ABS

Aiheet:

Historia
Doel
toiminta
Nopeusanturit
Hydroaggregaatti
Hydraulipiiri
ABS-ohjaussykli
Ohjausperiaatteet µ-jaon estämiseksi
Ajoneuvon mitat ABS:llä ja ilman

Historia:
ABS (lyhenne sanoista Anti-lock Braking System) Rengasvalmistaja Dunlop kokeili menestyksekkäästi ABS:ää Ferguson P1961 Formula 99 -kilpa-autossa jo vuonna 1. Se on noin neljätoista vuotta ennen kuin jotain vastaavaa otettiin käyttöön "tavallisissa" autoissa. Nykyään kaikki uudet autot on varustettu ABS:llä.

tarkoitus:
ABS:n tarkoituksena on hyödyntää mahdollisimman hyvä pito renkaan ja tienpinnan välillä ajon aikana. ABS-järjestelmä varmistaa myös, että ajovakaus säilyy. Tämä sisältää:

Ohjauksen vakaus: kun ABS on aktivoitu, auto pysyy ohjattavana. Liukuvalla pyörällä ajoneuvo liukuu yhteen suuntaan eikä ohjausliikkeet voi siirtyä tienpintaan.
Kurssin vakaus: jos pyörä lukkiutuu, ajoneuvo voi kulkea eri suunnassa. Esimerkiksi tukossa oleva takapyörä voi saada ajoneuvon pyörimään akselinsa ympäri, jolloin ajoneuvo päätyy taaksepäin tielle.

Operaatio:
Jarrujärjestelmä on vastuussa pyörien jarruttamisesta. Pyörän ei saa missään tapauksessa lukkiutua, koska silloin se menettää pidon tienpintaan. Pyörä liukuu sitten asfaltin yli, mikä tarkoittaa, että ohjausliikkeet eivät enää välity. Tällöin ajoneuvo on hallitsematon. ABS-järjestelmä estää pyörän tukkeutumisen.
Kun pyörä uhkaa lukkiutua, ABS-järjestelmä varmistaa, että kyseisen pyörän jarrupaine (jarrunesteen paine pyörän jarrusylintereissä) pienenee. Sillä hetkellä ei ole väliä kuinka voimakkaasti painat jarrupoljinta jalallasi. ABS-järjestelmä säätelee jarrupainetta niin, että pyörä ei luista. Jossain vaiheessa ABS-järjestelmä nostaa painetta vähitellen uudelleen, koska pyörää on tietysti jarrutettava mahdollisimman paljon. Tämä jatkuu, kunnes liukumaraja saavutetaan uudelleen; sitten paine laskee jälleen. Tämä prosessi kestää muutaman millisekunnin. Sitten jarrupolkimessa voi tuntua tärinää. ABS-pumpun ääni kuuluu usein.

Alla oleva kuva näyttää yleiskatsauksen ABS-järjestelmän osista.

Yllä olevassa kuvassa on kaksi punaista putkea. Ne kulkevat pääjarrusylinteristä hydrauliyksikköön. Hydroaggregaatti on toinen sana ABS-pumpulle. Kaksi punaista viivaa liittyvät erilliseen jarrujärjestelmään; vasen etu ja oikea taka ja oikea etu vasen taka. Jos esimerkiksi vasemmassa etupyörässä on vuoto, joka aiheuttaa kaiken jarrunesteen vuotamisen, voit silti jarruttaa toisella jarrupiirillä. Oranssit putket kulkevat hydrauliyksiköstä kaikkiin pyöriin. Hydrauliyksikössä jarrutusvoimaa voidaan säätää pyöräkohtaisesti.

Jokaiseen pyörään on asennettu nopeusanturi. Näin kaikkien neljän pyörän nopeutta voidaan valvoa jatkuvasti. Siniset viivat ovat nopeusanturiin kytkettyjä signaalijohtoja. Signaalijohto kulkee kustakin pyörästä ohjausyksikköön. Jarrupolkimen ja hydrauliyksikön signaalit menevät myös ohjausyksikköön. Esitetyssä autossa tämä sijaitsee istuimen alla, auton sisällä. Nykyään näet yhä useammin, että ohjausyksikkö on kiinnitetty hydrauliyksikköön. Se on sitten yksi kokonaisuus. Jos järjestelmässä on vika, esimerkiksi viallisesta tai likaisesta anturista, viallisesta kaapelista tai viasta hydraulisessa yksikössä, kojetaulussa syttyy vikavalo. Vika voidaan sitten lukea diagnostisilla laitteilla.

Nopeusanturit:
Alla olevassa kuvassa induktiivinen nopeusanturi on asennettuna. Tämä on kuva McPherson-joustavasta etujousituksesta. Hammasrengas, jossa anturi mittaa nopeutta, näkyy myös täällä.

ABS-anturi voidaan suunnitella induktiiviseksi anturiksi (katso kuva yllä), tai magnetoresistiiviseksi anturiksi (MRE-anturi) tai Hall-anturiksi (katso kuva oikealla). Tämän anturin toiminta näkyy sivulla Hall anturi kuvattu. Jälkimmäistä anturia käytetään ABS-magneettirenkaaseen, joka on pyöränlaakeri käsitellään.

Induktiivisten ja Hall-antureiden signaaleja voidaan käyttää oskilloskooppi mitataan. Esimerkkejä näistä mittauksista on esitetty ja kuvattu alla.

Induktiivinen nopeusanturi:
Induktiivinen nopeusanturi koostuu kestomagneetista, jonka ympärillä on kela. Magneettikentän voimakkuus muuttuu, kun hammasrenkaan (joka on kiinnitetty käyttöakseliin) hammas liikkuu kestomagneetin magneettikentän läpi. Magneettikentän muutos aiheuttaa jännitteen muodostumisen käämiin. Jokainen nopeussignaalin jakso vastaa hampaan kulkua anturin ohi. Renkaan hampaiden lukumäärä ja käyttöakselin pyörimisnopeus määräävät signaalin taajuuden ja amplitudin.

Hall-anturi:
Myös magnetoresistiivisen anturin (MRE-sensorin) tai Hall-anturin kanssa magneeteilla varustettu metallirengas liikkuu anturia pitkin. Magneettirengas sijaitsee vetoakseli tai siinä pyörän laakeri. Lohkojännitteen taajuus riippuu metallirenkaan pyörimisnopeudesta ja hampaiden lukumäärästä. Amplitudi (signaalin korkeus) pysyy samana.

MRE-anturit tarvitsevat virtalähteen toimiakseen. Silti näissä antureissa on usein vain kaksi johtoa (ja siten kaksi liitäntää). Anturi lähettää signaalin ABS-ohjausyksikköön negatiivisen kaapelin kautta. Signaali muodostuu, koska puolijohdelevyjen sähkövastus muuttuu, kun ne altistetaan muuttuvalle magneettikentällä.

Nopeusantureiden signaalit välitetään ABS-ohjausyksikköön. Neljän pyörän signaaleja verrataan toisiinsa. Kun ajoneuvo ajaa mutkan läpi, pyörien nopeus sisäkaaressa on pienempi kuin ulkokaaressa olevien pyörien nopeus. Tämä on mitattu, mutta se on tietysti reilusti marginaalien sisällä.
Jos nopeudet vaihtelevat liikaa jarrutuksen aikana, ABS-ohjausyksikkö varmistaa, että hydrauliyksikkö vähentää kyseisen pyörän jarrupainetta (liian kova jarrutus). Jos nopeusero on liian suuri kiihdytyksen aikana, moottorin hallintajärjestelmä vähentää moottorin tehoa äkillisesti.

Jos ABS-järjestelmässä ilmenee toimintahäiriöitä, signaalit voidaan mitata oskilloskoopilla. Näitä voidaan mitata ratista, mutta myös ohjauslaitteesta. Pyöristä mittaamalla voit tarkistaa, toimivatko ABS-anturit kunnolla. Kun mittauksia tehdään ohjausyksiköstä, voidaan sulkea pois, onko viallinen johdotus vian syy.
Mittauksen aikana voidaan tarkistaa, ovatko induktiivisen anturin taajuus ja amplitudi oikeat. Hall-anturin avulla voit tarkistaa, onko signaalin taajuus oikea pyörän pyöriessä. Pyöritä tätä varten pyörää täydet kierrokset, jotta hampaissa olevat viat voidaan tunnistaa nopeasti. Vaurioituneilla hampailla on havaittavissa poikkeama anturin signaalien puhtaudessa (ajattele taajuutta, joka on suunniteltua leveämpi jokaisella kierroksella).

Hydroaggregaatti:
Alla olevassa kuvassa vasemmalla näkyy vesigeneraattori, jossa on sisäänrakennettu ohjauslaite. Tämä näkyy muun muassa pistokeliitännässä olevien nastojen suuresta määrästä.
Myös pääjarrusylinterin ja pyörien putkien liitokset näkyvät tässä. Tässä pumppuyksikössä on erilliset jarrupiirit (vasen etu ja oikea taka ja oikea etu vasen takana).

Kun irrotamme hydrauliyksikön, venttiililohko näkyy. Oikean alakulman kuvassa näkyy vesigeneraattorin sisäpuoli.

Hydraulipiiri:
Alla oleva hydraulikaavio näyttää komponentit hydrauliyksikössä ja sen ympärillä. Ymmärtääksesi sivun toiminnan, osat ja symbolit hydrauliikan perusperiaatteet kuullaan.
Alla oleva kaavio on piirretty yhdelle pyörälle. Numerot 5, 6 ja 9 ovat sisäisiä. Toinen pyörä käyttää samoja komponentteja lukuun ottamatta 2/2-venttiilejä (6), vain eri liitoksilla. Toisin sanoen, jos koko auton kaavio piirrettäisiin, sen vieressä olisi kuusi 2/2-venttiiliä, jokaisessa omat putket. Jotta asiat olisivat selkeitä, näytetään nyt vain yhden jarrupiirin kaavio.

Tilanne 1: Ilman ja vakaata jarrutusta:
Oikealla oleva kaavio näyttää tilanteen ilman jarrutusta ja vakaata. Jarrupoljinta (2) painetaan, jolloin pääjarrusylinteri (4) kohdistaa nesteen paineen vasemmassa 2/2-venttiilissä (6). Tässä 2/2-venttiilissä on avoin liitäntä jarrusatulaan (7). Koska nesteen paine jarrusatulaan kasvaa, jarrupalat puristuvat jarrulevyä vasten. Jarrut kytkeytyvät sitten päälle. Nopeusanturi (8) rekisteröi pyörän kierrosten määrän.

Tilanne 2: ABS aktiivinen, ylläpidä jarrupainetta:
Tämä kaavio näyttää tilanteen, kun jarrutetaan voimakkaasti ja pyörän hidastuvuus on liian suuri. Jarrun ABS-anturi on lähettänyt ohjausyksikön liittimeen 5 nopeussignaalin, joka on pienempi kuin muiden pyörien. Ohjausyksikkö reagoi tähän ja sulkee järjestelmän jarrusatulasta.
Tämä tehdään seuraavasti: ohjauslaitteen napaan 3 syötetään tietty virta, joka aktivoi vasemman 2/2-venttiilin solenoidiventtiilin. Venttiiliä työnnetään vasemmalle jousivoimaa vastaan. Tämä estää uuden jarrunesteen pääsyn jarrusatulaan. Oikea 2/2-venttiili pysyy samassa asennossa, joten jarrunestettä ei voi mennä jarrulle tai takaisin. Tämä pitää paineen vakiona. Ohjausyksikkö tarkistaa uudelleen, onko kyseessä olevan pyörän ja muiden pyörien välinen nopeusero liian suuri. Jos keskinäinen nopeusero on minimaalinen tai nopeuseroa ei enää ole, koska jarrupaine on pidetty vakiona, ohjausyksikkö poistaa jälleen virran nastasta 3. 2/2-venttiili joustaa takaisin alkuperäiseen asentoonsa, joten tilanne 1 pätee jälleen. Jos nopeusero ei muutu tai jopa kasvaa, tulee kyseisen pyörän jarrutuspainetta pienentää. Tämä tapahtuu tilanteessa 3.

Tilanne 3: ABS aktiivinen, vähennä jarrupainetta:
Jarrun paineen vähentämiseksi jarrunestettä on pumpattava 2/2-venttiilin ja jarrusatulan väliseen linjaan. Tämä tehdään yllä olevassa kaaviossa.
Nyt myös nastalle 4 syötetään virtaa, jotta oikea 2/2-venttiili saa jännitteen. Tämä on nyt myös siirretty vasempaan asentoon vapauttaen kulkua jarrusatulan ja hydraulipumpun välillä. Tässä vaiheessa pumpun moottori pyörii ja pumppaa jarrunestettä jarrusatulasta pääsylinteriin. Neste pumpataan nyt takaisin säiliöön jarrupääsylinterin voimaa vastaan. Paine laskee ja pyörä alkaa taas pyöriä.

Yhteenvetona:
Tilanne 1 pätee ajettaessa ja jarruttaessa kevyesti. Jarrutuksen aikana, jossa pyörä uhkaa lukkiutua, tilanne 2 ja jossa painetta joudutaan alentamaan tukkivan pyörän takia, tilanne 3. Jarrutuksen aikana tilanne muuttuu jatkuvasti. Jos tilanne 3 pätee, jolloin jarrunestettä pumpataan pois jarrusta, pyörää on jarrutettava uudelleen. Muuten ajoneuvo ei pystyisi jarruttamaan tarpeeksi voimakkaasti. Kuljettaja siirtyy sitten takaisin tilanteeseen 1, sitten taas tilanteeseen 2 ja sitten taas tilanteeseen 3. Näin tapahtuu, kunnes kuljettaja lopettaa jarrutuksen tai kunnes hän ajaa eri pinnalla, joka on esimerkiksi jäykempi (suurempi kitkakerroin) .

ABS-ohjaussykli:
Alla oleva kaavio näyttää ABS:n ohjausjakson. Useita tekijöitä on lisätty, kuten ajoneuvon nopeus (A) pyörän nopeudella, pyörän ympärysmitan kiihtyvyys (B), järjestelmän aktiivisuus (C) ja jarrupaine (D).
Kaavio on myös jaettu 9 aikajaksoon. Muutos näkyy joka jaksolla, koska järjestelmää säädetään. Aikajakso on yhteensä noin 20 millisekuntia ja se on jaettu 9 epätasaiseen osaan. Kaavion alla on viivojen selitys.

A: Musta viiva on ajoneuvon nopeus, vihreä viiva on pyörän nopeus ja punainen viiva on vertailunopeus. Ajoneuvon nopeus laskee (jakso 1), mutta pyörän nopeus laskee paljon nopeammin. Punainen viiteviiva leikataan. Kun vihreä viiva päätyy punaisen viivan alapuolelle (jaksosta 2), pyörä voi luistaa. Siksi ABS puuttuu asiaan.

B: Viiva osoittaa pyörän kehän kiihtyvyyttä. Esimerkki: kääntämällä pyörää ja hidastamalla hitaasti viiva kohdassa B pysyy lähellä nollaviivaa. Kääntämällä nyt pyörää samalla nopeudella ja jarruttamalla voimakkaammin linja ulottuu edelleen alaspäin. Tämä tapahtuu myös nopeutettaessa; kääntämällä pyörää hyvin nopeasti nopeudesta 0 - 10 km/h, viiva nousee edelleen, jos pyörän kääntäminen 5 - 0 km/h vie 10 sekuntia. Lyhyesti sanottuna tämä on pyörän kehän kiihtyvyys.

C: Tämä viiva osoittaa, missä järjestelmän paine on vakiintunut; ABS on silloin toiminnassa. Jos C:n viiva on alhainen (nollaviivalla), ABS-järjestelmä ei ole toiminnassa. Jaksolla 7 ABS:ää ohjataan sykkivästi, jotta pyörän nopeus ei laske liian nopeasti.

D: Tämä viiva osoittaa jarrutuspaineen. Jarrupaine kasvaa, kunnes vihreä pyörän nopeusviiva (A) leikkaa punaisen vertailuviivan. ABS käynnistyy (C) ja varmistaa, että pyörän kehän kiihtyvyys ei laske liian pieneksi. Pyörän kehän kiihtyvyys on nollaviivalla jaksossa 4; täsmälleen sillä hetkellä, jolloin pyörän nopeus kohdassa (A) muuttuu negatiivisesta positiiviseksi. Paine pidetään tuolloin vakiona. Jaksolla 7 sykkivä ohjaus näkyy selvästi. Jarrupainetta lisätään nyt varovasti, jotta pyörä ei jarruta liian nopeasti.

Ohjausperiaatteet µ-jaon estämiseksi:
ABS voidaan säätää erikseen pyöräkohtaisesti näiden tietojen avulla. Pyörän nopeusanturit tallentavat jokaisen pyörän nopeuden. Tämä on välttämätöntä, koska kaikissa tilanteissa suurin saavutettava kitkakerroin on punnittava ajoneuvon ohjattavuutta vastaan. Kun ajoneuvo ajaa vasemmalla pyörällä kuivalla asfaltilla ja oikealla pehmeällä olkapäällä ja jarrut on kytketty täydellä jarrutusvoimalla, ajoneuvo karkaa hallinnasta ja kääntyy akselinsa ympäri. Pyörien välinen ero jarrutusvoimassa asfaltilla ja jäällä aiheuttaa suunnasta poikkeamisen aiheuttavan heilautusmomentin. Tätä tilannetta kutsutaan µ-jakotilanteeksi. µ lausutaan nimellä "mu". Tämän skenaarion estämiseksi sovelletaan useita valvontaperiaatteita:

Yksilöllinen ohjaus (IR): jarrupaine asetetaan kunkin pyörän suurimman kitkakertoimen mukaan. Tämä voi aiheuttaa suuria kääntömomentteja, mutta maksimijarrutusvoimat saavutetaan.
Select-low-säädin (SL): pienin kitkakerroin omaava pyörä määrittää toisen pyörän jarrutuspaineen. Suurin saavutettava jarrutusvoima ei ole käytössä, mutta kääntömomentti on pieni.
Select-high-säädin (SH): pyörä, jolla on suurin kitkakerroin, määrittää toisen pyörän jarrutuspaineen. Select-high -mallia käytetään vain ASR-menetelmissä.
Select-smart tai modifioiva ohjaus: jarrutuksen aikana säädin vaihtuu valinta-matalasta yksittäissäätimeen. Tämä mahdollistaa kompromissin kääntömomenttien ja enimmäisjarrutusvoimien välillä. Tätä järjestelmää sovelletaan usein hyötyajoneuvoihin.

Yleensä henkilöauton jarrujärjestelmä on erotettu vinosti (vasemmalla). Esimerkki tästä on alla olevassa kuvassa. Tässä näkyy punainen jarrujärjestelmä vasemmalla edessä ja oikealla takana ja sininen jarrujärjestelmä oikealla edessä ja vasemmalla takana.

Etupyörien jarruja ohjataan yksilöllisellä säätimellä (IR). Yhden etupyörän jarrutuspaine on asetettu toisen etupyörän maksimikitkakertoimeen. Hätäpysäytyksen aikana etupyörät etsivät yksitellen suurinta saavutettavaa jarrutusvoimaa.
Takapyörien jarruja ohjataan Select Low (SL) -periaatteen mukaisesti. Pienimmän kitkakertoimen omaavan takapyörän säädetty jarrutuspaine määrää toisen takapyörän jarrutuspaineen. Molempien takapyörien jarrutusmomentti pysyy samana.

Ajoneuvon mitat ABS:llä ja ilman:
Saadaksesi hyvän käsityksen ABS-järjestelmän vaikutuksesta ajoneuvoon, tässä osiossa on kaksi mittauskaaviota, jotka osoittavat eron jarruttavan ajoneuvon välillä ilman ABS:ää ja ABS:llä.

Ajoneuvon nopeus suhteessa pyörien nopeuteen ilman ABS:ää:
Oikealla oleva kaavio näyttää ajoneuvon nopeuden verrattuna pyörän nopeuteen.
Ajankohdasta t = 0 sekuntia ajoneuvon nopeus on 15 metriä sekunnissa. Tällä hetkellä jarrupoljin painetaan maksimissaan. Ajoneuvon nopeus laskee lineaarisesti välillä 0 m/s
t = 2,75 ja 3,00 sekuntia. Pyörän nopeus laskee kokonaan arvoon 0,5 m/s välillä t = 1,0 - 0 sekuntia. Tämä tarkoittaa, että pyörän nopeus on jo 0 m/s, joten se on paikallaan ajoneuvon vielä liikkuessa. Sillä hetkellä pyörä on tukossa. Pyörä luistaa tienpinnalla, kun ajoneuvo ei ole vielä paikallaan. Tässä tilanteessa ABS ei ole toiminnassa.

Ajoneuvon nopeus suhteessa pyörän nopeuteen ABS:llä:
Oikealla olevassa kaaviossa sininen viiva on sama; Ajoneuvon nopeudella 15 m/s maksimijarrutus on 0 m/s. Tämä toistuu 3 sekunnin kuluttua. Nyt kun ABS on toiminnassa, punainen viiva kohdassa t = 0,3 sekuntia ei putoa 0 m/s:iin, vaan pyörän nopeus kasvaa jälleen. Tämä näkyy punaisesta viivasta, joka ensin kulkee alaspäin ja nousee jälleen juuri ennen t = 0,5 sekuntia. ABS vähentää jarrupainetta nopeudella 7,5 m/s. Muiden pyörien nopeus on yhtä suuri kuin ajoneuvon nopeus ja siten sininen viiva. Vasemman etupyörän ABS-anturi rekisteröi hidastuvuuden. ABS-tietokone tunnistaa nopeuseron ja saa sen puuttumaan asiaan. Jarrupainetta vähennetään hydrauliyksiköllä, kunnes siniset ja punaiset viivat ovat jälleen samat. Sillä hetkellä jarrupaine pidetään taas vakiona. Kunnes ajoneuvo pysähtyy, ABS jatkaa luistopyörän nopeuden säätämistä.

Pääjarrusylinterin paine verrattuna pyörän jarrusylinteriin ilman ABS:ää:
Jarrupolkimeen kohdistuva voima muunnetaan jarrupaineeksi pääjarrusylinterissä nesteen syrjäyttämisen avulla. Tämä jarrutuspaine näkyy alla olevassa kaaviossa sinisellä viivalla.
Riippumatta siitä, luistaako pyörä vai ei, pyörän jarrusylinterin jarrupaine (punainen viiva) pysyy samana kuin pääjarrusylinterin paine. Tämä on siis tilanne ilman ABS:ää.

Pääjarrusylinterin paine verrattuna pyörän jarrusylinteriin ABS:llä:
Tilanteessa, jossa ABS käynnistyy, paineet pääjarrusylinterissä ja pyörän jarrusylinterissä eivät ole enää samat. Pääjarrusylinterin paine pysyy korkeana, koska kuljettaja pitää jarrupoljinta painettuna. Kuvaajassa punainen viiva pienenee kohdassa t = 0,3 sekuntia; tässä ABS vähentää jarrupainetta. Jarrupaineen aleneminen saa pyörän taas pyörimään. Ajasta t = 0,4 sekuntia jarrupainetta nostetaan jälleen asteittain, kunnes pyörän nopeus on sama kuin muiden pyörien. Tämä on tilanne, kun t = 2,35 sekuntia.