Тема 3 Антиблокувальні системи гальм автомобіля

3.1 Мета і завдання роботи

Мета - засвоєння та поглиблення теоретичного матеріалу з розділу „ Антиблокувальні системи гальм автомобіля”.

Завдання:

– ознайомлення з конструкцією основних моделей антиблокувальних систем гальм автомобіля;

– вивчення призначення та принципу роботи їх основних вузлів та механізмів;

– виконання індивідуального завдання.

3.2 Теоретичні положення

Антиблокувальна система гальм (АВS) відноситься до групи устаткування, яке підвищує рівень активної безпеки автомобіля.

Перші спроби встановити ABS на автомобіль були зроблені в 50-ті роки. Спочатку пробували використати системи, що застосовувалися в авіації, а пізніше - і в залізничному транспорті. Проте це не дало результатів, оскільки автомобільні колеса працюють в складніших умовах - в процесі гальмування на них впливає більша кількість різних сил і по-різному змінюються навантаження.

З розвитком електроніки в кінці 60-х проблему створення ABS вдалося розв'язати. Тоді з'явилися перші антиблокувальні системи, які встановлювалися за додаткову платню на дорогі моделі автомобілів (Ford, Mercedes, BMW, GM, Chrysler). Надалі, у міру налагоджування масового виробництва цих систем, вони набули більш широке поширення і стали входити в перелік стандартного устаткування безлічі нових моделей.

Варто відзначити, що антиблокувальні системи гальм мають різні назви: марки Toyota - 4-ESC, Nissan - 4WAS, Honda - ALB, Mazda - 4W-ABS, Mitsubishi - 4 ABS і т.д. Але найпопулярніші в світі - ABS.

Конструкція сучасних ABS.

ABS – це системами, оснащені пристроями керування із зворотнім зв'язком, що запобігають блокуванню коліс під час гальмування і зберігають керованість і курсову стійкість автомобіля.

При розробці системи ABS беруть до уваги наступне:

- варіанти зчеплення між шиною і дорогою;

- нерівності дорожнього покриття, що викликають коливання коліс і осей;

- гальмівний гістерезис;

- зміни тиску в головному гальмівному циліндрі при дії водія на педаль гальма;

- зміни радіуса колеса, наприклад при установці запасного колеса.

До основних критеріїв якості керування ABS відносяться:

- підтримка курсової стійкості під час керування автомобілем шляхом забезпечення достатньої величини поперечної сили зчеплення на задніх колесах;

- підтримка керованості автомобіля шляхом забезпечення достатньої поперечної сили зчеплення на передніх колесах;

- зменшення гальмівного шляху в порівнянні з гальмуванням із заблокованими колесами;

- швидка зміна гальмівних моментів для різних коефіцієнтів зчеплення, наприклад коли автомобіль рухається через невеликі ділянки льоду на дорожньому покритті;

- контроль низьких амплітуд зміни гальмівного моменту з метою попередження вібрацій в зубчатих передачах;

- високий рівень комфорту руху в результаті незначного впливу зворотного зв'язку на педаль гальма і використання безшумних виконавчих механізмів.

Найпростіша ABS складається (рис.3.1) з трьох основних елементів: електронного блоку керування-4, модулятора-3 і датчиків швидкості коліс-1, 2. Також до гальмівної системи відноситься головний гальмівний циліндр-5, замок запалення-6, контрольна лампочка несправності АВS-7, запобіжники-8,9.

ABS приводиться в робоче положення після ввімкнення запалення і досягнення автомобілем певної швидкості руху.

Датчик кутової швидкості встановлюється на маточинному вузлі колеса з мінімальним зазором по відношенню до зубчатого ротора, закріпленого на гальмівному барабані або диску, що обертається. Цей датчик є котушкою індуктивності із магнітним сердечником, в якій з частотою, пропорційною кутовій швидкості обертання колеса, генерується електричний струм.

Рисунок 3.1 – Схема ABS автомобіля Mercedes W123

Електронний блок керування. Блок керування аналізує інформацію датчиків, відстежуючи моменти блокування коліс. При необхідності він дає команди модуляторам понизити тиск в гальмівній магістралі автомобіля.

Модулятори звичайно мають по два електромагнітні клапани, один з яких перекриває доступ рідини в магістраль, що сполучає головний гальмівний циліндр з робочим (колісним), а другий при надмірному тиску відкриває доступ рідини в резервуар гідроакумулятора.

З (рис. 3.2) видно як з часом удосконалювалася конструкція модулятора, зменшувалася його маса і зростав об’єм пам’яті, що зменшувало загальну масу АВS та збільшувало кількість його функцій.

За останні декілька десятиріч у світі запатентовані сотні конструкцій ABS. Найпоширеніші по міжнародній класифікації ділять на три основні групи(рис.3.3):

- чотириканальні з чотирма датчиками;

- триканальні з трьома датчиками;

- двоканальні з двома і трьома датчиками.

Рисунок 3.2 – Зміна розмірів та об’єму пам’яті

модулятора з роками

а) б) в)

г) д) е)

а) чотириканальна з чотирма датчиками спереду і ззаду; б) чотириканальна з чотирма датчиками по діагоналі; в) триканальна з трьома датчиками спереду і ззаду; г) двоканальна з трьома датчиками спереду і ззаду; д) двоканальна з двома датчиками спереду і ззаду; е) двоканальна з двома датчиками по діагоналі; ▲- датчики обертання колеса; - керовані контури.

Рисунок 3.3 – Схеми АВS сучасних автомобілів

Відрізняються вони як кількістю датчиків, так і кількістю контурів, в яких електронний блок ABS регулює тиск. Найдорожчі і найефективніші - чотирьохканальні з датчиками на кожному колесі. Спрощені схеми, що зустрічаються на старих автомобілях, - двохканальні з двома або трьома датчиками.

Чотириканальні ABS. Допускає окремий контроль тиску в двоконтурних системах із з'єднанням по мостах (рис. 3.3 а) і з діагональним з'єднанням (рис. 3.3 б). Коли здійснюється гальмування на дорожньому покритті з різними коефіцієнтами зчеплення зліва і справа, то необхідно вжити заходи для запобігання виникненню моменту щодо вертикальної осі, який створює негативну дію на курсову стійкість автомобіля. Рішенням в даному випадку може стати окреме керування коліс переднього моста, а також керування коліс заднього моста відповідно до принципу “низькоступеневого” регулювання (заднє колесо з якнайменшим значенням коефіцієнта зчеплення визначає тиск, який подається до обох задніх гальмівних механізмів).

Триканальні ABS. Момент розвороту під час гальмування триканальної системи АВS (рис. 3.3 в, г) на дорожніх покриттях зменшений так, що легкові автомобілі з довгою базою і великим моментом інерції щодо вертикальної осі достатньо надійно можуть керуватися під час гальмування.

Двоканальні ABS. Ці системи (рис. 3.3 д, е), з одного боку, мають менше число компонентів, ніж три- і чотириканальні, що робить їх менш дорогими. З другого боку, вони мають певні функціональні обмеження.

Принцип роботи АBS легкового автомобіля. Розглянемо роботу антиблокувальної системи на прикладі триканальної ABS Bosch серії 2S (рис. 3.4), у конструкцію якої входить гідропомпа. Модулятор, розташований поряд з головним гальмівним циліндром, є окремим блоком і оснащений чотирма електроклапанами, а сама система діє в режимі так званого трифазного циклу за принципом зворотного нагнітання. Клапани задніх коліс працюють паралельно, оскільки відносяться до різних контурів.

Про роботу АBS свідчить поява вібрацій педалі гальма, що є ознакою роботи клапанів модулятора. Частота вібрацій залежить від коефіцієнта зчеплення коліс з дорогою, швидкості руху, зусилля, що прикладається до педалі, а також алгоритму роботи і налаштувань АBS різних поколінь. Варто помітити, що при гальмуванні з АBS на льоду, снігу, гальмівний шлях часто виявляється більше, ніж без цієї системи, тобто при блокуванні коліс. АBS у подібних випадках через легкість

Рисунок 3.4 – Схема триканальної ABS Bosch серії 2S

блокування коліс працює неякісно - знижує тиск в контурах до мінімуму, через що ефективно уповільнити автомобіль не вдається. В той же час на слизьких покриттях протектор заблокованого колеса не гріється і не плавиться, тому коефіцієнт тертя повністю працює на уповільнення автомобіля. Для використання даного ефекту за деяких умов руху АBS можна вимкнути. Правда, при цьому слід врахувати підвищення схильності автомобіля до заносів (при гальмуванні).

При нормальному гальмуванні (перша фаза) без блокування коліс електроклапани сполучають колісні гальмівні циліндри з головним, і гальмівна система працює в звичному режимі, як без ABS.

У разі блокування одного з коліс (друга фаза) електронний блок керування посилає електричний сигнал на відповідний електроклапан, який перекриває робочий контур, забезпечуючи підтримку постійного тиску в ньому. Якщо і в цьому режимі колесо блокується, електронний блок керування знижує тиск і гальмівне зусилля, відкривши клапан для зливу гальмівної рідини в ємність, звідки вона перекачується помпою в резервуар головного гальмівного циліндра.

Потім слідує фаза витримки - електроклапан роз'єднує всі магістралі системи перед фазою підвищення тиску. Після цього він переводиться в первинне положення, закриває зливний отвір, тиск гальмівної рідини і гальмівне зусилля знову збільшуються.

У сучасних моделях ABS головний гальмівний циліндр вже з'єднаний з підсилювачем і модулятором в один блок, що значно спрощує установку системи при складанні автомобілів.

Керування роботою гальма із затримкою для запобігання заносу. При гальмуванні на неоднорідному дорожньому покритті (наприклад, ліві колеса знаходяться на сухому асфальтобетоні, праві колеса на обмерзлому покритті) на передніх колесах виникають різні гальмівні сили. Ця різниця створює момент М_роз навкруги вертикальної осі, під дією якого автомобіль іде на розворот.

М_роз- момент розвороту; F₁ і F₂- гальмівні сили; μ₁ і μ₂- коефіцієнти зчеплення коліс з дорожнім покриттям; 1 і 2- відповідно колесо з великим коефіцієнтом зчеплення та колесо з малим коефіцієнтом зчеплення.

Рисунок 3.6 – Схема роботи гальмівної системи з АВS при гальмуванні на неоднорідному покритті

На легкових автомобілях малого класу система ABS повинна доповнюватися пристроєм затримки утворення моменту розвороту (GMA) з метою підтримки керованості під час екстреного гальмування на неоднорідному дорожньому покритті.

Пристрій GMA затримує зростання тиску в колісному циліндрі переднього колеса з більш високим коефіцієнтом зчеплення з дорожнім покриттям.

Концепція GMA може бути роз'яснена за допомогою діаграми(рис. 3.7): крива-1-це тиск в головному гальмівному циліндрі, Р1. Без GМA в гальмівному циліндрі колеса, що знаходиться на сухому покритті, встановлюється величина тиску P2 (крива 2), тоді як в гальмівному циліндрі колеса, рухомого на льодяному покритті - Р5 (крива 5); кожне колесо досягає максимально можливого уповільнення за даних обставин (окреме керування).

Система GMA 1 (крива 3) підходить для автомобілів, менш схильних до курсової нестійкості, а GMA 2 (крива 4) - для автомобілів, більш схильних до курсової нестійкості.

1- тиск в головному гальмівному циліндрі; 2- тиск в робочому гальмівному циліндрі без GMA; 3- тиск з GMA 1; 4- тиск з GMA 2; 5- тиск в робочому циліндрі колеса з низьким коефіцієнтом зчеплення; 6- кут α без GMA; 7- кут α з GMA.

Рисунок 3.7 – Криві зміни тиску і кута розвороту при виникненні моменту розвороту(пристрій GMA)

Електрогідравлічна гальмівна система (ЕНВ). Гальмівні системи, які на відміну від ABS, системи контролю сили тяги (TCS) і управління автомобілем (ESP), можуть створювати тиск в колісних циліндрах незалежно від дій водія називають електрогідравлічними гальмівними системами.

У стандартних гальмівних системах легкових автомобілів сила, що прикладається водієм до педалі гальм, під дією її важеля механічно передається на вакуумний підсилювач і від нього, вже підсиленою до головного гальмівного циліндра. Тиск, що генерується таким чином, використовується для досягнення необхідного ефекту гальмування при окремому гальмівному зусиллі на кожному колесі. За наявності гальм з ЕНВ, дана механічно-гідравлічна послідовність дій порушується. За нормальних умов експлуатації між педаллю гальма і колісним гальмівним механізмом відсутня механічна ланка.

Система ЕНВ складається з наступних компонентів (рис. 3.8): акумулятор високого тиску-1; гальмівні механізми передніх і задніх коліс-2,3; привід гальм-4; модулятор тиску на колеса-5; стопорні клапани-6; імітатор ходу педалі-7.

Рисунок 3.9 – Схема електрогідравлічної гальмівної системи

Для забезпечення безпеки в системі використовуються два окремі датчики (один - на виконавчому механізмі для визначення ходу педалі і інший - датчик тиску на гідравлічному модуляторі) для визначення "запиту на гальмування" і передачі його в блок ЕСU, який сполучений з приводом гальм і системами ABS, TCS і ESP. Датчики цих систем забезпечують ЕСU даними про динаміку автомобіля - швидкості руху, здійснення поворотів і руху коліс. Використовуючи цю інформацію, ЕСU розраховує сигнали, посилаючи їх до гідравлічного модулятора, що перетворяться колісними модуляторами в тиск гальм для окремих коліс. Електрична помпа, що приводиться в рух, забезпечує, разом з акумулятором високого тиску і системою контролю тиску, надходження гідравлічного тиску.

У разі відмови в системі вона, для забезпечення безпеки, перемикається на робочий режим, при якому гальмування автомобіля відбувається без посилення потужності.

Особливості АВS вантажних автомобілів. Системи ABS вантажних автомобілів виконують ту ж функцію – запобігання блокуванню коліс при гальмуванні автомобіля.

На відміну від легкових, вантажні автомобілі мають пневматичні гальмівні системи, але функціональний опис ланцюгів керування ABS для легкових автомобілів аналогічний і для вантажних автомобілів.

Система ABS, що використовується у вантажних автомобілях, складається з датчиків частоти обертання коліс, електронного блоку управління (ЕСU) і модуляторів тиску.

Система індивідуального керування (IR). Система IR – це система при якій встановлюється і контролюється оптимальний тиск індивідуально для кожного колеса, що дозволяє одержувати найефективніше гальмування. При гальмуванні на слизькій поверхні може утворитися високий момент розвороту щодо вертикальної осі автомобіля, створюючи труднощі при керуванні короткобазовими автомобілями. Це пов'язано з виникненням великого моменту в рульовому керуванні через велику величину плеча обкатки на вантажних автомобілях.

Система низькопорогового регулювання (SL). Система SL зменшує відхилення від траєкторії руху і моменти в рульовому керуванні до нуля. Для цієї мети використовується один клапан управління тиском в обох колесах даної осі. У разі чистого керування SL рівень тиску визначається по колесу, яке здійснює рух на покритті з якнайменшим коефіцієнтом зчеплення.

Система модифікованого індивідуального керування (IRM). В системі IRM клапан модуляції тиску встановлюється на кожному колесі осі. Зменшуються моменти відведення настільки, наскільки це необхідно, і обмежується різниця гальмівного тиску між лівою і правою сторонами до допустимого рівня. Це веде до руху колеса з більш високим коефіцієнтом зчеплення, яке загальмовується менш сильно. Таке компромісне рішення приводить до трохи більшого гальмівного шляху, ніж під час індивідуального керування, проте забезпечується більш безпечне керування автомобілем.

Всі системи ABS повинні оснащуватися контрольними лампами для водія, які спалахують після включення запалення і гаснуть через 2 с. Якщо лампи спалахують під час керування автомобілем, то це показує, що знайдена несправність. Це може означати повне відключення ABS.

Тягачі і причепи з ABS різних виробників можуть спільно експлуатуватися, якщо їх сполучні електричні роз'єми виконані відповідно до DIN 7638.

Навіть часткове використовування системи ABS (або на тягачі, або на причепі) значно покращує гальмування в порівнянні з повною відсутністю ABS.

Двовісні системи ABS, головним чином, призначені для устаткування двовісних автобусів, вантажних автомобілів і причепів. Тривісні транспортні засоби також можуть оснащуватися двовісними ABS, якщо дві осі знаходяться в безпосередній близькості і можуть управлятися фактично одним і тим же тиском, як це робиться в одноосних ABS.

Тривісні системи в основному призначені для установки на довгобазові транспортні засоби (наприклад, на шарнірно з’єднані автобуси). Для осей з керованими колесами використовуються або метод керування IRM, або, якщо ця вісь забезпечена тільки одним клапаном модуляції тиску, метод управління SL, Індивідуальне керування завжди використовується для задніх мостів вантажних автомобілів.

Блок ЕСU дозволяє керувати різними модифікаціями систем, що тут детально не описані. Наприклад, обидві осі напівпричепа мають датчики частоти обертання коліс, проте кожна сторона оснащена тільки одним клапаном модуляції тиску, і колеса однієї сторони знаходяться під керуванням типа SL. В цьому випадку одна вісь може бути несучою віссю, що автоматично виключається з процесу керування при її підйомі.

Всі системи ABS можуть оснащуватися одноканальними модуляторами тиску.

Для вантажних автомобілів невеликої вантажопідйомності з пневмогідравлічним приводом гальм ABS підключається в пневматичну магістраль за допомогою одноканальних модуляторів тиску і визначає тиск у гідравлічній магістралі. В інших варіантах модулятор тиску з соленоїдними клапанами під'єднується паралельно. Модулятори тиску керуються тим же самим блоком ЕСU, що і одноканальні клапани модуляції тиску.

Коли автомобіль експлуатується на дорогах з низьким коефіцієнтом зчеплення, то робота допоміжної гальмівної системи під час гальмування може привести до надмірного проковзування ведучих коліс. Це може погіршити курсову стійкість автомобіля. Отже, ABS керує проковзуванням і регулює його до певного допустимого рівня при увімкненні і вимкненні додаткових засобів гальмування.