ABS

Viðfangsefni:

Saga
Markmið
Aðgerð
Hraðaskynjarar
Vatnsfylling
Vökvakerfi
ABS stjórnunarlota
Stjórnunarreglur til að koma í veg fyrir µ-skiptingu
Mælingar á ökutæki með og án ABS

Saga:
ABS (skammstöfun á Anti-lock Braking System) Strax árið 1961 gerði dekkjaframleiðandinn Dunlop tilraunir með ABS á Ferguson P99 Formúlu 1 kappakstursbílnum. Það eru um fjórtán árum áður en eitthvað svipað var kynnt á „venjulegum“ bílum. Nú á dögum eru allir nýir bílar búnir ABS.

Tilgangur:
Tilgangur ABS er að nýta hámarks viðloðun milli dekksins og yfirborðs vegarins meðan á akstri stendur. ABS tryggir einnig að akstursstöðugleiki haldist. Þetta felur í sér:

Stöðugleiki í stýri: þegar ABS er virkjað er ökutækið áfram stýranlegt. Með rennandi hjóli rennur ökutækið í eina átt og ekki er hægt að flytja stýrishreyfingar yfir á vegyfirborðið.
Stöðugleiki brautar: ef hjól læsist getur ökutækið tekið aðra stefnu. Til dæmis getur blokkandi afturhjól valdið því að ökutækið snýst um ás þess, sem veldur því að ökutækið endar afturábak á veginum.

Aðgerð:
Hemlakerfið sér um að hemla hjólin. Undir engum kringumstæðum ætti hjólið að læsast, því þá missir það gripið við yfirborðið. Hjólið rennur svo yfir malbikið sem gerir það að verkum að ekki er lengur hægt að senda stýrishreyfingar. Í því tilviki er ökutækið óviðráðanlegt. ABS kerfið kemur í veg fyrir að hjólið stíflist.
Þegar hjólið hótar að læsast tryggir ABS-kerfið að bremsuþrýstingur (þrýstingur bremsuvökva á bremsuhólkum hjólanna) á viðkomandi hjóli minnkar. Á því augnabliki skiptir ekki máli hversu hart þú ýtir á bremsupedalinn með fætinum. ABS kerfið stjórnar bremsuþrýstingnum þannig að hjólið sleppi ekki. Á ákveðnum tímapunkti mun ABS-kerfið smám saman byggja upp þrýstinginn aftur, því hjólið verður að sjálfsögðu að hemla eins mikið og hægt er. Þetta heldur áfram þar til hámarkinu er náð aftur; þá minnkar þrýstingurinn aftur. Þetta ferli tekur nokkrar millisekúndur. Það má þá finna titring í bremsupedalnum. ABS dælan heyrist oft.

Myndin hér að neðan sýnir yfirlit yfir íhluti ABS kerfisins.

Myndin hér að ofan sýnir tvær rauðar pípur. Þetta liggur frá aðalbremsuhólknum að vökvaeiningunni. Hydro aggregate er annað orð fyrir ABS dæluna. Rauðu línurnar tvær hafa með aðskilið hemlakerfi að gera; vinstri að framan með hægri aftan og hægri að framan með vinstri aftan. Til dæmis, ef það er leki á vinstra framhjólinu, sem veldur því að allur bremsuvökvi lekur, geturðu samt bremsað með hinni bremsurásinni. Appelsínugul rör liggja frá vökvaeiningunni til allra hjóla. Í vökvaeiningunni er hægt að stilla hemlunarkraftinn á hvert hjól.

Hraðaskynjari er festur á hverju hjóli. Þetta gerir kleift að fylgjast stöðugt með hraða allra fjögurra hjólanna. Bláu línurnar eru merkjavírar tengdir hraðaskynjaranum. Merkjavír liggur frá hverju hjóli að stjórneiningunni. Merkin frá bremsupedalnum og frá vökvaeiningunni fara einnig í stjórneininguna. Í bílnum sem sýndur er er þetta staðsett undir sætinu, inni í bílnum. Nú á dögum sérðu í auknum mæli að stjórnbúnaðurinn er festur við vökvaeininguna. Það er þá ein heild. Ef bilun er í kerfinu, td vegna bilaðs eða óhreins skynjara, bilaðs kapals eða galla í vökvabúnaði mun bilunarljós kvikna í mælaborðinu. Þá er hægt að lesa bilunina með greiningarbúnaði.

Hraðaskynjarar:
Myndin hér að neðan sýnir inductive hraðaskynjara í uppsettu ástandi. Þetta er mynd af McPherson fjöðrun á framfjöðrun. Gírhringurinn, þar sem skynjarinn mælir hraðann, má einnig sjá hér.

Hægt er að hanna ABS skynjara sem inductive skynjara (sjá mynd að ofan), eða sem segulviðnámsskynjara (MRE skynjara), eða Hall skynjara (sjá mynd til hægri). Virkni þessa skynjara er sýnd á síðunni Hallskynjari lýst. Síðarnefndi skynjarinn er notaður fyrir ABS segulhringinn sem er í hjólalegur er afgreitt.

Hægt er að nota merki frá inductive og Hall skynjara með sveiflusjá eru mældar. Dæmi um þessar mælingar eru sýnd og lýst hér að neðan.

Inductive hraðaskynjari:
Inductive hraðaskynjarinn samanstendur af varanlegum segli með spólu utan um. Segulsviðsstyrkurinn breytist þegar tönn úr tannhringnum (fest við drifskaftið) fer í gegnum segulsvið varanlegs segulsins. Breytingin á segulsviðinu veldur því að spenna myndast í spólunni. Hvert tímabil í hraðamerkinu samsvarar því að tönn fari framhjá skynjaranum. Fjöldi tanna á hringnum og snúningshraði drifskaftsins ákvarða tíðni og amplitude merkisins.

Hall skynjari:
Einnig með segulviðnámsnemanum (MRE skynjara), eða Hall skynjaranum, hreyfist málmhringur með seglum meðfram skynjaranum. Segulhringurinn er staðsettur á drifskaft eða í því hjólalegur. Tíðni blokkspennunnar fer eftir snúningshraða og fjölda tanna málmhringsins. Amplitude (hæð merkis) helst sú sama.

MRE skynjarar þurfa aflgjafa til að starfa. Samt hafa þessir skynjarar oft aðeins tvo víra (og þar af leiðandi tvær tengingar). Skynjarinn sendir merki til ABS stýrieiningarinnar um neikvæða snúruna. Merkið myndast vegna þess að rafviðnám hálfleiðaraplatna breytist þegar þær verða fyrir breytilegu segulsviði.

Merkin frá hraðaskynjara eru send til ABS stýrieiningarinnar. Merkin frá fjórum hjólum eru borin saman við hvert annað. Þegar ökutækið ekur í gegnum beygju verður hraði hjólanna í innri beygju minni en hjólanna í ytri beygjunni. Þetta er mælt en er auðvitað vel innan marka.
Ef hraðinn er of mikill við hemlun mun ABS stjórneiningin sjá til þess að vökvabúnaðurinn minnki hemlunarþrýsting á viðkomandi hjóli (of harður hemlun). Ef of mikill hraðamunur er við hröðun minnkar vélaraflið skyndilega af vélstýringarkerfinu.

Komi upp bilanir í ABS-kerfinu er hægt að mæla merki með sveiflusjánni. Þetta er hægt að mæla við stýrið, en einnig við stjórnbúnaðinn. Með því að mæla við stýrið er hægt að athuga hvort ABS skynjarar virki rétt. Þegar mælingar eru gerðar á stjórneiningunni má útiloka hvort gallaðar raflögn séu orsök bilunarinnar.
Á meðan á mælingu stendur er hægt að athuga hvort tíðni og amplitude inductive skynjarans sé rétt. Með Hall skynjaranum er hægt að athuga hvort tíðni merkis sé rétt á meðan hjólið snýst. Til að gera þetta skaltu snúa hjólinu fullum snúningum þannig að hægt sé að bera kennsl á galla í tönnum fljótt. Með skemmdum tönnum verður frávik í hreinleika skynjaramerkja sýnilegt (hugsaðu um tíðni sem er breiðari en ætlað er með hverjum snúningi).

Vatnsefni:
Myndin fyrir neðan til vinstri sýnir vatnsrafall með innbyggðum stjórnbúnaði. Þetta sést meðal annars af miklum fjölda pinna í innstungu.
Tengingar lagna frá aðalbremsuhólknum og við hjólin sjást einnig hér. Aðskildu hemlunarrásirnar (vinstri að framan með hægri aftan og hægri að framan með vinstri aftan) eru innbyggðar í þessa dælueiningu.

Þegar við tökum vökvaeininguna í sundur sést lokablokkin. Myndin neðst til hægri sýnir vatnsrafallinn að innan.

Vökvakerfi:
Vökvamyndin hér að neðan sýnir íhlutina í og í kringum vökvaeininguna. Til að skilja aðgerðina, hluta og tákn, á síðunni grunnreglur vökvakerfis er haft samráð við.
Myndin hér að neðan er teiknuð fyrir eitt hjól. Númer 5, 6 og 9 eru innri. Annað hjól notar sömu íhluti, nema 2/2 ventlana (6), bara með mismunandi tengingum. Með öðrum orðum, ef skýringarmyndin af heildarbílnum væri teiknuð, væru sex 2/2 ventlar við hliðina á honum, hver með sínum pípum. Til að hafa hlutina á hreinu er nú aðeins skýringarmyndin fyrir eina bremsurás sýnd.

Staða 1: Með enga og stöðuga hemlun:
Skýringarmyndin til hægri sýnir ástandið með engum og stöðugum hemlun. Þrýst er á bremsupedalinn (2) sem veldur því að vökvaþrýstingur er beitt af aðalbremsuhólknum (4) á vinstri 2/2 lokanum (6). Þessi 2/2 loki er með opna tengingu við bremsuklossann (7). Vegna þess að vökvaþrýstingur á bremsuklossann eykst verða bremsuklossunum þrýst á bremsudiskinn. Þá verða bremsurnar settar á. Hraðaskynjarinn (8) skráir fjölda snúninga sem hjólið gerir.

Staða 2: ABS virkt, viðhalda bremsuþrýstingi:
Þessi skýringarmynd sýnir ástandið þegar mikil hemlun er og hraðaminnkun hjólanna er of mikil. ABS-skynjari við bremsu hefur sent hraðamerki til tengi 5 á stjórneiningunni, sem er lægra en á hinum hjólunum. Stjórneiningin bregst við þessu og lokar kerfinu við bremsuklossann.
Þetta er gert á eftirfarandi hátt: ákveðinn straumur er settur á pinna 3 á stjórnbúnaðinum sem kveikir á segulloku á vinstri 2/2 loka. Lokanum er ýtt til vinstri á móti gormkraftinum. Þetta hindrar aðgang nýs bremsuvökva að bremsuklossanum. Hægri 2/2 loki er áfram í sömu stöðu, þannig að enginn bremsuvökvi getur farið í bremsuna eða snúið aftur. Þetta heldur þrýstingnum stöðugum. Stjórnin athugar aftur hvort hraðamunurinn á viðkomandi hjóli og hinum hjólunum sé of mikill. Ef innbyrðis hraðamunur er í lágmarki, eða ekki lengur hraðamunur vegna þess að bremsuþrýstingi hefur verið haldið stöðugum, mun stjórneiningin fjarlægja strauminn úr pinna 3 aftur. 2/2 ventillinn fjaðrar aftur í upprunalega stöðu þannig að ástand 1 gildir aftur. Ef hraðamunurinn breytist ekki, eða jafnvel verður meiri, þarf að minnka hemlunarþrýsting viðkomandi hjóls. Þetta gerist í stöðu 3.

Staða 3: ABS virkt, minnka bremsuþrýsting:
Til að draga úr bremsuþrýstingi þarf að dæla bremsuvökva út í línuna á milli 2/2 ventilsins og bremsuklossans. Þetta er gert á skýringarmyndinni hér að ofan.
Nú er pinna 4 líka aflgjafi, þannig að hægri 2/2 loki er spenntur. Þetta er nú líka fært í vinstri stöðu og losar um leið á milli bremsudælunnar og vökvadælunnar. Á þessum tíma mun dælumótorinn snúast og dæla bremsuvökvanum frá bremsuklossanum að aðalhólknum. Vökvanum er nú dælt aftur í lónið gegn krafti aðalbremsuhólksins. Þrýstingurinn minnkar og hjólið byrjar að snúast aftur.

Í stuttu máli:
Staða 1 á við þegar ekið er og hæglega hemlað. Við hemlun þar sem hjólið hótar að læsast, aðstæður 2 og þar sem þrýstingurinn verður að minnka vegna blokkunarhjólsins, aðstæður 3. Við hemlun mun ástandið halda áfram að breytast. Ef aðstæður 3 eiga við, þar sem bremsuvökva er dælt í burtu frá bremsunni, verður að hemla hjólið aftur. Annars myndi ökutækið ekki geta bremsað nógu kröftuglega. Ökumaður skiptir svo aftur yfir í aðstæður 1, svo aftur aðstæður 2 og svo aftur aðstæður 3. Þetta gerist þar til ökumaður hættir að hemla, eða þar til hann eða hún ekur á annað yfirborð sem er til dæmis stífara (hærri núningsstuðull) .

ABS stjórnunarlota:
Grafið hér að neðan sýnir stjórnferil ABS. Ýmsum þáttum hefur verið bætt við, svo sem hraða ökutækis (A) með hjólhraða, ummálshraða hjóla (B), virkni kerfisins (C) og bremsuþrýstings (D).
Línuritinu er einnig skipt í 9 tímabil. Breyting er sýnileg á hverju tímabili vegna þess að kerfið er lagað. Tímabilið er um það bil 20 millisekúndur samtals og er skipt í 9 ójafna bita. Fyrir neðan línuritið er skýringin á línunum.

A: Svarta línan er hraði ökutækisins, græna línan er hjólhraði og rauða línan er viðmiðunarhraði. Hraðinn lækkar (tímabil 1) en hjólhraðinn minnkar mun hraðar. Rauða viðmiðunarlínan er klippt. Þegar græna línan endar undir rauðu línunni (frá tímabili 2) getur hjólaslepping átt sér stað. ABS mun því grípa inn í.

B: Línan sýnir hröðun ummáls hjólsins. Dæmi: með því að snúa hjólinu og hægja hægt á sér þá helst línan við B nálægt núlllínunni. Með því að snúa nú hjólinu á sama hraða og hemla af meiri krafti mun línan teygja sig lengra niður á við. Þetta gerist líka þegar það er komið í hraða; með því að snúa hjólinu mjög hratt úr 0 í 10 km/klst, skýst línan lengra upp ef það tekur þig 5 sekúndur að snúa hjólinu úr 0 í 10 km/klst. Í stuttu máli er þetta hröðun hjóla ummáls.

C: Þessi lína gefur til kynna hvar þrýstingurinn í kerfinu er stöðugur; ABS er þá í gangi. Þar sem línan við C er lág (við núlllínuna) er ABS-kerfið ekki í gangi. Á 7. tímabili er ABS stjórnað með pulsu, þannig að hjólhraðinn minnkar ekki of hratt.

D: Þessi lína sýnir hemlunarþrýstinginn. Bremsuþrýstingurinn eykst þar til græna hjólhraðalínan (A) sker rauðu viðmiðunarlínuna. ABS-kerfið kemur í notkun (C) og tryggir að hröðun hjóla ummáls verði ekki of lítil. Hjólhröðun ummáls er við núlllínuna á tímabili 4; nákvæmlega það augnablik þegar hjólhraðinn í (A) fer úr neikvæðum í jákvæðan. Þrýstingnum er haldið stöðugum á þeim tíma. Á tímabili 7 sést pulsandi stjórnin vel. Bremsuþrýstingurinn er nú varlega aukinn svo hjólið bremsar ekki of hratt.

Stjórnunarreglur til að koma í veg fyrir µ-skiptingu:
Hægt er að stilla ABS fyrir hvert hjól fyrir sig með því að nota þessar upplýsingar. Hjólhraðaskynjararnir skrá hraða hvers hjóls. Þetta er nauðsynlegt vegna þess að í öllum aðstæðum verður að vega hámarks núningsstuðul sem hægt er að ná á móti stýrleika ökutækisins. Þegar ökutækið ekur með vinstri hjólin á þurru malbiki og með hægri hjólin á mjúkri öxlinni og bremsurnar eru beittar af fullum hemlunarkrafti, verður ökutækið stjórnlaust og snýst um ásinn. Mismunur á hemlunarkrafti milli hjóla á malbiki og ís veldur geispandi augnabliki sem veldur fráviki frá stefnu. Þetta ástand er kallað µ-skipt ástand. µ er borið fram sem „mu“. Til að koma í veg fyrir þessa atburðarás er ýmsum stjórnunarreglum beitt:

Einstaklingsstýringin (IR): bremsuþrýstingurinn er stilltur á hámarks núningsstuðul hvers hjóls. Þetta getur valdið miklum yaw augnablikum, en hámarks hemlunarkraftar næst.
Select-low control (SL): hjólið með lægsta núningsstuðulinn ákvarðar hemlunarþrýstinginn fyrir hitt hjólið. Hámarks hemlakraftur sem hægt er að ná er ekki notaður, en geispið er lágt.
Select-high control (SH): hjólið með hæsta núningstuðulinn ákvarðar hemlunarþrýstinginn fyrir hitt hjólið. Select-high kerfi er aðeins notað fyrir ASR kerfi.
Velja-snjall- eða breytingastýringin: meðan á hemlun stendur breytist stjórnin úr val-lágt í einstaklingsstýringu. Þetta gerir það að verkum að hægt er að ná málamiðlun á milli geislustunda og hámarks hemlunarkrafta. Þetta fyrirkomulag er oft notað á atvinnubíla.

Venjulega er hemlakerfi fólksbíls aðskilið á ská (þversum til vinstri). Dæmi um þetta er sýnt á myndinni hér að neðan. Þetta sýnir rauða hemlakerfið fyrir vinstri að framan og til hægri að aftan og bláa hemlakerfið fyrir hægri að framan og vinstri aftan.

Bremsum framhjólanna er stjórnað með einstaklingsstýringu (IR). Hemlunarþrýstingur annars framhjólsins er stilltur á hámarks núningsstuðul hins framhjólsins. Við neyðarstöðvun leita framhjólin hvert fyrir sig að hámarks hemlunarkrafti sem hægt er að ná.
Bremsum afturhjólanna er stjórnað í samræmi við SL-regluna. Stilltur hemlunarþrýstingur afturhjólsins með minnsta núningsstuðulinn ákvarðar hemlunarþrýsting hins afturhjólsins. Hemlunarvægi beggja afturhjólanna verður óbreytt.

Mælingar á ökutæki með og án ABS:
Til að fá góða hugmynd um áhrif ABS kerfisins á ökutæki sýnir þessi kafli tvö línurit af mælingum sem sýna muninn á hemlunartæki án og með ABS.

Hraði ökutækis miðað við hjólhraða án ABS:
Línuritið til hægri sýnir hraða ökutækisins miðað við hraða hjólsins.
Frá t = 0 sekúndu er hraði ökutækisins 15 metrar á sekúndu. Á því augnabliki er bremsupedali ýtt að hámarki. Hraðinn lækkar línulega í 0 m/s á milli
t = 2,75 og 3,00 sekúndur. Hjólhraði lækkar alveg niður í 0,5 m/s á milli t = 1,0 og 0 sekúndur. Þetta þýðir að hjólið hefur nú þegar hraða upp á 0 m/s, þannig að það er kyrrstætt á meðan ökutækið er enn á hreyfingu. Á því augnabliki er hjól læst. Hjólið sleppur á vegyfirborðinu á meðan ökutækið er ekki enn kyrrstætt. Í þessum aðstæðum er ABS ekki í notkun.

Hraði ökutækis miðað við hjólhraða með ABS:
Á línuritinu til hægri er bláa línan sú sama; á 15 m/s hraða ökutækis er hámarkshemlun beitt í 0 m/s. Þetta gerist aftur á 3 sekúndna tímabili. Nú þegar ABS-kerfið er komið í gang lækkar rauða línan við t = 0,3 sekúndur ekki niður í 0 m/s heldur eykst hraði hjólsins aftur. Þetta sést á rauðu línunni sem liggur fyrst niður á við og hækkar aftur rétt fyrir t = 0,5 sekúndur. Hemlunarþrýstingurinn minnkar með ABS á 7,5 m/s hraða. Hraði hinna hjólanna er jafn hraða ökutækisins og því bláu línunni. ABS skynjari vinstra framhjóls skráir hraðaminnkunina. ABS tölvan greinir muninn á hraða, sem veldur því að hún grípur inn í. Hemlunarþrýstingurinn er lækkaður með vökvaeiningunni þar til bláa og rauða línan eru aftur eins. Á því augnabliki er bremsuþrýstingnum haldið stöðugum aftur. Þar til ökutækið stöðvast heldur ABS-kerfið áfram að stjórna hraðanum á rennandi hjólinu.

Þrýstingur í aðalbremsuhólknum samanborið við hjólbremsuhólk án ABS:
Krafturinn sem beitt er á bremsupedalinn breytist í bremsuþrýsting í aðalbremsuhólknum með vökvatilfærslu. Þessi hemlunarþrýstingur er sýndur á grafinu hér að neðan með bláu línunni.
Burtséð frá því hvort hjólið sleppur eða ekki, þá helst bremsuþrýstingurinn í bremsuhólknum (rauða línan) sá sami og þrýstingurinn í aðalbremsuhólknum. Þannig að þetta er staðan án ABS.

Þrýstingurinn í aðalbremsuhólknum samanborið við hjólbremsuhólkinn með ABS:
Í þeim aðstæðum sem ABS-kerfið kemur í notkun er þrýstingurinn í aðalbremsuhólknum og í hjólhemilshylkinu ekki lengur jafn. Þrýstingurinn í aðalbremsuhólknum er áfram mikill vegna þess að ökumaður heldur bremsupedalnum niðri. Á línuritinu minnkar rauða línan við t = 0,3 sekúndu; hér minnkar ABS hemlunarþrýstinginn. Lækkun á bremsuþrýstingi veldur því að hjólið veltur aftur. Frá t = 0,4 sekúndum er hemlunarþrýstingurinn aftur aukinn smám saman þar til hraði hjólsins er sá sami og hinna hjólanna. Þetta er raunin við t = 2,35 sekúndur.