22. Антиблокировочная мехатронная система тормозов (аbs) автомобиля

Антиблокировочная система тормозов предназначена для сохранения устойчивости и управляемости автомобиля при его торможении путем предотвращения блокировки колес. Сама аббревиатура АBS родилась в Германии, где еще в 1936 году инженерами компании Bosch было разработано и запатентовано дополнительное устройство, предотвращающее блокирование колес при торможении автомобиля.

Создать эффективную систему, способную практически мгновенно оценить дорожную ситуацию и соответствующе отреагировать на нее, удалось лишь в 70-х годах, когда появились микропроцессоры с высоким быстродействием. Первым серийным автомобилем, оснащаемым по желанию покупателя подобной мехатронной системой, стал "Mersedes Benz S-класса" серии W 116. С 1980 года установкой АBS на свои автомобили занимаются все ведущие мировые автопроизводители. Эта система все чаще применяется в качестве стандартного оборудования, а некоторые из функций выполняемых ею активно используются для обеспечения работы других систем комплекса активной безопасности автомобиля, таких как ASR, ESP и т.д. (им нужны те же самые датчики и управление тормозами).

При необходимости экстренной остановки транспортного средства при нажатии на педаль тормоза автомобиль, начинает замедляться, т. к. на колесо передается тормозной момент М_ТР, реализуемый путем прижатия тормозных колодок к диску или барабану. Величина этого момента определяется приложенным к педали усилием. По мере возрастания М_ТР автомобиль замедляется все быстрее. Однако, существует определенное значение тормозного момента, после которого действия водителя, направленные на увеличение эффективности замедления автомобиля, путем нажатия на педаль, не дают успеха. Автомобиль в этом случае будет скользить по поверхности дороги, а не катиться по ней. Максимальный тормозной момент, реализуемый колесом (Мmax тр), зависит от коэффициента сцепления колеса с дорогой, который может быть реализован им в данных дорожных условиях. Он определяется из соотношения:

Мmax тр=f∙R_z∙r, где

f - коэффициент сцепления колеса с дорогой; Rz - нормальная составляющая реакции дороги; r - радиус качения колеса.

Если величина Мтр, передаваемого на колесо, достигнет значения величины, стоящей в правой части уравнения, то колесо мгновенно заблокируется. Причем бывают случаи, когда блокировка наступает даже при легком нажатии на педаль тормоза. Это происходит, например, на обледеневшей дороге. В этом случае коэффициент сцепления весьма невелик.

Для избежания подобной ситуации необходимо, чтобы постоянно, в процессе торможения автомобиля, соблюдалось неравенство: Мmax тр < f*Rz*r. Достичь этого очень сложно, особенно если необходима экстренная его остановка. Антиблокировочная система (АBS) дает возможность водителю не задумываться о том, с какой силой давить на педаль тормоза. При любом усилии она не позволяет колесам автомобиля начать скольжение, балансируя величиной тормозного момента на грани блокировки, и никогда не переходя за эту грань. Водитель удерживает педаль тормоза нажатой, а система, то притормаживает колеса, то снова дает им раскрутиться, тем самым, обеспечивая прерывистое торможение, при котором автомобиль сохраняет свою устойчивость и управляемость.

На рис.22.1 представлена принципиальная схема антиблокировочной тормозной системы.

Основными компонентами антиблокировочной тормозной сис­темы являются: регулятор давления, изменяющий тормозное уси­лие, которое прикладывается к колесу; компьютер, анализирую­щий изменение скорости колеса, а также обеспечивающий управ­ление давлением в регуляторе; датчики частоты вращения колеса, устанавливаемые в колесных узлах автомобиля.

Рис.22.1. Электропневматическая схема АBS: 1 - трубопровод; 2,5 и 6 - соответственно перепускной, управляющий и ре­дукционный клапаны; 3 - поршень; 4 - плунжер; 7 - трубопровод задних тор­мозных механизмов; 8 - главный тормозной цилиндр; 9 - воздуховод; 10 -компьютер; 11 –датчик скорости колеса.

АBS включает в себя электронный блок управления, гидравлическое исполнительное устройство (модулятор) и датчики скорости вращения колес. Датчик состоит из катушки индуктивности и зубчатого ротора, прикрепляемого к вращающимся деталям. Система работает при условии поступления сигналов от всех колес, благодаря которым блок управления постоянно следит за скоростью вращения каждого из них. Свои функции современные АBS системы выполняют по следующему алгоритму: электромагнитные датчики непрерывно передают в электронный блок управления информацию о скорости вращения колес автомобиля, тот обрабатывает ее и посылает соответствующие указания на исполнительное устройство, которое непосредственно регулирует давление в тормозной системе. Как только угловая скорость колеса автомобиля уменьшается настолько, что возникает угроза блокировки АBS, блок управления подает команду на открытие электромагнитного клапана гидроагрегата, что приводит к уменьшению давления тормозной жидкости в соответствующем рабочем контуре и уменьшению тормозного момента на данном колесе. Как только датчик оповестит блок управления о том, что колесо опять набрало определенную скорость, клапан перекроется, и давление в тормозном контуре опять повысится. Далее цикл повторится, причем количество циклов в секунду для современных АBS колеблется в пределах от 10 до 15. Ощутить работу АBS можно по пульсации, передающейся на ногу водителя при нажатии на педаль тормоза.

АBS подразделяются на: двухканальные, трехканальные и четырехканальные. Двухканальные АBS имеют три датчика, устанавливаемые на передних колесах и на ведущей шестерне главной передачи, но они способны регулировать тормозное усилие только попарно, на каждой оси. В отличие от двухканальных, трехканальные регулируют давление в тормозных механизмах передних колес по отдельности. Наиболее эффективно же свою работу выполняют более дорогие четырехканальные АBS. Они имеют четыре датчика, по одному для каждого колеса, и давление, в каждом из четырех тормозных механизмов, устанавливают индивидуально.

Со времени появления АBS существует устойчивое мнение, что антиблокировочная система не многим уступает опытному водителю в способности остановить автомобиль на сложном покрытии, и вовсе незаменима для начинающих водителей.

Эффективное управление автомобилем, в том числе его торможение, зависит от сцепления колес с поверхностью дороги. При потере сцепления, при торможении с заблокированными колесами увеличивается тормозной путь, автомобиль становится неуправляемым. При торможении на скользкой поверхности опытные водители удерживают колеса на грани блокировки, используя прием прерывистого торможения. Если в движении одного из колес автомобиля оборудованного АBS появляются признаки блокировки, частота вращения становится ниже определенного критического значения, блок управления системой на основе сигнала датчика частоты вращения посылает управляющий сигнал к соленоидному распределительному клапану для прекращения роста давления тормозной жидкости в тормозном механизме для предотвращения опасности блокировки. Для создания постоянного давления в тормозной системе используется отдельный насос. Современная антиблокировочная система не просто следит за тем, чтобы то или иное колесо не было заблокировано, но еще и сравнивает работу каждого из колес и регулирует тормозные усилия таким образом, чтобы не допустить потери курсовой устойчивости. Для иллюстрации воспользуемся результатами дорожных испытаний антиблокировочной системы на двух типах покрытия. Одно покрытие с укатанным снегом имеет коэффициент сцепления 0,14 , а другое, представляющее мокрый асфальт - 0,76. При создавшейся аварийной ситуации возможны следующие варианты действия водителя: работа только рулем без использования тормозов, руль и торможение.

Простейшая ситуация: торможение на прямой со скорости 40 км/ч. На асфальте водителю удается точно дозировать тормозной усилие, так что результаты не позволяют судить о превосходстве мехатроники. При торможении на снегу, тормозной путь составил 46 метров. Торможение по всем правилам на грани блокировки дает результат 41 метр. При подключении АBS - 37,4 метра.. Со скорости 60 км/час тормозной путь с АBS меньше на пять метров по сравнении с опытным водителем.

Более сложное покрытие, когда под правыми колесами лед, а под левыми асфальт при скорости 60 км/ч дает следующие результаты: с АBS- 37 м, без АBS - 41 м, но основное преимущество мехатроники не в метрах, а в устойчивости и управляемости автомобиля.

Приемы вождения с АBS и без нее разнятся. Антиблокировочная система становится, эффективной, когда превышено некоторое усилие на педали тормоза. Известно, что в экстренной ситуации водитель может развить на педали тормоза усилие до 50 кгс, при этом необходимое для блокировки колес на льду усилие на педали тормоза у современного автомобиля без АBS составляет 5-8 кгс. При помощи электроники усилие оптимизируется.

С увеличением тормозного давления колесо соответственно замедляется (рис.22.2). В точке 1 замедление колеса превышает величину, которую замедление автомобиля физически превысить не может. Базовая скорость, соответствующая до этого скорости колеса, теперь значительно отличается от скорости колеса которая, начиная с точки 2 (превышение порога – b) существенно понижается.

В точке 2 порог замедления - b превышается. Колесо движется в зоне неустойчивого участка кривой проскальзывания - . Колесо теперь достигает своей максимальной силы торможения, так, что дальнейшее увеличение тормозного момента увеличивает исключительно замедление колеса, а не транспортного средства. По этой причине тормозное движение быстро понижается и замедление колеса на короткий период времени уменьшается.

Время, требуемое для уменьшения замедления колеса, определяется гистерезисом колесного тормоза и характеристикой кривой проскальзывания - в неустойчивом диапазоне.

Только после прохождения гистерезиса колесного тормоза дальнейшее понижение тормозного движения ведет к снижению замедления колеса.

Рис. 22.2. Цикл работы ABS (с важнейшими

рабочими параметрами порога замедления колеса-b, порога

ускорения колеса +b, а также порога проскальзывания ₁ и ₂)

В точке 3 сигнал замедления вновь находится в пределах порога – b и тормозное давление поддерживается на протяжении фиксированного времени Т₁ постоянным.

Как правило, ускорение колеса превышает в течение этого времени порог ускорения +b (точка 4).

На время превышения этого порога тормозное давление поддерживается постоянным.

В точке 5 преодолевается порог ускорения +b; колесо находится в стабильной зоне кривой проскальзывания -.

Теперь на определенное время Т₂ тормозное давление подается со значительным нарастанием для преодоления гистерезиса механизма колесного тормоза. Время Т₂ для первого цикла регулировки задается постоянным, а для каждого последующего цикла рассчитывается заново.

Число циклов регулировки определяется динамическими характеристиками всего регулировочного контура, состоящего из: контура управления ABS, колесного тормоза, колеса, дорожного покрытия. Схема безопасности в электронном блоке управления обеспечивает отключение ABS при ее отказе (например, обрыв провода) или при снижении напряжения питания (напряжение аккумуляторной батареи ниже 10,5 В), что индицируется загоранием контрольной лампы ABS на приборной доске. В этом случае поведение автомобиля при торможении такое же, как если бы ABS не была установлена.

В конце девяностых годов Bosch и Mercedes-Benz представили разработку, которая отличается принципиально новым уровнем развития: - электронная стабилизирующая программа (ESP). Эта система основывается на четырехканальном ABS, то есть может в отдельности управлять каждым колесом. Это предотвращает не только блокировку колес, но может инициировать и активное торможение. Во время движения прибор управления постоянно контролирует правильность курса, который был задан. Для этого сенсор угла поворота рулевого колеса постоянно замеряет, насколько вывернуто рулевое колесо и следует ли автомобиль заданному курсу. Для того, что бы провести сравнение того, что есть и того, что может быть, дополнительно применяется гигрометр. Случайный занос автомобиля ESP сразу распознает и стабилизирует его, активно тормозя одно колесо.

При управлении, когда заносит переднее колесо, которое является внешним по отношению к повороту, или когда заносит заднее колесо, которое является внутренним к повороту, система мгновенно реагирует торможением.

Тормоза многих современных автомобилей оборудуют АBS с функцией "брейк эссист" (Brake Assist). Ее задача – полностью реализовать возможности тормозов. Идея Brake Assist пришла инженерам из Штутгарта после серии тестов, в ходе которых была замечена интересная тенденция: подавляющее большинство водителей, попадающих в критическую ситуацию, либо нажимали на педаль тормоза недостаточно сильно в течение всего маневра, либо увеличивали усилие лишь в самом его конце. Электронный блок "брейк эссист" улавливает момент, когда водитель совершает ошибку, и в течение долей секунды поднимает давление в тормозах до максимально эффективного значения. Похожая функция имеется в тормозах BMW, она носит название DBC (Dynamic Break Control).

В последнее время активно внедряют в машины разных классов и противобуксовочную мехатронную систему, именуемую "Мерседесом" ASС (Acceleration Skid Control), "Ровером" – ETC (Electronic Traction Control), а "Опелем" и "Вольво" – TRACS (Traction Control System). Все они иногда объединяются под общим названием - ТС и выполняют функцию АBS и наоборот: не допускают пробуксовки во время разгона.

Наконец, в списке серийного мехатронного оборудования машин и система стабилизации траектории – ESP (Electronic Stability Program) у "Мерседеса"; "Тойота" называет свой вариант VSC (Vehicle Stability Control), а "Субару" – VDC (Vehicle Dynamics Control). В опасной ситуации эти мехатронные системы притормаживает то или иное колесо, стабилизируя траекторию движения и выводя автомобиль из заноса.

В тормозах может применяться электрическая пере­дача сигналов между педалью тормоза и исполнительным механизмом, то есть механическая связь между педалью тормоза и тормозными механизмами заменена на электри­ческую связь. После обработки информации поступающей с датчиков, определяющих скорость, нагрузку, поперечное ускорение автомобиля, угол поворота рулевого колеса, компьютер дает команду исполнительным механизмам, регулирующим давления в контурах тормозной системы.

При этом тормозной механизм может быть полнос­тью электрическим или электрогидравлическим. В первом случае тормозная колодка должна выдвигаться в рабочее положение (и возвращаться в исходное положение) элект­рическим двигателем с винтовым приводом, использующим принцип цирку­ляции шариков в замкнутом пространстве для винтовых приводов колодок, чтобы минимизировать трение и достичь быстрой реакции.

В электрогидравлическом приводе электродвигатель вращает вал насоса, который создает давление в аккумуля­торе тормозной жидкости. Набор соленоидных клапанов управляет потоком давления жидкости, подводимой к каж­дому суппорту. Действие клапана задается регулятором тор­мозной системы, который принимает и обрабатывает сиг­налы усилия на педали тормоза и датчиков движения.

Напряжение может быстро отключаться с обмоток электромагнитов модулятора. Это необходимо для того, чтобы при появлении ошибки в системе быстро и надежно перейти к режиму торможения без ABS. Новый седан Lexus GS – 430, оснащенный интегрированной системой контроля движения автомобиля VDIM (Vehicle Dynamics Integrated Management) делает торможение более эффективным и надежным. Блок VDIM включает в себя все существующие системы активной безопасности (Рис.22.3). Она получает сигналы от большого количества датчиков и после их обработки распознает намерения водителя и активирует необходимые системы безопасности, делая автомобиль устойчивым и более отзывчивым на управляющее действие водителя. При этом управляющее воздействие идет как на тормозную систему, так и на рулевое управление, предупреждая критические ситуации.

Рис.22.3. Интегрированная система контроля движения автомобиля VDIM

Электронные блоки ABS поставляются с диагностическим интерфейсом по ISO 9141 или SAE J1587.

Каждый раз, когда водитель включает зажигание, тормозная система с ABS «докладывает» о своем состоянии. Загоревшаяся на щитке приборов сигнальная лампа должна погаснуть через несколько секунд или после запуска двигателя. Если что-то не в порядке, лампа продолжает гореть либо мигает с той или иной частотой. По характеру мигания определяют вид поломки.

Отключать ABS нельзя, так как в этом случае повышается склонность к потере управляемости автомобиля и возникновению заносов.

В разных машинах чувствительность и алгоритм работы ABS отличаются. Это обусловлено особенностями программного обеспечения и конструкцией системы - быстродействием электроники и исполнительного механизма. Масса ABS первого поколения (1980 г.) составляла 6,9 кг, а масса восьмого поколения (2008 г.) – 1,2 кг.

Ограничение гидравлики до небольших закры­тых контуров в каждой части автомобиля — или полный от­каз от нее в целом — будет иметь большое значение. Но реальное различие появится тогда, когда тормоза будут не просто останавливать автомобиль, но и внесут существенный вклад в его устойчивость и безопасное управление.

Потенциальной проблемой в создании ABS является работа с полноприводными трансмиссиями, которые включают в себя дифференциалы повышенного трения или блокируемые. Механическое соединение через трансмиссию с колесами, которыми стремятся управлять ABS, может создавать неправильную информацию. Некоторые трансмиссии отсоединяют двигатель от задних колес, когда происходит торможение с ABS. Альтернативный подход состоит в том, чтобы использовать дополнительные датчики для более гибкой работы системы.

Таким образом, можно отметить, что существующие конструкции ABS повышают:

- устойчивость колесной машины;

- управляемость при аварийном торможении;

- устойчивость при торможении на скользкой дороге и при поворотах. Вместе с тем они сокращают тормозной путь и снижают износ шин. Рассмотренные ABS имеют мехатронные системы, обеспечивающие три стадии работы: получение входных данных; обработка этих данных; генерирование выходных данных.