С помощью обычной тормозной системы автомобиля реализовать равномерное замедление скорости вращения всех четырех колес одновременно практически невозможно. Даже если допустить, что все колесные цилиндры сообщают тормозным барабанам (или дискам) одинаковые тормозные усилия, то и в таком случае сцепление колесных шин с автодорогой не может быть одинаковым. Всем известно к чему это может привезти при движении автомобиля по скользкой дороге. Здесь и спасает автомобилиста ABS.
Так появилась идея — зарегистрировать неравномерность вращения колес и по полученной информации автоматически откорректировать тормозные усилия в каждом колесном тормозном цилиндре в отдельности. Таким способом можно уровнять скорости вращения всех четырех колес и повысить безопасность движения автомобиля при интенсивном торможении. На серийных легковых автомобилях автоматическое управление гидравлическими тормозами стало применяться в конце 70-х годов, и первой была система антиблокировки колес (ABS). По мере накопления опыта эксплуатации системы ABS стало ясно, что с помощью автоматического управления тормозами можно реализовать целый ряд совершенно новых способов управления движением автомобиля. Описанию систем автоматического управления гидравлическими тормозами посвящена данная глава.
Предварительные замечания.
Езда на автомобиле по мокрому или по обледенелому асфальту часто приводит к авариям. Причина тому — потеря управляемости автомобилем из-за юза и заноса при торможении или пробуксовки ведущих колес при резком газе.
Справиться с автомобилем, потерявшим управление, умеет не каждый водитель. Неприятная ситуация возникает и в тех случаях, когда автомобиль попадает в глубокий снег, в пески или в непролазную грязь на дороге, — одно ведущее колесо проворачивается и все глубже зарывается, а другое — неподвижно. Стронуть автомобиль с места без посторонней помощи очень сложно.
С целью предотвращения подобных случаев на современных легковых автомобилях устанавливаются системы управления тормозами, которые в нештатных ситуациях адаптируются под условия движения и отрабатывают свои функции автоматически. Таких систем четыре: система антиблокировки тормозов (ABS), система блокировки дифференциала ведущего моста (EDS), система перераспределения тормозных усилий между передним и задним мостами автомобиля (EBV) и система антипробуксовки ведущих колес (ASR или DSA).
Тормозная система автомобиля.
Тормозная система автомобиля (ТСА) — это устройство, с помощью которого водитель может полностью остановить движущийся автомобиль, или понизить скорость его движения, или обеспечить стояночную блокировку колес с целью удержания от самопроизвольного скатывания с места.
ТСА принято подразделять на две части: на стояночный тормоз с ручным приводом и на рабочие тормоза с управлением от усилия ноги водителя.
- Стояночный тормоз — это механическое устройство, с помощью которого водитель блокирует задние колеса на время стоянки автомобиля. Оно состоит из: ручного рычага, троса ручного тормоза, колесной тормозной колодки, тормозного барабана заднего колеса, возвратной пружины, шарнира тормозной колодки и защелки рычага.
- Рабочий тормоз — это та часть тормозной системы, которая работает на притормаживание или на полную остановку автомобиля во время его движения.
Современные рабочие тормоза легкового автомобиля — это достаточно сложное механико-гидравлическое устройство, оснащенное системами ABS, EBV, основная функция которого заключается в передаче усилия от тормозной педали водителя к колесным тормозным колодкам. Торможению подлежат все колеса автомобиля. Все каналы и устройства тормозной системы заполнены тормозной жидкостью.
По конструкции исполнения гидравлические тормозные системы подразделяют на барабанные и дисковые.
Дисковые тормоза от барабанных отличаются тем, что площадью соприкосновения с тормозными колодками в них являются не внутренние поверхности тормозных барабанов, а наружные поверхности тормозных дисков.
Дисковые тормоза эффективнее барабанных, меньше боятся загрязнений и дорожной влаги, а также проще в обслуживании и ремонте. В настоящее время на легковых автомобилях дисковые тормоза устанавливаются как на передние, так и на задние колеса.
Тормозные силы и блокировка колес в ГТС.
В любой тормозной системе эффект рабочего торможения автомобиля достигается за счет использования двух видов тормозных сил. Ими являются: RT— тормозное сопротивление трению, возникающее между тормозными колодками и тормозной поверхностью колесных тормозных дисков; HK — дорожное сопротивление трению, возникающее между шинами колес автомобиля и поверхностью дороги.
Если RT меньше HK, то процесс торможения протекает устойчиво вплоть до полной остановки автомобиля. При этом движение автомобиля в режиме интенсивного замедления протекает плавно, без юза, без заноса, без блокировки колес.
Однако при резком нажатии водителем на тормозную педаль соотношение сопротивлений трению может поменяться на обратное, т.е. RT станет больше HK, и произойдет так называемая блокировка колес.
Блокировка колеса автомобиля во время торможения — это явление полной остановки вращения колеса при продолжающемся движении кузова автомобиля. Ясно, что блокировка приводит к юзу колеса, т.е. к его движению по автодороге без вращения.
Юз любого колеса автомобиля, любой пары колес или всех колес сразу приводит к потере устойчивости движения автомобиля по автодороге:
- если заблокированы передние колеса, то станет невозможным управление автомобилем с помощью рулевого управления, так как оно при блокировке передних колес не действует;
- при полной блокировке всех четырех колес движение автомобиля по автодороге будет неуправляемым и совершенно непредсказуемым, что неизбежно приведет к аварийной ситуации. Особенно опасна блокировка колес при движении автомобиля на большой скорости и на поворотах.
Водитель с обычным умением вождения в подобной ситуации, как правило, сразу пытается поставить руль в сторону выравнивания движения, что приводит к полной потере контроля над движением.
Движение автомобиля юзом наиболее часто возникает на скользких дорогах зимой, а также летом во время или после дождя.
Блокировка колес при торможении является главным и потенциально опасным недостатком классической тормозной системы автомобиля. От этого недостатка свободна тормозная система с автоматической антиблокировкой колес ABS.
Гидравлическая тормозная система может быть реализована таким образом, что каждое колесо будет иметь свой, отдельный от всех остальных колес, гидравлический контур автоматического управления. В этом случае поток тормозной жидкости от главного тормозного цилиндра (ГТЦ) надо разделить на четыре потока и обеспечить торможение каждого колеса в отдельности.
Для реализации 4-х контурной ГТС с автоматическим управлением в каждом канале устанавливают электроуправляемый гидравлический клапан, который обеспечивает регулирование давления тормозной жидкости в колесном тормозном цилиндре (КГЦ). Электроуправляемые гидроклапаны конструктивно объединяют в центральный исполнительный механизм (ЦИМ), который управляется электрическими сигналами от ЭБУ ABS.
Алгоритм автоматического управления электроклапанами задается путем сравнения скорости вращения колес с приведенной скоростью движения кузова автомобиля, что реализуется в цифровом электронном блоке управления (ЭБУ), который получает сигналы о скорости вращения колес от колесных датчиков в виде числа электрических импульсов, приходящегося на один оборот колеса. Скорости вращения всех четырех колес сравниваются в ЭБУ, где вырабатываются электрические сигналы рассогласования, которые и подаются на электроуправляемые гидроклапаны, расположенные в ЦИМ. Таким образом обеспечивается автоматическая корректировка эффективности торможения каждого колеса в отдельности. Такое управление гидравлическими тормозами не допускает блокировки колес в любых режимах движения автомобиля.
В сказанном заключается основная концепция любой современной тормозной системы с автоматической антиблокировкой колес, которая чаще называется антиблокировочной системой тормозов (ABS).
Теоретические предпосылки полезного функционирования системы ABS заключаются в следующем.
При движении автомобиля с постоянной скоростью разницы в скоростях вращения колес не возникает. При этом не возникает также разницы между приведенной скоростью Va движения автомобиля и согласованной с ней усредненной скоростью Vk, вращения колес, т.е. Va = VK. При этом под усредненной скоростью вращения колес понимается величина
VK = (VKl + VK2 + VK3 + VK4)/4, где VKl + VK4 — скорости вращения каждого колеса в отдельности.
Но как только начинается процесс интенсивного торможения, приведенная скорость кузова автомобиля Va начинает превышать усредненную скорость VK вращения колес, так как кузов «обгоняет» колеса под действием силы инерции массы автомобиля, т.е. Va > VK.
В такой ситуации между колесами и дорогой возникает явление равномерного умеренного скольжения. Это скольжение является рабочим параметром тормозной системы и определяется как S = [(Va-VK)/Va]100%.
Физически рабочее скольжение в отличие от аварийного юза реализуется за счет пригибания протектора колесных шин, сдвига мелких фракций на поверхности дороги, и за счет амортизации автомобильной подвески. Эти факторы удерживают автомобиль от юза и отображают полезную суть рабочего скольжения колеса при его торможении. Ясно, что при этом замедление вращения колеса происходит постепенно и управляемо, а не мгновенно, как при блокировке.
Величина S названа коэффициентом скольжения и измеряется в процентах. Если S = 0%, то колеса вращаются свободно, без воздействия на них дорожного сопротивления трению HK. Коэффициент скольжения S = 100% соответствует юзу колеса, когда оно переходит в заблокированное состояние.
При появлении эффекте рабочего скольжения, при котором все еще имеет место нормальное качение колес, между ними и дорогой возникает равномерно возрастающее сопротивление трению RA, которое является функцией от рабочего скольжения S и создает силу торможения автомобиля FT = KRA(S). К — конструктивный коэффициент пропорциональности, зависящий от состояния протектора шин, тормозных колодок, тормозных дисков и тормозных суппортов.
Важно заметить, что при малых S (от 0% до 7%) силе торможения линейно зависит от скольжения, что обеспечивает наиболее эффективное торможение. Это имеет место при плавном и медленном нажатии на педаль тормоза.
При более интенсивном торможении скольжение S растет, а сила FT торможения начинает уменьшаться или, в лучшем случае, остается постоянной.
Из сказанного ясно, что основной задачей ABS является автоматическое (без участия водителя) поддержание коэффициента скольжения S в пределах от 10% до 30%, когда сила торможения автомобиля максимальна. На графике этот рабочий для ABS участок заштрихован.
При некоторых состояниях дорожного покрытия, например, на твердом и сухом бетоне, система ABS может привести к некоторому увеличению тормозного пути автомобиля по сравнению с этим показателем для случая интенсивного торможения с выключенной ABS. Однако в последнем случае устойчивость движения автомобиля не гарантирована, а износ колесной резины и тормозных колодок резко взрастает. В большинстве же случаев тормозная система с ABS значительно эффективнее классической тормозной системы.
Разновидности систем ABS
В настоящее время на легковых автомобилях применяется достаточно большое количество самых разнообразных вариантов исполнения систем антиблокировки тормозов (ABS). Общим для всех ABS является то, что они дополняют рабочие функции гидравлической тормозной системы (ГТС) автомобиля принципиально новым качеством — способностью интенсивного торможения без блокировки колес. Для достижения этой цели любая система ABS помимо основных компонента ГТС включает в свой состав датчики частоты вращения колес.
Электронный блок управления гидротормозами (ЭБУ-Т) автомобиля и центральный гидравлический исполнительный механизм (ЦИМ), который раздельно управляет колесными тормозными цилиндрами (КГЦ), а сам управляется от электрических сигналов ЭБУ-Т.
Разновидности систем ABS можно классифицировать на четыре типа по четырем отличительным признакам:
а — конструктивным особенностям системы;
б — функциональным возможностям системы;
в — компонентному составу;
г — эксплуатационным свойствам (преимуществам и недостаткам).
1. Если система ABS выполнена с применением шариковых клапана (ШК), которые управляются поршневыми толкателями, а последние в свою очередь приводятся в действие червячными передачами (ШЧМ) от электродвигателя — ЭД, то такая система работает без гидронасоса с использованием давления от главного тормозного цилиндра (ГТЦ) и классифицируется как вентильная ABS (ABS-V) или как ABS первого типа (ABS-T1).
Если система ABS реализована с применением шариковых клапанов, которые управляются от гидроусилителя руля (ГУР) посредством поршневых толкателей, а переключение режимов торможения — с помощью двухпозиционного электрогидроклапана (ДПЭК), то система может быть отнесена в отдельный (второй) тип. В состав ЦИМ такой системы дополнительно входят три гидравлических клапана: предохранительный (ПХК), перепускной (ППК) и переключающий (ПКК).
2. Если в системе ABS давление в колесных тормозных цилиндрах управляется посредством двух- или трехпозиционных гидроклапанов (ТПЭК), которые в свою очередь управляются электрическими сигналами от ЭБУ-Т. и в системе имеется электрогидронасос низкого давления (ГННД), то такая система называется электроклапанной (ABS-K) и относится к третьему типу (ABS-T3). Система дополняется регулятором-распределителем давления (РРД) и редукционным клапаном (РК).
3. Если система ABS содержит в своем составе гидроаккумулятор высокого давления — ГАВД (120…180 бар) с подпорным герметичным пневморессивером — ПРВД (азот, гелий), то эта система содержит гидронасос высокого давления (ГНВД) с автоматическим гидровыключателем насоса (ГВК) и классифицируется как ABS с гидроаккумулятором (ABS-Г), или как ABS четвертого типа (ABS-T4). Давление в КТЦ управляется посредством четырех клапаннопоршневых регуляторов (КПР), которые в свою очередь управляются трехпозиционными электрогидроклапанами, каждый из которых составлен из двух двухпозиционных клапанов. Системы ABS-T4 более эффективны в работе, обладают высоким быстродействием и могут применяться совместно с электронными системами EDS, EBV и ASR.
4. Если регулировке с помощью ABS подвергаются два передних колеса в отдельности, а два задних колеса вместе по одному общему гидроканалу регулирования (Select low), то система называется трехканальной. Наиболее простой вариант такой системы реализован с использованием давления от главного тормозного цилиндра.
5. Если регулировке с помощью ABS подвергаются только два задних колеса, но по одному (общему) гидроканалу, то система называется одноканальной. Такая система выполняет функцию регулятора тормозов заднего моста и устанавливалась на японском автомобиле «TOYOTA» еще в 1971 г. Это первое применение системы ABS на серийном автомобиле. В классификацию включена более поздняя одноканальная система ABS (для японского автомобиля «TRUCK», 1989 год выпуска), в которой в качестве рабочего давления используется давление гидроусилителя руля — ГУР.
6. Если с помощью ABS регулировке подвергается каждое из четырех колес в отдельности, то система называется четырехканальной. Применяется на большинстве современных автомобилей высокого потребительского класса.
7. Если ABS используется на полноприводном автомобиле, то в системе устанавливается специальный инерционный датчик, а система на называется ABS с датчиком (ДЗ) замедления (может быть одно-, трех- или четырехканальный, в отдельный тип не выделяется.)
8. Если давление в управляемом с помощью ABS колесном цилиндре может удерживаться для трех случаев торможения (торможение с повышением давления, торможение с удержанием давления, торможение с понижением давления), то система ABS трехпозиционная. Специфический компонент 3-х позиционной ABS — трехпозиционный гидроклапан с электромагнитным управлением от ЭБУ-Т.
9. Если давление в колесном цилиндре может удерживаться только для двух случаев торможения (с увеличением и понижением давления), то система ABS — двухпозиционная. Реализуется такая система с применением двухпозиционных гидроклапанов. Однако с помощью пары двухпозиционных клапанов можно создать один трехпозиционный электрогидроклапан (используется в системах ABS-T4).
Работа системы ABS
Для уяснения принципа действия системы автоматической антиблокировки тормозов (ABS) рассмотрим работу трехканальной трехпозиционной электроклапанной ABS с гидронасосом низкого давления (ABS-T3).
Составными компонентами такой системы ABS являются:
1. Датчики вращения колес (КД);
2. Колесные тормозные цилиндры (КТЦ);
3. (центральный исполнительный механизм — ЦИМ);
4. Главный тормозной цилиндр (ГТЦ);
5. Электронный блок управления (ЭБУ-ABS);
6. Контрольная лампа ABS;
7. Датчик (ДЗ) замедления инерционного типа (для автомобилей 4 WD).
Перечисленные компоненты устанавливаются на автомобилях по-разному. В качестве примера показано расположение составных частей системы ABS на японском автомобиле «SELEKA».
Главным функциональным узлом системы ABS является центральный исполнительный механизм (ЦИМ). Он состоит из:
- электрогидронасоса (Н);
- трех редукционных гидроклапанов обратного действия K1, К2, К3;
- трехпозиционного электромагнитного гидроклапана (ГК), который включает в себя два запорных клапана К, и К5.
Функциональная модель системы ABS для одного переднего колеса:
Схема в зависимости от режима торможения может находиться в пяти состояниях:
1. Режим «торможение без ABS». В этом случае: VKl = VK2 = VK3 = VK4 = Va, где Va = (VKl + VK2 + VK3 + VM)/4;
2. Режим «снижения давления» в КТЦ (ослабление силы торможения колес).
Этот режим возникает, когда от колесного датчика КД данного колеса в ЭБУ поступает сигнал о замедлении вращения (состояние, близкое к блокировке колеса). При этом: Va = (VKl + V2 + VK3 + VK4)/4 > VKl, так как Vа < (VK2 + VK3 + VK4)/3;
3. Режим «удержания давления» в КТЦ. Этот режим возникает, когда система ABS автоматически выходит из режима «снижение давления». Это происходит по сигналу от колесного датчика, когда VKl снова становится равной Va.
4. Режим «увеличения давления» в КТЦ.
Этот режим возникает, когда от колесного датчика КД приходит сигнал повышенной скорости вращения данного колеса, т.е. сигнал, при котором VK1 > Va (колеса со скоростью вращения VK2, VK3, Мни — тормозятся, а со скоростью VKl — вращается свободно).
5. Во всех четырех состояниях функциональная схема при обратном ходе тормозной педали работает на возврат тормозной жидкости обратно в ГГЦ через обратный клапан К3.
Когда тормозная педаль поднимается вверх до отказа, концевой выключатель ПД выключает ЭБУ и система ABS перестает функционировать.
Таким образом, выключатель ПД является датчиком включения и выключения системы ABS.
На некоторых моделях автомобилей дополнительно к ПД на шоферском пульте управления устанавливают второй выключатель системы ABS, которая в таком случае может быть выключена водителем.
Описанные пять состояний системы (торможение без ABS, снижение давления в КТЦ, удержание давления в КТЦ, увеличение давления в КТЦ, возврат тормозной педали) реализуются с помощью трехпозиционного гидроклапана (ГК) с электромагнитным управлением.
В системе ABS предусмотрена и функция надежности. Эта функция отрабатывается при появлении любой неисправности. В таком случае сигналы управления от ЭБУ-Т на исполнительный механизм ABS не подаются, а тормозная система автомобиля начинает работать без ABS.
Следует отметить, что сигналы ЭБУ-Т низкопотенциальные (поступают от микросхем), а сигналы от РБУ к исполнительному механизму ABS силовые, так как проходят от АКБ через сухие контакты реле для ЭД и соленоидов ЭМК. Напряжение на соленоиды гидроклапанов в режиме снижения давления подается непосредственно от АКБ (UK = 12 В). Так формируется прямой ток соленоида 5 А. При этом контакты SFR, SFL, SRR, SRL через мощные транзисторы в ЭБУ замыкаются на «массу».
В режиме «удержания давления» через соленоиды протекает обратный ток 2 А.
При этом в соленоидах направление магнитного потока изменяется на противоположное. Это способствует быстрому срабатыванию гидроклапанов при меньшем токе управления и фиксирует их в заданном для данного режима положении.
Если в тормозной системе автомобиля срабатывает датчик аварийного уровня тормозной жидкости, или введен в действие стояночный тормоз, то ЭБУ-Т выключается (от закорачивания на «массу» контакта РКВ).
ЭБУ-Т через исполнительный механизм ABS управляет скоростью вращения колес с соблюдением определенной закономерности.
Колесные датчики системы ABSКолесные датчики системы ABS
В любой системе автоматического управления гидравлическими тормозами автомобиля (ABS) используются преобразователи частоты вращения колес в электрический импульсный сигнал. Такие преобразователи называются колесными датчиками ABS. По виду преобразования колесные датчики бывают индуктивными или датчиками Холла. В индуктивном колесном датчике за датчиком частоты вращения является ферромагнитный зубчатый диск — ротор датчика (РД), который устанавливается непосредственно на приводном валу ведущего колеса, или на вращающейся ступица пассивного колеса. Сам индуктивный датчик устанавливается над зубчатым диском с воздушным зазором не более 2 мм.
По принципу действия и устройству индуктивный колесный датчик аналогичен датчику угловых импульсов (ДУИ) системы зажигания. Количество зубцов на роторе колесного датчика в разных системах ABS может быть различным (от 24 до 90). Оно определяет число генерируемых датчиком электрических импульсов, приходящихся на один оборот колеса. По числу импульсов в ЭБУ-Т легко определяется частота (или скорость) вращения колеса.
