Verkürzt ABS den Bremsweg eines Autos?

Der ganze Sinn des Bremsens besteht darin, kinetische Energie abzubauen. Nicht die kinetische Energie des Rades, wie Sie sagten, sondern die kinetische Energie des Autos, auch wenn Sie dies möglicherweise durch Übertragung auf das Rad tun. Einige Lastwagen oder Busse bremsen tatsächlich, indem sie einen Teil ihrer KE in Elektrizität umwandeln, die irgendwann wiederverwendet werden kann, oder als Wirbelströme (oder Foucault-Ströme) in Wärme umgewandelt wird.

Die gebräuchlichste Art, kinetische Energie zu dissipieren, ist jedoch Reibung. Bei Autos gibt es zwei mögliche Reibungen: zwischen der Bremse und dem Rad (hoffentlich nicht dem Gummi selbst) und zwischen dem Gummi und der Straße.

Eine Energiedissipation findet jedoch nur statt, wenn eine Bewegung mit (Gang-)Reibung eine Widerstandskraft erzeugt (bei Reibungsbremsung). Das Wort Kinetik steht in Klammern, da es möglicherweise etwas genauer ist (siehe unten).

Wenn das Auto normal rollt, gibt es keine (oder geringfügige) kinetische Reibung, da das Rad im Kontaktteil relativ zur Straße ruht. Wenn Sie bremsen, stimmt dies möglicherweise nicht mehr, da sich das Rad möglicherweise nicht schnell genug dreht. Auf einigen Oberflächen, wie einer nassen Straße (aber anscheinend nicht allen Oberflächen), ist die Reibung wichtiger, wenn die Geschwindigkeit des Radteils im Straßenkontakt relativ zur Straße nicht zu wichtig ist. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit kann der Reifen sogar auf einer dünnen Wasserschicht sozusagen surfen, die Reibung sinkt, wodurch weniger Energie verbraucht wird. Dies geschieht viel schneller, wenn Sie die Bremsen blockieren.

Bei blockierten Bremsen wird also keine Energie durch Reibung in den Bremsen abgeführt, und die Räder rutschen möglicherweise zu schnell, um Energie effizient abzugeben. Daher dauert die Auflösung länger, was eine längere Zeit zum Stoppen bedeutet.

Die ideale Situation besteht darin, Energie sowohl in den Bremsen als auch im Gummi abzubauen. Das ist aber nicht einfach zu erreichen, da der Haftreibungskoeffizient meist größer ist als der dynamische Koeffizient. Sobald das Rad zu rutschen beginnt, kann die Reibungsreaktionskraft des Rads, das eine gewisse Bewegung in den Bremsen bewahrt hat, zu niedrig werden, als dass die Bremsen eine Bewegung zulassen könnten, und die Bremsen blockieren, liefern keine Dissipation mehr und erhöhen das Rutschen weiter Geschwindigkeit des Rades.

ABS verhindert das Blockieren der Bremsen, indem es kurzzeitig die Reibung aufhebt, und lässt die Räder etwas einschlagen, damit die Relativgeschwindigkeit ihres Kontakts mit der Fahrbahn nicht zu hoch wird.

Aber warum sollte es auf trockener Straße funktionieren? Laut Wikipedia ist noch ein weiteres Phänomen zu beachten. Der Übergang vom statischen zum dynamischen Reibungskoeffizienten ist kein diskontinuierliches Phänomen. Anscheinend wird die "maximale Bremskraft erreicht, wenn zwischen der Drehzahl des gebremsten Rads und der Straßenoberfläche ein Schlupf von ungefähr 10% bis 20% besteht", darüber hinaus "die Rollhaftung schnell abnimmt" zur kinetischen Reibung. Dort ist also die Wärmeableitung maximal, da maximale Ableitung maximale Bewegung mit der größten bewegungskompatiblen Reibung erfordert (eigentlich ist es das Produkt, das maximiert werden soll). Die Rolle von ABS besteht darin, loszulassen, wenn der Schlupf zu stark wird, damit der Schlupf im optimalen Bereich bleibt (zusätzlich zu den oben genannten Problemen).

Aber anscheinend verhalten sich einige Oberflächen anders, und ABS kann tatsächlich langsamer bremsen . Ich würde vermuten, dass dies auf die spezifischen Eigenschaften der Funktion zurückzuführen ist, die die Reibungskraft und die Rutschgeschwindigkeit für diese Art von Oberfläche in Kontakt mit Gummirädern in Beziehung setzt. Aber auf einer solchen Oberfläche ist auch der Vorteil, das Auto besser unter Kontrolle zu halten, indem man weniger rutscht, ein Problem.

Eine weitere Aufgabe von ABS-Systemen besteht darin, die Bremskraft zwischen Vorder- und Hinterrädern zu verteilen. Vorder- und Hinterrad haben unterschiedlichen Innendruck, also unterschiedliche Kontaktfläche zur Fahrbahn. Außerdem werden sie beim Bremsen unterschiedlich belastet (mehr Kraft vorne), sodass der Reibwert dort besser wirkt, wo die Kraft größer ist. Daher muss die Schlupfregelung vorne und hinten unterschiedlich sein. Es kann auch links und rechts ausgleichen, wenn sich die beiden Seiten aus irgendeinem Grund unterschiedlich verhalten.

Ein letztes Problem wurde tatsächlich von @tohecz angesprochen. Wo soll die Energie abgebaut werden bzw. nach welchem ​​Verhältnis zwischen Bremse und Gummi-Fahrbahn? Seiner Meinung nach sollte es am Bremssystem liegen, nicht am Rad-Fahrbahn-Kontakt. Ich habe keine Informationen gefunden, die besagen, dass, wenn es die Wahl gibt, einer mehr als der andere sein sollte, aber es kann tatsächlich vorzuziehen sein, die Reifen zu schonen (ich weiß es nicht genau). Es lohnt sich jedoch, die Problematik und den Grad der Wahlfreiheit zu berücksichtigen.

Wir können dieses Verhältnis etwas analysieren, indem wir Extremfälle betrachten. Wenn Sie die Räder blockieren (kein ABS vorausgesetzt), wird keine Energie in den Bremsen abgebaut. Somit wird alles im Gummi-Fahrbahn-Kontakt dissipiert. Wenn Sie dagegen langsam bremsen, bleibt die Radoberfläche in statischem Kontakt mit der Straße (kein ABS erforderlich) und die gesamte Energie wird in den Bremsen abgebaut. Dies widerspricht einigen Annahmen, dass heftiges Bremsen das Bremssystem erhitzen könnte: Häufiges und langsames Bremsen wird es tun, während heftiges Bremsen ohne ABS den Gummi erhitzen und abnutzen wird.

Die Frage nach der Übersetzung stellt sich also bei einem ABS-System erst dann wirklich, wenn man so stark bremst, dass ein Radschlupf auftritt und mit dem ABS geregelt werden kann. Hier würde eine richtige Analyse wirklich erfordern, mit tatsächlichen Zahlen zu arbeiten, da es viele mögliche Szenarien gibt.

Es sollte so sein, dass optimales Bremsen mit schnellster Energiedissipation einen genauen Druck auf die Bremsen ausübt, was zu einem präzisen Dissipationsverhältnis zwischen Bremse und Gummi führt. Angesichts des Schluckaufverhaltens des ABS-Systems entspricht dies jedoch wahrscheinlich einer instabilen Einstellung, die eine dynamische Steuerung des Drucks erfordert, um die optimale Dissipationszone nicht zu verlassen. Ich habe keine Informationen zu diesem Verhältnis gefunden.

Wenn der Druck auf das Bremspedal keine Dringlichkeit für schnelles Bremsen anzeigt, kann das ABS-System wahrscheinlich gemäß seiner Programmierung wählen, wie viel Druck wann ausgeübt werden soll, um zu bestimmen, wo die meiste Energie verbraucht wird. zwischen Bremse und Gummi. Aber es scheint nicht viele öffentliche Informationen darüber zu geben.

Eine letzte Bemerkung ist, dass die Wahl des optimalen Drucks für das gewünschte Ergebnis auch von der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängen sollte. Es ist wahrscheinlich schwierig, einen Schlupf von einem sehr langsamen Auto zu bekommen. Daher muss der Prozess auch aus diesem Grund dynamisch gesteuert werden.

Hinweis : Bei dieser Analyse der ABS-Bremsung wird dem aufmerksamen Leser aufgefallen sein, dass ich von Kräften spreche, wenn es eigentlich in vielen Fällen Drehmomente sein müssten. Meine Gründe dafür sind folgende:

• das Hauptproblem sind Reibung und Reibungskräfte, die aufgrund der Struktur der betrachteten Vorrichtungen zu Drehmomenten werden;

• die Rede von Drehmoment würde notwendigerweise erfordern, dass die Beschreibung Größenbetrachtungen (Rad- und Bremsradius) einführt, was die Analyse verkomplizieren würde, ohne wesentliche Erkenntnisse über ABS zu gewinnen;

• Dies ist nur eine qualitative Analyse, ohne tatsächliche Zahlen zu verwenden. Die Entwicklung vollständiger Formeln würde natürlich die Einbeziehung von Größenaspekten und die Berücksichtigung von Drehmomenten erfordern. Aber ich hielt es für einfacher, das hier nicht zu tun.

Um jegliches Missverständnis und jede daraus resultierende Hitze zu zerstreuen, sollte ich klarstellen, dass dies für mich ein interessantes Problem zu sein schien, an dem ich arbeiten könnte, aber dass ich kein besonderes Fachwissen habe und ich tat, was ich konnte, mit den Informationen, die ich konnte finden. Kommentare und Kritik sind willkommen.

Ich bin mir nicht 100% sicher. Aber ABS verkürzt meiner Meinung nach den Bremsweg dadurch, dass die Haftreibung zwischen den Reifen und der Straße höher ist als die Gleitreibung. Das Blockieren der Reifen durch hartes Bremsen ohne ABS bedeutet also, dass zwischen den Reifen und der Straße eine kinetische Reibung entsteht. Wenn Sie die Reifen jedoch nur hart genug brechen lassen, um die maximale Haftreibung zu erreichen (was ABS im Grunde tut), bedeutet dies, dass Sie eine größere Kraft auf das Auto ausüben und das Auto daher in kürzerer Entfernung zum Stillstand kommt.

Ohne ABS wird ein erfahrener Fahrer leichter auf die Bremse gehen, sobald er spürt, dass es blockiert. Einige Zeit später würde er wieder auf die Bremse drücken, dieses Mal vielleicht nicht so fest. Der Computer hingegen kann eine RIESIGE Bremskraft anwenden, bis zu dem Punkt, an dem das Rad NUR KAUM für den Bruchteil einer Sekunde blockiert, dann loslässt und es wiederholt. Denkt man an Impuls und Schwung, kann die größere Bremskraft die insgesamt kürzere Einwirkzeit ausgleichen. Wenn der Impuls der Bremskraft jeder Pumpe des ABS größer ist als das, was eine Person liefern würde, bedeutet dies, dass weniger Zeit und Weg benötigt werden, um das Auto anzuhalten. Es stellt sich heraus, dass dies das beobachtete Verhalten ist, wenn echte Menschen unter den meisten Bedingungen Auto fahren, obwohl dies nicht immer der Fall ist.

Es gibt ein paar Punkte zu beachten:

• Es wird nicht nur auf Gehwegen gefahren. Die Reibung im Bremssystem ist vorhersehbar, da die Materialien nicht variieren. Aber Fahrflächen variieren. Antiblockiersysteme sind besonders nützlich auf Eis oder losem Schotter. Blockieren die Räder auf Eis, gleitet das Auto reibungsarm auf einer dünnen Wasserschicht vorwärts. Durch das Verhindern eines Blockierens bleiben die Räder mit dem Eis verbunden, sodass die Bremsen kinetische Energie ableiten können. Die Idee ist, zu versuchen, den Grip aufrechtzuerhalten, den die Reifen aufbringen können, damit sich die Räder mit der Straße bewegen und die Reibung zwischen Bremsbelägen und Rotoren / Trommeln Energie abführen kann.

• Beim Bremsen geht es nicht nur darum, langsamer zu werden oder anzuhalten, sondern dabei die Kontrolle zu behalten. Blockierte Räder können zu einem gefährlichen Schleudern führen. Die Räder blockieren nicht unbedingt auf beiden Seiten gleichzeitig, insbesondere wenn beim Bremsen eine Gewichtsverlagerung durch die Lenkung erfolgt.

• Bei Fahrzeugen mit Schaltgetriebe kann der Motor absterben, wenn die Antriebsräder blockieren. Auf glatter Fahrbahn kann dies bei Geschwindigkeiten passieren, bei denen der Fahrer es nicht gewohnt ist, beim Bremsen auf die Kupplung zu treten.

ABS soll nicht den Bremsweg verkürzen, dieses System soll ein Rutschen verhindern, wenn es zwischen Dröhnen und Reifen auftritt, weil die ausgeübte Kraft die Reibungskraft übersteigt. Das ABS wird durch die Signale der Sensoren an das Bedienfeld und folglich durch die Befehle des Bedienfelds ausgelöst, um die Bremsflüssigkeit zu verringern, wodurch eine leichte Beschleunigung ermöglicht wird. Dann erhöht es wieder die Flüssigkeitsmenge, dh die hydraulische Kraft, die die Flüssigkeit durch die installierte Pumpe erhöht. Wenn Sie also etwas grundlegende Physik besitzen, können Sie sehen, dass ABS tatsächlich das Bremsen verwaltet, aber eine vernachlässigbare Verlängerung des Bremswegs vorhanden ist.

TLDR: ABS bietet ein stabileres Handling und verbessert die Reibung mit der Straße, indem es einen statischen (statt dynamischen) Kontakt gewährleistet. Dies kann den Bremsweg verbessern.

ABS (Antiblockiersystem, auf Englisch) misst die Drehung der Räder und passt den Bremsdruck (entweder kontinuierlich oder pulsierend) an, um ein Blockieren der Räder zu verhindern. Dies verbessert das Handling und den Bremsweg.

Wenn die Bremsen blockieren, ist die Richtung der (kleinen) Kraft zwischen der Straße und dem Reifen der Bewegungsrichtung direkt entgegengesetzt; dagegen ist die Kraftrichtung beim Rollen des Rades rechtwinklig. Letzteres bedeutet, dass, wenn das Auto von der Fahrtrichtung weg zeigt (beginnt zu schleudern), das rollende Hinterrad dazu neigt, eine Rückstellkraft bereitzustellen; ein blockiertes Hinterrad hindert das Auto nicht am Weiterdrehen. Deshalb ist es wichtig, mit den Vorderrädern stärker zu bremsen als mit den Hinterrädern: Das sorgt für Stabilität (blockieren die Vorderräder, fahren Sie geradeaus weiter und können nicht mehr lenken; blockieren die Hinterräder, drehen Sie durch). Sicherzustellen, dass die Räder nicht blockieren, verbessert daher das Handling.

Zum Bremsweg: Beim Bremsen wird dem Auto kinetische Energie entzogen. Diese Energie muss abgebaut werden – entweder zwischen Reifen und Fahrbahn oder zwischen Bremsbelägen und Bremsscheiben. Auf einer nassen Straße sorgt das Profil eines rollenden Reifens dafür, dass Wasser weggedrückt wird, sodass ein gewisser Kontakt zwischen dem Gummi und der Straße besteht. Wenn der Reifen blockiert, neigt das Wasser dazu, sich vor dem Rad anzusammeln und sorgt für einen kontinuierlichen „Wasserfilm“, auf dem das Rad mit minimaler Reibung gleiten kann. Durch die geringe Reibung zwischen Rad und Fahrbahn wird beim Bremsen keine Energie vernichtet. Durch die Wiederherstellung der Rotation des Rades wird die Kontaktreibung erhöht. Dies ist ein besonders auffälliger Fall des allgemeinen Unterschieds zwischen kinetischer und dynamischer Reibung: Wenn sich zwei Oberflächen nicht relativ zueinander bewegen, ist die Kraft, um sie ins Gleiten zu bringen, größer als die Kraft, die erforderlich ist, um sie in Bewegung zu halten, wenn sie sich bereits bewegen.

Der kinetische Reibungskoeffizient ist IMMER niedriger als der statische Reibungskoeffizient (Haftungskoeffizient) (per Definition / aufgrund der Sache). Außer auf losem Schotter und Schnee bietet ABS IMMER eine höhere Beschleunigung als das Bremsen mit blockierten Rädern. Zugegeben, für Reifen auf Asphalt ist Haftreibung vs. Reibung ein vereinfachtes Modell, aber das korrekte Modell, das Schlupf verwendet, sagt genau dasselbe aus: Die maximale Beschleunigung für 10 % Schlupf, bei der das ABS die Reifen hält, beträgt ~ 1,1 g trockene Straßen, während die Beschleunigung durch dynamische Reibung (blockierte Räder, also kein ABS) ~ 0,85 g beträgt. Bei nasser Fahrbahn ist das Verhältnis etwa gleich: ~ 0,75 g vs. ~ 0,55 g. Ich habe diese Quelle gefunden, die leider auf Deutsch ist, aber die Grafik sollte leicht genug interpretierbar sein:

https://www.leifiphysik.de/mechanik/reibung-und-fortbewegung/ausblick/reifen-aus-gummi-ein-kompliziertes-reibungsproblem

Beachten Sie, dass Ihre Schlussfolgerung: "Wenn das ABS das Rad um einen bestimmten Winkel drehen lässt, gibt es in diesem Moment keine Reibung zwischen Rad und Boden" falsch ist. ABS löst die Bremsen zeitweise nicht vollständig - nur bis der Schlupf abnimmt und während dieser Zeit die Beschleunigung nicht Null ist. Sie ist nur minimal geringer als die Beschleunigung durch reine Gleitreibung und nur für sehr kurze Zeit. Nachdem der Schlupf wieder zugenommen hat, ist die Beschleunigung viel höher und länger.

Natürlich kann ABS geschlagen werden, aber nur um ~ 0,05 g (für normale Autos) und man muss sehr genau sein. Rennfahrer machen das die ganze Zeit, wenn sie sich einer Kurve nähern. Aber das ist eine ganz andere Situation als eine Notbremsung im Straßenverkehr durch gewöhnliche Menschen. Eigentlich bin ich mir ziemlich sicher, dass selbst manch professioneller Rennfahrer in einer solchen Situation panisch auf die Bremse treten würde.