1.2 Анализ существующих пбс

В основе построения ПБС лежит теория сцепления колеса (протектора) с покрытием дороги. Ведущее колесо может находиться в одном из трех состояний: в тяговом режиме, в тормозном режиме и в свободном качении, когда к колесу не прикладываются ни крутящий, ни тормозной моменты. Последний случай - это движение автомобиля накатом.

Рисунок 1 - Схема качения ведущего колеса. G - нагрузка на колесо; P_N - нормальная реакция; r - радиус качения; с - угловое ускорение; J - момент инерции

Линейная скорость колеса на радиусе качения V_к совпадает со скоростью автомобиля V_а только при движении накатом. При торможении V_к всегда меньше скорости автомобиля и находится в интервале от 0 до V_а, а в тяговом режиме она всегда больше скорости автомобиля и лежит в пределах от V_а до максимальной скорости колеса V_к.max. Последняя зависит от максимальной частоты вращения двигателя, передаточных чисел трансмиссии и радиуса колеса. Для описания вращения колеса в тяговом режиме пользуются понятием коэффициента буксования (или просто буксования) колеса S_б.

Возможные значения этого коэффициента находятся в интервале от 0 до 1. Так, S_б = 0 при свободном качении колеса, а S_б = 1 - когда автомобиль еще не тронулся (Va=0), но колесо уже вращается (буксует).

Если к колесу приложить крутящий момент М_к, то в пятне контакта колеса с покрытием дороги возникает сила тяги Р_т (ее еще называют полной окружной силой колеса), совпадающая с направлением движения.

На колесо также может действовать боковая сила, например, центробежная сила инерции при движении на повороте или сила ветра. Тогда в пятне контакта шина/дорога возникает боковая реакция P_s, направленная против действия боковой силы. Когда боковая сила, приложенная к ведущей оси автомобиля, превышает сумму сил P_s обоих колес, то возникает их боковое скольжение.

Коэффициент сцепления шины с дорогой φ в тяговом режиме является величиной переменной. Он определяется состоянием поверхности дороги, применяемыми шинами и коэффициентом буксования колеса. Эта зависимость изображается графически в координатах «коэффициент сцепления - коэффициент буксования» для различных дорожных покрытий.

Коэффициенты сцепления в тяговом режиме и в тормозном режиме похожи, но это не одно и то же, особенно при направленном рисунке протектора шины.

В тяговом режиме пятно контакта шины с дорогой состоит из двух участков: покоя в передней части пятна и буксования в задней части. На участке покоя элементы протектора неподвижны относительно покрытия дороги: здесь между шиной и дорогой действует сила трения покоя. А вот на участке буксования элементы протектора перемещаются относительно опорной поверхности - там уже действует сила трения скольжения. Причем соотношение размеров участков зависит от коэффициента буксования колеса S_б.

При небольшом буксовании благодаря эластичности шины все пятно контакта занимает участок покоя. При дальнейшем росте S_б сначала появляется небольшой участок буксования, который постепенно увеличивается и вскоре занимает всю длину пятна контакта. И, наконец, при S_б=1 коэффициент сцепления становится равным коэффициенту трения скольжения резины по опорной поверхности. Сказанное объясняет форму графика коэффициента сцепления: подъем на начальном участке, достижение максимального значения и дальнейшее небольшое снижение.

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента сцепления шины с дорогой от коэффициента буксования колеса. φ_х - коэффициент сцепления в продольном направлении. φ_y - коэффициент сцепления в поперечном направлении.

Но вернемся к силе тяги Р_т. Так как коэффициент сцепления в продольном направлении имеет максимум, который достигается при коэффициенте буксования S_б.м, то и сила тяги имеет соответствующее максимальное значение P_т.max.

Приложим к колесу небольшой крутящий момент М_к. Возникает соответствующая небольшая сила тяги Р_т, и колесо начнет вращаться с постоянной скоростью при небольшом буксовании. При увеличении М_к будут увеличиваться Р_т и S_б. Это стабильное состояние колеса, когда прирост подводимого М_к компенсируется приростом Р_т при увеличении S_б. Так будет продолжаться до тех пор, пока с ростом М_к сила тяги не достигнет максимального значения. Дальнейший прирост подводимого крутящего момента уже не будет сопровождаться ростом силы тяги, а значит, колесо начнет раскручиваться с ускорением (S_б будет быстро расти). Причем теперь увеличение S_б сопровождается уменьшением Р_т и увеличением ускорения. Это нестабильное состояние колеса, и процесс закончится раскруткой колеса до скорости V_к.max при соответствующем ему S_б, близким к единице.

При этом не только сила тяги Р_т станет меньше Р_т.max, но будет интенсивно изнашиваться шина, и резко (в несколько раз) уменьшится сила боковой реакции P_s, которая противодействует возникновению бокового скольжения колеса.

А это значит, что, если при движении автомобиля в повороте (при наличии боковой силы) ведущие колеса попадут с покрытия с высоким сцеплением на покрытие с низким сцеплением, то возникнет буксование колес. Оно будет сопровождаться боковым скольжением ведущей оси автомобиля с возможными печальными последствиями. Поэтому желательно оборудовать автомобиль таким устройством, которое при избыточном крутящем моменте будет автоматически ограничивать буксование колес для поддержания их в оптимальной области - вблизи максимального значения коэффициента сцепления в продольном направлении. Эту функцию обеспечивает ПБС.

Рассмотрим работу ведущего моста автомобиля. Крутящий момент двигателя через сцепление, коробку перемены передач и главную передачу поступает на дифференциал. Обозначим этот момент M_к. Симметричный дифференциал распределяет подводимый момент поровну между первым и вторым колесами.

Предположим, что первое ведущее колесо находится на покрытии с низким коэффициентом сцепления φ₁, а второе колесо - на покрытии с высоким φ₂. Попытаемся тронуться, постоянно увеличивая M_к. На колесах возникнут силы тяги P_т1 и Р_т2, которые благодаря симметрии дифференциала равны между собой. Тогда сила тяги автомобиля Р_к = 2Р_т1 и увеличивается с увеличением M_к.

После достижения максимальной силы тяги Р_т.max1 первое колесо начинает буксовать. Сила тяги автомобиля несколько уменьшается и перестает зависеть от М_к. При этом Р_к < 2Р_т.max1.

Таково обычное поведение автомобиля, не оборудованного ПБС или хотя бы блокировкой дифференциала.

Рисунок 3 - Управление ведущим мостом автомобиля

А теперь воздействуем на тормозной диск первого колеса силой Р_B1, которая создает тормозной момент M_т1. Он противодействует крутящему моменту, в результате возникает реактивный момент, и, следовательно, крутящий момент увеличивается.

Ко второму колесу будет подводиться точно такой же увеличенный крутящий момент, и сила тяги автомобиля определится следующей формулой:

Р_к= 2Р_т1+Р_доп,

где Р_доп - дополнительная сила тяги.

В результате динамика разгона автомобиля значительно улучшится.

В данном примере проявила себя основная функция ПБС - электронное блокирование дифференциала, которое действует более точно, чем механическое блокирование.

Необходимо отметить, что М_т1 должен быть меньше крутящего момента, иначе колесо из тягового режима перейдет в тормозной и начнет сдерживать автомобиль. Кроме того, момент необходимо передавать плавно: ведь хорошо известно, что резкость в управлении - одна из причин возможной потери автомобилем устойчивости.

Если и дальше увеличивать М_к, то можно достигнуть Р_т.max2, и буксовать начнет второе колесо. Дальше возможны два пути: или начать притормаживать второе колесо так, чтобы удержать его буксование в оптимальной области или уменьшить М_к, вмешавшись в управление двигателем.

Подводя итог, сделаем вывод, что противобуксовочная функция может быть реализована одним из трех способов:

• во-первых, только управлением тормозами ведущих колес (система EDS),

• во-вторых, только уменьшением крутящего момента двигателя путем замедления подачи сигнала, закрытия дроссельной заслонки (подачи газа), перекрывания одного или нескольких каналов подачи топлива,

• в-третьих - одновременным управлением тормозами и двигателем (система управления тяговыми усилиями ASR - при пробуксовке ASR вначале притормаживает соответствующее колесо, передавая крутящий момент на другое, имеющее лучшее сцепление с дорогой; если этого недостаточно, подключается электронное управление дроссельной заслонкой).

На практике применяются все три способа.