrinjati vode s cestišča) ter pri poledenelih in zasneženih površinah. V teh primerih je oprijem vprašljiv.

Če gledaš koeficient trenja v odvisnosti od longitudinalnega zdrsa (ang. longitudinal slip) za različne hitrosti potem dobiš takšen diagram:
friction_slip.jpg
friction_slip.jpg (22.04 KiB) Pogledano 7990 krat
Iz diagrama je razvidno, da ima koeficient trenja največjo vrednost za slip nekje med 15% in 25% (maksimumu tudi pravijo koeficient lepenja oz. statičnega trenja). In to je ravno naloga ABS-a: Pri zaviranju mora zagotoviti razmere nakotaljevanja pnevmatike čim bliže temu območju. Pri tem je potrebno poudariti, da pomeni 100% slip drsenje koles brez vrtenja (takrat imamo pač opravka s koeficientom drsnega (dinamičnega) trenja).

Iz diagrama je tudi razvidno, da je za moker asfalt (wet asphalt) pač krivulja nižja. Ampak tudi v tem primeru lahko ABS zagotavlja razmere nakotaljevanja pnevmatike čim bliže območju med 15% in 25% slipa.

Iz diagrama je še razvidno, da se pri višjih hitrostih obe krivulji še dodatno znižata (kakor sem že omenil v prejšnjem postu).
Zadnjič spremenil shrink, dne 16.11.2008 12:16, skupaj popravljeno 1 krat.

roberto
Prispevkov: 36
Pridružen: 24.12.2004 14:34
Kontakt:

Odgovor Napisal/-a roberto »

shrink, odlično si to razložil. Sam nisem nikoli kaj preveč fizikalno premišljeval o ABS ...

Imam pa ABS že 7 let in imam izkušnje, da ABS tudi bolje deluje na ledu in snegu in ne samo na mokri ali suhi cesti ....

vozim dokaj agresivno in hvala Bogu se še nisem zvrnil s ceste, medtem, ko me je ledena ravna cesta enkrat izvrgla na polje ....

Roman
Prispevkov: 6419
Pridružen: 21.10.2003 8:03

Odgovor Napisal/-a Roman »

Mene pa zanima, kako deluje prisilno hlajenje zavor.

Uporabniški avatar
shrink
Prispevkov: 14575
Pridružen: 4.9.2004 18:45

Odgovor Napisal/-a shrink »

Mene pa zanima, kako deluje prisilno hlajenje zavor.
Prisilno hlajenje zavor se nanaša predvsem na prisilno hlajene diske - kolute (ang. self-ventilated discs), ki so skoraj standardna oprema na prednjih kolesih sodobnih avtomobilov.

Slika


Prisilno hlajeni diski (koluti) imajo med obema stranema reže (ventilacijske odprtine), ki črpajo zrak, kar zagotavlja hlajenje in s tem odvajanje toplote, ki nastane pri zaviranju.

Link:

http://auto.howstuffworks.com/disc-brake1.htm

Prisilno hlajeni zadnji kolut na gokartu(Intrepid):
self_ventilated.jpg
Zadnjič spremenil shrink, dne 16.11.2008 13:20, skupaj popravljeno 1 krat.

zm
Prispevkov: 2
Pridružen: 27.2.2006 14:52

Odgovor Napisal/-a zm »

OK,

pri ABSu niste nič omenil tistega časa ko ABS dejasnko NE zavira kolesa...

Tisti čas verjetno kar nekaj prinese k skupnemu času ustavljanja

LP

Uporabniški avatar
shrink
Prispevkov: 14575
Pridružen: 4.9.2004 18:45

Odgovor Napisal/-a shrink »

O času sploh ni bilo govora. Govora je bilo samo o tem, da z ABS-om zagotovimo manjši longitudinalni zdrs (slip) in s tem dosegamo večji koeficient trenja. Ker je zaradi navedenega povprečni koeficient trenja pri kolesih, ki se vrtijo, večji kot pri blokiranih kolesih, bo posledično tudi zavorna pot krajša. Podatki (meritve) iz literature kažejo, da lahko sodni izvedenci za vrednosti koeficienta trenja pri osebnih vozilih opremljenih z ABS-om v povprečju vzamejo 13% višje vrednosti (glej npr. http://www.tarorigin.com/art/absscuff/num.gif).

zm
Prispevkov: 2
Pridružen: 27.2.2006 14:52

Odgovor Napisal/-a zm »

Moja napaka.... čas ni pomemben.... mislil sem zavorno pot.... To o čemer je tekla debata.

Če lahko razčistim par stvari:


Majjši slip pa dosežemo dejansko tako da koles ne zaviramo, in
kolesa ki se vrtijo (tista ki jim abs to dovoljuje (zato da nebi bila blokirana) imajo dejansko tisti kratek čas koeficient trenja enak nič ? = avto ne zavira

In ta čas če prav razumem, na koncu prinese manj škode kot ponovno lepenje ob vnovičnem blokiranju? Drži?


pa še nekaj o ABS na splošno. Ali drži da ABS deluje dvostanjsko?
(kolesa blokirana / kolesa prosta (nezavirana) )

Hvala za razlage!

Uporabniški avatar
shrink
Prispevkov: 14575
Pridružen: 4.9.2004 18:45

Odgovor Napisal/-a shrink »

zm napisal/-a: Če lahko razčistim par stvari:

Majjši slip pa dosežemo dejansko tako da koles ne zaviramo, in
kolesa ki se vrtijo (tista ki jim abs to dovoljuje (zato da nebi bila blokirana) imajo dejansko tisti kratek čas koeficient trenja enak nič ? = avto ne zavira
Kot sem že omenil v prejšnjih postih, je naloga ABS-a, da drži slip čim bliže območju (cca. 15%), kjer ima koeficient trenja maksimum. V praksi vzdržuje ABS (s t.i. modulacijo tlaka olja v hidravličnem zavornem sistemu) slip na kolesih v območju 15 % \(\pm\) 5 % (tipične vrednosti). Nadzor slipa poteka preko senzorjev na kolesih, ki primerjajo obodno hitrost koles s trenutno referenčno hitrostjo. Sledi, da dokler deluje ABS, ne more priti ne do blokade, ne do prostega vrtenja koles.
In ta čas če prav razumem, na koncu prinese manj škode kot ponovno lepenje ob vnovičnem blokiranju? Drži?
Kot sem že zgoraj omenil, ABS med procesom zaviranja (dokler na zavorni pedal deluje neka sila) ne dovoljuje ne blokade, ne prostega vrtenja koles.
pa še nekaj o ABS na splošno. Ali drži da ABS deluje dvostanjsko?
(kolesa blokirana / kolesa prosta (nezavirana) )
Ne drži. Moderni sistemi ABS delujejo tako, kakor je opisano zgoraj.

rebro
Prispevkov: 14
Pridružen: 8.11.2006 19:34

Odgovor Napisal/-a rebro »

Shrink, tole o ABS si pa zelo strokovno razložil. Me zanima od kje vse to veš? In ali imaš tudi to razlago podprto z kakšno slikco, ker prav to potrebujem-slikco in razlago. Al pa če kdo ve kje kej dobit o delovanju ABS. Mislm zelo podrobno.

Aja pa še eno vprašanje. A ma kdo idejo, kje naj dobim informacije o delovanju 4x4 pogonov (quattro, 4motion, syncro in splošno)?

jernej

Odgovori