ABS

Soggetti:

Storia
Doel
operazione
Sensori di velocità
Aggregato idroelettrico
Circuito idraulico
Ciclo di controllo dell'ABS
Principi di controllo per prevenire la divisione µ
Misure di un veicolo con e senza ABS

Storia:
ABS (abbreviazione di Anti-lock Braking System) Già nel 1961, il produttore di pneumatici Dunlop sperimentò con successo l'ABS sull'auto da corsa di Formula 99 Ferguson P1. Sono trascorsi circa quattordici anni prima che qualcosa di simile fosse introdotto sulle auto "normali". Al giorno d'oggi tutte le nuove auto sono dotate di ABS.

scopo:
Lo scopo dell'ABS è quello di sfruttare la massima aderenza tra il pneumatico e la superficie stradale durante la guida. L'ABS garantisce inoltre il mantenimento della stabilità di guida. Ciò comprende:

Stabilità dello sterzo: quando l'ABS è attivato, il veicolo rimane sterzabile. Con una ruota che slitta, il veicolo scivola in una direzione e i movimenti dello sterzo non possono essere trasferiti al fondo stradale.
Stabilità della traiettoria: se una ruota si blocca, il veicolo può prendere una traiettoria diversa. Ad esempio, una ruota posteriore bloccata può far ruotare il veicolo attorno al proprio asse, facendolo finire all'indietro sulla strada.

Operazione:
Il sistema frenante è responsabile della frenatura delle ruote. In nessun caso la ruota deve bloccarsi perché in questo caso perderebbe aderenza al fondo stradale. La ruota scivola quindi sull'asfalto, il che significa che i movimenti dello sterzo non possono più essere trasmessi. In tal caso il veicolo è incontrollabile. Il sistema ABS impedisce il bloccaggio della ruota.
Quando la ruota rischia di bloccarsi, il sistema ABS garantisce che la pressione dei freni (la pressione del liquido dei freni sui cilindri dei freni della ruota) sulla ruota in questione venga ridotta. In quel momento non importa con quanta forza premi il pedale del freno con il piede. Il sistema ABS regola la pressione dei freni in modo che la ruota non scivoli. Ad un certo punto, il sistema ABS aumenterà gradualmente la pressione, perché ovviamente la ruota deve essere frenata il più possibile. Ciò continua fino a quando non viene nuovamente raggiunto il limite di scorrimento; quindi la pressione viene nuovamente ridotta. Questo processo richiede pochi millisecondi. Successivamente si avverte una vibrazione nel pedale del freno. La pompa dell'ABS è spesso udibile.

L'immagine sotto mostra una panoramica dei componenti del sistema ABS.

L'immagine sopra mostra due tubi rossi. Questi vanno dal cilindro principale del freno all'unità idraulica. L'aggregato idraulico è un'altra parola per la pompa ABS. Le due linee rosse riguardano l'impianto frenante separato; anteriore sinistro con posteriore destro e anteriore destro con posteriore sinistro. Ad esempio, se si verifica una perdita sulla ruota anteriore sinistra, con conseguente perdita di tutto il liquido dei freni, è comunque possibile frenare con l'altro circuito frenante. I tubi arancioni vanno dall'unità idraulica a tutte le ruote. Nell'unità idraulica la forza frenante può essere regolata per ruota.

Su ciascuna ruota è montato un sensore di velocità. Ciò consente di monitorare continuamente la velocità di tutte e quattro le ruote. Le linee blu sono cavi di segnale collegati al sensore di velocità. Un cavo di segnale corre da ciascuna ruota all'unità di controllo. Alla centralina vanno anche i segnali del pedale del freno e della centralina idraulica. Nell'auto raffigurata si trova sotto il sedile, all'interno dell'auto. Al giorno d'oggi si vede sempre più spesso che l'unità di controllo è collegata all'unità idraulica. Allora è un tutt'uno. Se si verifica un guasto nel sistema, ad esempio a causa di un sensore difettoso o sporco, di un cavo difettoso o di un difetto nell'unità idraulica, sul quadro strumenti si accenderà una spia di guasto. Il guasto può quindi essere letto con l'apparecchiatura diagnostica.

Sensori di velocità:
L'immagine seguente mostra il sensore di velocità induttivo nel suo stato montato. Questa è una foto di un montante McPherson sulla sospensione anteriore. Qui si può vedere anche la corona dentata, dove il sensore misura la velocità.

Un sensore ABS può essere progettato come sensore induttivo (vedi immagine sopra), o come sensore magnetoresistivo (sensore MRE) o sensore Hall (vedi immagine a destra). Il funzionamento di questo sensore è mostrato nella pagina Sensore di Hall descritto. Quest'ultimo sensore viene utilizzato per l'anello magnetico dell'ABS presente nel cuscinetto della ruota è processato.

I segnali dei sensori induttivi e Hall possono essere utilizzati con oscilloscopio vengono misurati. Esempi di queste misurazioni sono mostrati e descritti di seguito.

Sensore di velocità induttivo:
Il sensore di velocità induttivo è costituito da un magnete permanente avvolto da una bobina. L'intensità del campo magnetico cambia quando un dente dell'anello dentato (fissato all'albero motore) si muove attraverso il campo magnetico del magnete permanente. La variazione del campo magnetico provoca la generazione di tensione nella bobina. Ogni periodo del segnale di velocità corrisponde al passaggio di un dente davanti al sensore. Il numero di denti sull'anello e la velocità di rotazione dell'albero motore determinano la frequenza e l'ampiezza del segnale.

Sensore Hall:
Anche nel sensore magnetoresistivo (sensore MRE), o sensore Hall, lungo il sensore si muove un anello metallico con magneti. L'anello magnetico si trova sul albero di trasmissione o in esso cuscinetto della ruota. La frequenza della tensione del blocco dipende dalla velocità di rotazione e dal numero di denti dell'anello metallico. L'ampiezza (l'altezza del segnale) rimane la stessa.

I sensori MRE richiedono un'alimentazione per funzionare. Eppure questi sensori spesso hanno solo due fili (e quindi due connessioni). Il sensore invia il segnale alla centralina ABS tramite il cavo negativo. Il segnale si forma perché la resistenza elettrica delle piastre semiconduttrici cambia quando sono esposte a un campo magnetico variabile.

I segnali dei sensori di velocità vengono trasmessi alla centralina ABS. I segnali provenienti dalle quattro ruote vengono confrontati tra loro. Quando il veicolo percorre una curva, la velocità delle ruote nella curva interna sarà inferiore a quella delle ruote nella curva esterna. Questo è misurato, ma ovviamente rientra nei margini.
Se le velocità differiscono troppo durante la frenata, la centralina ABS farà in modo che l'unità idraulica riduca la pressione frenante sulla ruota interessata (frenata troppo forte). Se la differenza di velocità durante l'accelerazione è eccessiva, la potenza del motore verrà ridotta bruscamente dal sistema di gestione del motore.

In caso di malfunzionamenti del sistema ABS, i segnali possono essere misurati con l'oscilloscopio. Questi possono essere misurati sul volante, ma anche sul dispositivo di controllo. Effettuando una misurazione al volante è possibile verificare se i sensori ABS funzionano correttamente. Effettuando le misurazioni sulla centralina si può escludere che la causa del guasto sia un cablaggio difettoso.
Durante la misurazione è possibile verificare se la frequenza e l'ampiezza del sensore induttivo sono corrette. Con il sensore Hall puoi verificare se la frequenza del segnale è corretta mentre la ruota gira. Per fare ciò, fare giri completi della ruota in modo che eventuali difetti nei denti possano essere rapidamente identificati. In caso di denti danneggiati sarà visibile una deviazione nella purezza dei segnali del sensore (si pensi ad una frequenza più ampia del previsto ad ogni rotazione).

Aggregato idroelettrico:
L'immagine in basso a sinistra mostra un idrogeneratore con un dispositivo di controllo integrato. Ciò è riconoscibile tra l'altro dall'elevato numero di poli nel collegamento a spina.
Qui sono visibili anche i collegamenti delle tubazioni dalla pompa freno alle ruote. In questo gruppo pompa sono incorporati i circuiti frenanti separati (anteriore sinistro con posteriore destro e anteriore destro con posteriore sinistro).

Quando smontiamo l'unità idraulica, è possibile vedere il blocco valvole. L'immagine in basso a destra mostra l'interno dell'idrogeneratore.

Circuito idraulico:
Lo schema idraulico riportato di seguito mostra i componenti all'interno e attorno all'unità idraulica. Per comprendere il funzionamento, le parti ed i simboli, consultare la pag principi fondamentali dell'idraulica vengono consultati.
Il diagramma seguente è disegnato per una ruota. I numeri 5, 6 e 9 sono interni. Un'altra ruota utilizza gli stessi componenti, ad eccezione delle valvole 2/2 (6), solo con collegamenti diversi. In altre parole, se si disegnasse lo schema della vettura completa, accanto ad essa ci sarebbero sei valvole 2/2, ciascuna con le proprie tubazioni. Per chiarezza, ora viene mostrato solo lo schema di un circuito frenante.

Situazione 1: Senza frenata stabile:
Il diagramma a destra mostra la situazione con frenata assente e stabile. Viene premuto il pedale del freno (2), facendo sì che la pressione del fluido venga esercitata dal cilindro principale del freno (4) sulla valvola 2/2 sinistra (6). Questa valvola 2/2 ha un collegamento aperto con la pinza del freno (7). Poiché la pressione del fluido alla pinza freno aumenta, le pastiglie dei freni verranno premute contro il disco del freno. Verranno quindi applicati i freni. Il sensore di velocità (8) registra il numero di giri effettuati dalla ruota.

Situazione 2: ABS attivo, mantenere la pressione dei freni:
Questo diagramma mostra la situazione in cui si effettua una frenata brusca e la decelerazione della ruota è eccessiva. Il sensore ABS del freno ha trasmesso al morsetto 5 della centralina un segnale di velocità inferiore a quello delle altre ruote. La centralina reagisce e chiude il sistema verso la pinza freno.
Ciò avviene nel modo seguente: al pin 3 del dispositivo di comando viene applicata una certa corrente che eccita l'elettrovalvola sulla valvola 2/2 sinistra. La valvola viene spinta verso sinistra contro la forza della molla. Ciò blocca l'accesso del nuovo liquido dei freni alla pinza del freno. La valvola 2/2 destra rimane nella stessa posizione, quindi il liquido dei freni non può andare o tornare al freno. Ciò mantiene la pressione costante. La centralina controlla nuovamente se la differenza di velocità tra la ruota interessata e le altre ruote differisce troppo. Se la differenza di velocità reciproca è minima, oppure non c'è più differenza di velocità perché la pressione del freno è stata mantenuta costante, la centralina toglierà nuovamente la corrente al pin 3. La valvola 2/2 ritorna nella sua posizione originale, per cui si verifica nuovamente la situazione 1. Se la differenza di velocità non cambia, o addirittura aumenta, è necessario ridurre la pressione frenante della ruota interessata. Ciò accade nella situazione 3.

Situazione 3: ABS attivo, ridurre la pressione dei freni:
Per ridurre la pressione dei freni è necessario pompare il liquido dei freni nella tubazione tra la valvola 2/2 e la pinza del freno. Questo viene fatto nel diagramma sopra.
Ora viene alimentato anche il pin 4, in modo che la valvola 2/2 destra sia alimentata. Ora anche questa viene spostata nella posizione sinistra, liberando il passaggio tra la pinza freno e la pompa idraulica. A questo punto il motore della pompa girerà e pomperà il liquido dei freni dalla pinza del freno al cilindro principale. Il fluido viene ora pompato nuovamente nel serbatoio contro la forza del cilindro principale del freno. La pressione viene ridotta e la ruota riprenderà a girare.

In sintesi:
La situazione 1 si applica durante la guida e la frenata leggera. Durante la frenata, quando la ruota rischia di bloccarsi, situazione 2, e quando la pressione deve essere ridotta a causa del blocco della ruota, situazione 3. Durante la frenata, la situazione continuerà a cambiare. Se si applica la situazione 3, in cui il liquido dei freni viene pompato lontano dal freno, la ruota deve essere nuovamente frenata. Altrimenti il veicolo non riuscirebbe a frenare con sufficiente forza. Il conducente torna quindi alla situazione 1, poi di nuovo alla situazione 2 e poi di nuovo alla situazione 3. Ciò accade finché il conducente non smette di frenare o finché non guida su una superficie diversa, ad esempio più rigida (coefficiente di attrito più elevato). .

Ciclo di controllo dell'ABS:
Il grafico sottostante mostra il ciclo di controllo dell'ABS. Sono stati aggiunti diversi fattori, come la velocità del veicolo (A) con la velocità della ruota, l'accelerazione della circonferenza della ruota (B), l'attività del sistema (C) e la pressione dei freni (D).
Il grafico è inoltre suddiviso in 9 periodi temporali. Un cambiamento è visibile in ogni periodo perché il sistema viene adeguato. Il periodo di tempo è di circa 20 millisecondi in totale ed è diviso in 9 parti disuguali. Sotto il grafico c'è la spiegazione delle linee.

A: La linea nera è la velocità del veicolo, la linea verde è la velocità della ruota e la linea rossa è la velocità di riferimento. La velocità del veicolo diminuisce (periodo 1), ma la velocità delle ruote diminuisce molto più velocemente. La linea di riferimento rossa viene tagliata. Quando la linea verde finisce sotto la linea rossa (dal periodo 2), può verificarsi lo slittamento delle ruote. Interverrà quindi l'ABS.

B: La linea indica l'accelerazione della circonferenza della ruota. Un esempio: girando il volante e rallentando lentamente, la linea in B rimane vicina alla linea dello zero. Girando ora la ruota alla stessa velocità e frenando con più forza, la linea si allungherà ulteriormente verso il basso. Ciò accade anche quando lo si aggiorna; girando il volante molto velocemente da 0 a 10 km/h, la linea si alzerà ulteriormente se impieghi 5 secondi per girare il volante da 0 a 10 km/h. In breve, questa è l'accelerazione della circonferenza della ruota.

C: Questa linea indica il punto in cui è stabilizzata la pressione nel sistema; l'ABS è quindi in funzione. Quando la linea in C è bassa (sulla linea dello zero) il sistema ABS non è in funzione. Nel periodo 7 l'ABS viene controllato in modo pulsante, in modo che la velocità delle ruote non diminuisca troppo rapidamente.

D: Questa linea indica la pressione di frenata. La pressione del freno aumenta finché la linea verde della velocità della ruota (A) interseca la linea rossa di riferimento. L'ABS entra in funzione (C) e garantisce che l'accelerazione della circonferenza della ruota non diventi troppo bassa. L'accelerazione della circonferenza della ruota è sulla linea zero nel periodo 4; esattamente nel momento in cui la velocità della ruota in (A) passa da negativa a positiva. In quel momento la pressione viene mantenuta costante. Nel periodo 7 il controllo pulsante è chiaramente visibile. La pressione frenante viene ora aumentata con attenzione in modo che la ruota non freni troppo rapidamente.

Principi di controllo per prevenire la suddivisione µ:
Utilizzando queste informazioni è possibile impostare individualmente l'ABS per ogni ruota. I sensori di velocità delle ruote registrano la velocità di ciascuna ruota. Ciò è necessario perché in tutte le situazioni il massimo coefficiente di attrito ottenibile deve essere valutato rispetto alla sterzabilità del veicolo. Quando il veicolo guida con le ruote sinistre su asfalto asciutto e con le ruote destre sulla corsia morbida e i freni vengono azionati con la massima forza frenante, il veicolo perderà il controllo e girerà sul proprio asse. La differenza di forza frenante tra le ruote su asfalto e su ghiaccio provoca un momento di imbardata che provoca una deviazione dalla traiettoria. Questa situazione è chiamata situazione µ-split. La µ si pronuncia “mu”. Per prevenire questo scenario, vengono applicati una serie di principi di controllo:

Il controllo individuale (IR): la pressione del freno è impostata sul coefficiente di attrito massimo di ciascuna ruota. Ciò può causare elevati momenti di imbardata, ma si ottengono le massime forze frenanti.
Il controllo select-low (SL): la ruota con il coefficiente di attrito più basso determina la pressione di frenata per l'altra ruota. Non viene utilizzata la massima forza frenante ottenibile, ma il momento di imbardata è basso.
Il controllo select-high (SH): la ruota con il coefficiente di attrito più alto determina la pressione frenante per l'altra ruota. Lo schema select-high viene utilizzato solo per gli schemi ASR.
Il controllo select-smart o modificante: durante la frenata, il controllo passa da select-low a controllo individuale. Ciò consente di raggiungere un compromesso tra momenti di imbardata e forze frenanti massime. Questo schema viene spesso applicato ai veicoli commerciali.

Di solito il sistema frenante di un'autovettura è separato diagonalmente (croce sinistra). Un esempio di ciò è mostrato nell'immagine qui sotto. Questo mostra l'impianto frenante rosso per l'anteriore sinistro e il posteriore destro e l'impianto frenante blu per l'anteriore destro e il posteriore sinistro.

I freni delle ruote anteriori sono controllati con il controllo individuale (IR). La pressione frenante di una ruota anteriore è impostata sul coefficiente di attrito massimo dell'altra ruota anteriore. Durante una frenata di emergenza, le ruote anteriori cercheranno individualmente la massima forza frenante ottenibile.
I freni delle ruote posteriori sono controllati secondo il principio select low (SL). La pressione frenante regolata della ruota posteriore con il coefficiente di attrito minore determina la pressione frenante dell'altra ruota posteriore. La coppia frenante di entrambe le ruote posteriori rimarrà la stessa.

Misure di un veicolo con e senza ABS:
Per avere una buona idea dell'influenza del sistema ABS su un veicolo, questa sezione mostra due grafici di misurazioni che dimostrano la differenza tra un veicolo frenante senza e con ABS.

Velocità del veicolo rispetto alla velocità delle ruote senza ABS:
Il grafico a destra mostra la velocità del veicolo rispetto alla velocità della ruota.
Da t = 0 secondo la velocità del veicolo è di 15 metri al secondo. In quel momento il pedale del freno viene premuto al massimo. Nel mezzo la velocità del veicolo diminuisce linearmente fino a 0 m/s
t = 2,75 e 3,00 secondi. La velocità della ruota scende completamente a 0,5 m/s tra t = 1,0 e 0 secondi. Ciò significa che la ruota ha già una velocità pari a 0 m/s, quindi è ferma, mentre il veicolo è ancora in movimento. In quel momento una ruota è bloccata. La ruota slitta sul manto stradale mentre il veicolo non è ancora fermo. In questa situazione l'ABS non è in funzione.

Velocità del veicolo relativa alla velocità delle ruote con ABS:
Nel grafico a destra la linea blu è la stessa; ad una velocità del veicolo di 15 m/s, la frenatura massima viene applicata a 0 m/s. Ciò avviene nuovamente in un periodo di 3 secondi. Ora che l'ABS è in funzione, la linea rossa a t = 0,3 secondi non scende a 0 m/s, ma la velocità della ruota aumenta nuovamente. Ciò può essere visto dalla linea rossa che prima corre verso il basso e risale poco prima di t = 0,5 secondi. La pressione frenante viene ridotta dall'ABS ad una velocità di 7,5 m/s. La velocità delle altre ruote è pari alla velocità del veicolo e quindi alla linea blu. Il sensore ABS della ruota anteriore sinistra rileva la decelerazione. Il computer dell'ABS riconosce la differenza di velocità, facendolo intervenire. La pressione frenante viene ridotta con l'unità idraulica fino a quando le linee blu e rosse saranno nuovamente uguali. In quel momento la pressione dei freni viene nuovamente mantenuta costante. Fino all'arresto del veicolo, l'ABS continua a controllare la velocità della ruota che slitta.

La pressione nel cilindro principale del freno rispetto al cilindro del freno della ruota senza ABS:
La forza esercitata sul pedale del freno viene convertita in pressione frenante nel cilindro principale del freno mediante spostamento del fluido. Questa pressione di frenata è mostrata nel grafico sottostante con la linea blu.
Indipendentemente dal fatto che la ruota slitti o meno, la pressione del freno nel cilindro del freno della ruota (la linea rossa) rimane la stessa della pressione nel cilindro principale del freno. Quindi questa è la situazione senza ABS.

La pressione nel cilindro principale del freno rispetto al cilindro del freno della ruota con ABS:
Nella situazione in cui entra in funzione l'ABS, le pressioni nel cilindro principale del freno e nel cilindro del freno della ruota non sono più uguali. La pressione nel cilindro principale del freno rimane elevata perché il conducente mantiene premuto il pedale del freno. Nel grafico la linea rossa diminuisce a t = 0,3 secondi; qui l'ABS riduce la pressione frenante. La riduzione della pressione dei freni fa sì che la ruota rotoli nuovamente. A partire da t = 0,4 secondi, la pressione frenante viene nuovamente aumentata gradualmente finché la velocità della ruota non raggiunge la stessa velocità delle altre ruote. Questo è il caso t = 2,35 secondi.