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En supposant un ABS identique et suffisant, et en ignorant l'aérodynamisme, les pneus sont-ils le seul facteur de distance de freinage ?
Question
J'ai eu mon premier accident il y a deux jours (blessures minimes, alors ne vous inquiétez pas), et cela m'a fait réfléchir à de nombreux aspects de la conduite et des voitures, comme le freinage. Si mon freinage avait été encore un peu moins efficace, cela aurait été une toute autre histoire.
Cela m'a amené à faire des recherches sur des voitures avec de bonnes distances de 60 mph - 0 mph, mais ce faisant, quelqu'un a affirmé qu'il n'était en fait qu'une comparaison de pneus.
Est-ce vrai ? En supposant des plaquettes de frein capables de bloquer les pneus et l'ABS, et en ignorant l'appui, est-ce que tout dépend des pneus ?
Pour préciser le scénario, disons qu'il s'agit d'un cas unique (c'est-à-dire des températures normales ) frein dur de 60 mph à 0 sur asphalte. Considérons à la fois une route parfaitement lisse et une route légèrement cahoteuse. Idées sur d'autres facteurs potentiels :
- Poids de la voiture - la physique me dit que le frottement est proportionnel à la force normale, donc je pense que cela n'a pas d'importance
- Raideur de la suspension - cela réduirait le pendage avant, mais cela affecte-t-il même la distance de freinage ?
- Rebond de la suspension - un mauvais rebond peut-être causer du temps d'antenne momentané si la route est cahoteuse, est-ce que cela serait substantiel ?
- La rigidité du châssis - un châssis qui se déformerait un peu plus sous des forces lourdes provoquerait-il des sauts de pneus ou quelque chose du genre ?
- Qualité de l'ABS - en ignorant l'EBD, existe-t-il une différence substantielle dans l'efficacité de l'ABS entre les modèles de voiture ? Ma BMW série 3 94 ne semble pas trembler comme la Corolla 02 de mes parents. À première vue, les frissons peuvent être de brefs moments de dérapage des pneus ou de relâchement des freins - ni l'un ni l'autre ne serait génial.
Je sais que l'EBD (Electronic Brakeforce Distribution) pourrait être une aide, mais je peut simplement mettre cela dans une autre question.
Réponse acceptée
Préface
J'ai fini par faire pas mal de réflexion et de recherche à ce sujet, alors je pense que je peux aussi bien écrire ce que j'ai trouvé. Merci à tous ceux qui ont répondu, en particulier BobCross. En fin de compte cependant, je voulais une réponse qui allait au-delà d'appeler une voiture une boîte mystère sur des ballons - j'ai posé cette question parce que je veux vraiment la comprendre.
Intro - Pneus
Compte tenu de la situation d'une voiture qui a une puissance de freinage suffisante pour bloquer les roues et ignorant l'aéro, les pneus sont le déterminant final de la puissance de freinage. Cela dit, de nombreux facteurs affectent l'adhérence de ces pneus au sol.
Poids d'une voiture
La puissance de freinage d'une voiture est le frottement. Avec un ABS approprié, les roues roulent au contact de la route, nous parlons donc principalement de friction statique. Un certain glissement se produit à cause de la mollesse des pneus, mais c'est assez proche de la statique.
La physique de base nous dit que le frottement est égal à la force normale multipliée par le coefficient de frottement, c'est-à-dire :
Ff = µ * Fn
où Ff est la force de frottement, µ est le coefficient de frottement, et Fn est la force normale.
Cependant, les pneus sont un peu plus compliqués. D'une part, le coefficient de friction diminue à mesure que la force normale augmente (voir cet article Wikipedia pour plus de détails ). Vous trouverez ci-dessous des données extraites de cet article :
Vertical load µ
(lbf) max
900 1.10
1350 1.08
1800 0.97
L'équation d'avant nous dit que la distance d'arrêt est inversement proportionnelle à la force de décélération, donc avec le au-dessus des données, un doublement de la masse entraîne une diminution de -12% de µ, et donc une augmentation de +14% de la distance d'arrêt. Pourquoi? Cette équation :
v_1^2 = v_0^2 + 2ad
c'est-à-dire compte tenu d'une vitesse de départ et d'arrivée, l'accélération est inversement proportionnelle à la distance.
Donc, plus de poids entraîne une distance d'arrêt plus longue, mais la relation n'est que légèrement positive, et certainement pas linéaire.
Remarque : L'augmentation du poids expose la voiture à un risque de freinage pire s'estomper, mais cela dépasse le cadre de la question
Suspension
En ce qui concerne le freinage, la suspension est importante pour :
- Garder les pneus plantés sur la route
- Garder la répartition du poids même sur les pneus. Une répartition inégale du poids, comme dans le cas d'un piqué, diminue la capacité de freinage globale comme ci-dessus, nous voyons que l'adhérence n'augmente pas de manière linéaire avec la charge.
Une suspension plus rigide aide certainement à (2) , cependant (1) nécessite simplement une configuration idéale de rigidité/rebond pour la route - tout ce qui maintient les pneus les mieux plantés. Pour un asphalte de qualité, une configuration rigide et rapide sera probablement la meilleure.
Châssis
Tout ce que le châssis doit faire pour le freinage est d'agir comme un corps rigide entre la suspension, afin que la suspension puisse faire son travail. Cela peut donc faire une différence, mais ce ne sera pas majeur à moins que le châssis ne soit vraiment nul.
ABS
L'EBD fait partie du système ABS, vous ne pouvez donc pas vraiment analyser le bon et le mauvais ABS sans tenir compte des gains de l'EBD.
Une bonne configuration ABS peut appliquer différents niveaux de freinage à différentes roues, il est donc possible que l'ABS freine un humain , simplement en ayant plus de contrôles. Bien que sur un asphalte de qualité, la variation de l'équilibre de freinage gauche-droite n'est probablement pas aussi importante.
Il est difficile de dire s'il existe vraiment de mauvais systèmes ABS, mais c'est tout à fait possible.
Conclusion
Les pneus sont certainement les plus rentables en matière de freinage, si vous disposez déjà de freins puissants avec un bon ABS, cependant, d'autres facteurs jouent un rôle très important.
Et si vous sortez du cadre d'un frein unique ignorant l'aéro, eh bien... vous avez l'aéro à considérer car c'est énorme pour les vitesses élevées, et cette hypothèse de freins bloquant les pneus est n'est plus une évidence après de nombreux tours de piste agressifs avec une voiture poussant plusieurs centaines de kW. Où va tout ce pouvoir ?
Réponse populaire
tl;dr : Non.
Ce genre de question sur la dynamique du véhicule est mieux traitée par Dynamique des véhicules de course
Ce qui suit est une discussion de base au niveau de la physique au lycée. Comme vous le verrez dans le texte de référence, la physique au lycée est insuffisante pour modéliser statiquement le système complet du véhicule. Un modèle dynamique est nécessaire pour être en accord avec des données expérimentales facilement disponibles.
En supposant des plaquettes de frein capables de bloquer les pneus et l'ABS, et en ignorant l'appui, est-ce que tout se résume aux pneus ?
Non.
Poids de la voiture - la physique me dit que le frottement est proportionnel à la force normale, donc je pense que cela n'a pas d'importance
Incorrect. La masse est le facteur dominant.
Votre équation critique ici est :
où
d est votre distance d'arrêt et, comme vous pouvez le voir, elle est défini en fonction de votre accélération a (décélération dans votre cas), de votre vitesse initiale v_0 et du temps nécessaire pour arriver à la vitesse zéro t . F est la force de décélération de l'ensemble du véhicule et de son système de freinage tandis que m est la masse du véhicule.
Pour être complet : à résoudre pour t, vous feriez mieux d'utiliser les équations énergétiques. Cependant, les deux équations ci-dessus sont suffisantes pour faire une approximation numérique dans le tableur de votre choix.
Donc, toutes choses étant égales par ailleurs, vous pouvez facilement voir que la masse du véhicule domine l'ensemble du système. Si vous ne changez rien d'autre, un véhicule plus léger s'arrête plus rapidement (accélération plus élevée pour la même force). Deux voitures identiques avec un nombre différent de passagers ralentiront à des vitesses différentes.
Confirmation expérimentale : Toute cette discussion est amusante mais la physique solide devrait être confirmable (ou falsifiable) à l'aide d'un expérimenter.
Matériel requis :
- Une voiture entièrement alimentée.
- Un parcours mesuré pour les tests de freinage à 60 mph (c'est-à-dire une piste droite, un Panneau Brake Here et marqueurs de 10 mètres).
- Un chargement supplémentaire de 20 sacs de sable de cinquante livres.
Procédure :
-
Effectuez dix tests de freinage à partir de 60 mph sans charge supplémentaire. Mesurez la distance nécessaire pour vous arrêter à chaque course. Notez que les courses consécutives provoqueront probablement un évanouissement des freins (la distance augmentera avec la température des freins).
Faites le plein de la voiture.
< li>Faites le plein de la voiture.
Ajoutez 10 autres sacs de sable de cinquante livres (pour un total de 1000 livres supplémentaires). Répétez les mêmes tests de freinage. Notez que les distances d'arrêt requises sont beaucoup plus longues. Notez que les courses consécutives entraînent une décoloration des freins beaucoup plus rapide (atteignant peut-être un état terrifiant car les freins semblent cesser de fonctionner).
Ajoutez 10 sacs de sable de cinquante livres au véhicule (pour un total de 500 livres supplémentaires). Répétez les mêmes tests de freinage à partir de 60 mph sur le même parcours. Notez les distances d'arrêt. A noter que les distances nécessaires pour s'arrêter sont plus longues. Notez que les courses consécutives entraînent un évanouissement des freins de plus en plus important (c'est-à-dire que ces longues distances d'arrêt s'allongent beaucoup plus rapidement).
Conclusion :
Revenant à nos équations d'origine, nous pouvons voir que lorsque m augmente, il y a une nette augmentation de la distance d et temps t requis pour s'arrêter. Si F était une force de friction cinétique ou statique pure, nous nous attendrions à ce qu'elle augmente linéairement avec m, ce qui entraîne des distances d'arrêt presque identiques.
Comme ce n'est pas du tout le cas, nous pouvons conclure que F n'est pas une force de friction idéalisée.
En supposant donc les mêmes pneus , et des freins qui peuvent maintenir les pneus à cette force statique maximale, je ne vois pas pourquoi la masse augmenterait la distance de freinage .
Oui, la situation serait très simple si une voiture était un bloc solide idéal d'un manuel de physique (c'est-à-dire un poulet sphérique). Dans votre commentaire, vous substituez m à plusieurs endroits comme s'il était toujours le même sur chaque roue. Ce serait le cas si nous parlions d'un problème de physique. Malheureusement, une vraie voiture est une boîte creuse reposant sur des ressorts, chevauchant des ballons ronds en caoutchouc et en acier.
Lorsque vous mentionnez la force normale, vous parlez de la force de la plaque de pneu sur la route. Cette situation ne correspondrait à la fonction de friction de base que si le véhicule ne bougeait pas avec les freins bloqués. Il va me falloir beaucoup de force pour pousser cette chose lourde à travers le parking (avec des cris de pneus tout le long, je suppose). Voiture lourde => plus difficile à pousser.
Malheureusement, rien de ce qui précède n'est réellement pertinent.
La réalité est que la force normale utilisée pour le frottement cinétique pour arrêter la voiture n'est pas les pneus. C'est en fait la force des plaquettes de frein sur les rotors (ou les tambours, mais je suppose que les freins à disque ont pour but d'avoir quelque chose de facile à pointer). Leur force de serrage est ce qui ralentit réellement la roue. Cela ne ralentit le véhicule que si les pneus sont couplés statiquement à la surface. Une roue qui arrête de patiner dérape, pas freine.
Raideur de la suspension - cela réduirait le pendage avant, mais cela affecte- t -il même la distance de freinage ?
Rebond de la suspension - un mauvais rebond causerait peut-être un temps d'antenne momentané si la route est cahoteuse, cela serait- il substantiel ?
La rigidité du châssis - un châssis qui se déformerait un peu plus sous des forces lourdes provoquerait-il des sauts de pneus ou quelque chose du genre ?
Tout ce qui augmente la surface de contact des pneus augmentera la capacité de la route pour induire un couple sur la roue (et vice versa). Une grande tache adhèrera bien à la route, gardant la roue en rotation et permettant aux freins d'utiliser plus de force d'adhérence avant que la roue ne s'arrête, faisant déraper les pneus. Un patch plus petit adhère mal, ce qui entraîne un dérapage avec beaucoup moins de force de préhension.
C'est là que votre système ABS tente d'optimiser une mauvaise situation : il essaie d'empêcher toutes les roues de s'arrêter en se relâchant et en re- saisir la force de serrage des freins près de la limite de traction. Cette modulation des freins est exactement ce qu'un conducteur expérimenté tentera de reproduire.
Pourquoi est-il pire d'avoir la majorité de la charge sur deux pneus au lieu de quatre ?
Encore une fois, le système de freinage est totalement dépendant de l'utilisation des disques de frein et de la force de serrage qu'il peut appliquer avant le blocage des roues. Au fur et à mesure que le poids quitte les pneus arrière, leur surface de contact se rapproche de zéro. En conséquence, le système de freinage ne peut pas appliquer beaucoup de force de serrage avant que ces roues ne se bloquent (c'est-à-dire qu'elles sont maintenant hors de vue).
Cependant, le déplacement du poids vers l'avant a augmenté les surfaces de contact des pneus avant mais elles n'ont pas doublé (c'est une conséquence de beaucoup de choses, y compris que chacun est un ballon rempli d'air qui ne étalé linéairement avec une augmentation du poids qu'il supporte). En conséquence, chaque pneu avant reçoit maintenant moins de deux fois le couple que chaque pneu recevait avant le transfert de poids. Conséquence : chaque rotor avant peut être saisi avec une force plus élevée mais pas le double, ce qui entraîne un freinage réduit et des distances d'arrêt plus longues.
Qualité ABS - en ignorant l'EBD, y a-t-il une différence substantielle dans le l'efficacité de l'ABS entre les modèles de voitures ?
On ne peut vraiment répondre qu'en fonction d'une situation spécifique. Quel est le scénario ? Quels pneus sont utilisés ? Neige contre glace contre sable contre pluie ? Pneus froids ou chauds ?
En général, tout système ABS moderne est meilleur que rien. Il est proche de l'optimum par rapport au conducteur moyen, à sa connaissance de la situation et à ses temps de réaction.
Un conducteur très habile peut-il mieux freiner sans ABS qu'avec ABS ?
< /blockquote>Je crois fermement que Michael Schumacher pourrait me freiner sur la piste , dans le même véhicule, quel que soit le système ABS que je devais utiliser.
Et alors ?
À moins que vous ne soyez un champion de Formule 1 (ou un équivalent efficace), je vous dis que c'est une comparaison dénuée de sens lorsque vous parlez de conduire dans le monde réel, sur de vraies routes avec de vraies personnes qui n'accordent pas autant d'attention qu'ils le devraient.
Read more… Read less…
Un point à retenir et garder à l'esprit est que le critère principal dans tout cela est le coefficient de friction du pneu. Ceci affecté par la pression des pneus. Si vous deviez avoir un véhicule donné sur une autoroute plate et froide avec de bons pneus à des pressions correctes, votre freinage serait optimal. Toute variation par rapport à cette situation, théoriquement idéale, nuirait aux performances de freinage. Les conditions routières, la qualité des pneus, les pressions, la météo et l'état d'entretien du véhicule ont tous leur influence. Les systèmes ABS sont généralement fabriqués pour le constructeur automobile, cela signifie que vous avez le même système sur de très nombreuses marques et modèles. Tous les systèmes ABS que vous trouverez seront indiscernables les uns des autres. Le prix des systèmes sera une différence, car certains fabricants importeront des composants qu'ils ont exactement fabriqués pour eux dans des pays où les problèmes de main-d'œuvre, de santé et de sécurité sont moins importants, ce qui les rend moins chers. (VW ne fabrique pas ses propres boîtes de vitesses, elles sont fabriquées au Japon.) Micheal Schumacher a bénéficié de la télémétrie, du GPS et de Ross Brawn, ainsi que d'un accès illimité à l'arène de course pour s'entraîner à perfectionner son freinage. Oh oui, il avait aussi un peu de talent :-).
La réponse courte est que les éléments suivants jouent tous un rôle dans la distance d'arrêt :
- Le poids de la voiture,
- L'"adhérence" du pneu. Plus souple et plus large (et un peu sous-gonflé) c'est mieux.
- La bonne répartition du freinage sur tous les pneus. Dans un scénario idéal, les quatre pneus recevront une quantité égale de travail de freinage (mais voir le point suivant)
- le degré auquel la charge de chaque roue est similaire aux autres. Lorsque vous freinez, le centre de gravité de la voiture se déplace vers l'avant. Cela signifie que vos freins avant effectuent entre 60% et 80% du freinage. Si cela peut être rendu plus 50/50, cela aiderait.*
- Une configuration suspension + amortisseur qui gardera chaque roue en contact avec la route autant que possible.
*WRT #4 : il est extrêmement peu pratique de configurer les composants de la suspension de votre voiture pour maintenir le centre de masse dans une répartition 50/50 lors du freinage. Je ne pense pas que ce soit même physiquement possible. Mais si c'était le cas, vous auriez une suspension avant extrêmement dure et inconfortable, tandis que l'arrière serait en guimauve.