ABS

Emner:

historie
Doel
drift
Hastighetssensorer
Hydro aggregat
Hydraulisk krets
ABS-kontrollsyklus
Kontrollprinsipper for å forhindre µ-splitting
Målinger av et kjøretøy med og uten ABS

Historie:
ABS (en forkortelse av Anti-lock Braking System) Så tidlig som i 1961 eksperimenterte dekkprodusenten Dunlop med suksess med ABS på Ferguson P99 Formel 1-racerbilen. Det er omtrent fjorten år før noe lignende ble introdusert på «vanlige» biler. I dag er alle nye biler utstyrt med ABS.

formål:
Hensikten med ABS er å utnytte maksimal adhesjon mellom dekket og veibanen under kjøring. ABS sørger også for at kjørestabiliteten opprettholdes. Dette inkluderer:

Styrestabilitet: når ABS er aktivert, forblir kjøretøyet styrbart. Med et glidende hjul glir kjøretøyet i én retning og styrebevegelsene kan ikke overføres til veibanen.
Kursstabilitet: Hvis et hjul låser seg, kan kjøretøyet ta en annen kurs. For eksempel kan et blokkerende bakhjul føre til at kjøretøyet roterer rundt sin akse, slik at kjøretøyet havner baklengs på veien.

Operasjon:
Bremsesystemet er ansvarlig for å bremse hjulene. Hjulet skal under ingen omstendigheter låse seg, for da vil det miste grepet med veibanen. Hjulet glir så over asfalten, noe som gjør at styrebevegelser ikke lenger kan overføres. I så fall er kjøretøyet ukontrollerbart. ABS-systemet forhindrer at hjulet blokkerer.
Når hjulet truer med å låse seg sørger ABS-systemet for at bremsetrykket (bremsevæsketrykket på hjulbremsesylinderen) på det aktuelle hjulet reduseres. I det øyeblikket spiller det ingen rolle hvor hardt du trykker på bremsepedalen med foten. ABS-systemet regulerer bremsetrykket slik at hjulet ikke sklir. På et visst tidspunkt vil ABS-systemet gradvis bygge opp trykket igjen, fordi hjulet selvfølgelig må bremses så mye som mulig. Dette fortsetter til slippgrensen er nådd igjen; så reduseres trykket igjen. Denne prosessen tar noen få millisekunder. En vibrasjon kan da merkes i bremsepedalen. ABS-pumpen er ofte hørbar.

Bildet nedenfor viser en oversikt over komponentene i ABS-systemet.

Bildet over viser to røde rør. Disse går fra hovedbremsesylinderen til den hydrauliske enheten. Hydro-aggregat er et annet ord for ABS-pumpen. De to røde strekene har med det separate bremsesystemet å gjøre; venstre foran med høyre bak og høyre foran med venstre bak. For eksempel, hvis det er en lekkasje ved venstre forhjul, som får all bremsevæske til å lekke, kan du fortsatt bremse med den andre bremsekretsen. Oransje rør går fra hydraulikkenheten til alle hjul. I hydraulikkaggregatet kan bremsekraften justeres per hjul.

En hastighetssensor er montert på hvert hjul. Dette gjør at hastigheten til alle fire hjulene kan overvåkes kontinuerlig. De blå linjene er signalledninger koblet til hastighetssensoren. En signalledning går fra hvert hjul til kontrollenheten. Signalene fra bremsepedalen og fra hydraulikkenheten går også til kontrollenheten. I den viste bilen er denne plassert under setet, i det indre av bilen. I dag ser man i økende grad at kontrollenheten er festet til den hydrauliske enheten. Det er da en helhet. Hvis det er en feil i systemet, for eksempel på grunn av en defekt eller skitten sensor, defekt kabel eller en defekt i hydraulikkaggregatet, vil en feillampe lyse i instrumentpanelet. Feilen kan da avleses med diagnoseutstyr.

Hastighetssensorer:
Bildet nedenfor viser den induktive hastighetssensoren i montert tilstand. Dette er et bilde av en McPherson-stag på fjæringen foran. Girringen, hvor sensoren måler hastigheten, kan også sees her.

En ABS-sensor kan utformes som en induktiv sensor (se bildet over), eller som en magneto-resistiv sensor (MRE-sensor), eller en Hall-sensor (se bildet til høyre). Driften av denne sensoren vises på siden Hall sensor beskrevet. Sistnevnte sensor brukes til ABS magnetringen som er i hjullager er behandlet.

Signalene fra de induktive og Hall-sensorene kan brukes med oscilloskop blir målt. Eksempler på disse målingene er vist og beskrevet nedenfor.

Induktiv hastighetssensor:
Den induktive hastighetssensoren består av en permanent magnet med en spole rundt. Magnetfeltstyrken endres når en tann på tannringen (festet til drivakselen) beveger seg gjennom magnetfeltet til permanentmagneten. Endringen i magnetfeltet fører til at det genereres en spenning i spolen. Hver periode i hastighetssignalet tilsvarer passasjen av en tann forbi sensoren. Antall tenner på ringen og rotasjonshastigheten til drivakselen bestemmer frekvensen og amplituden til signalet.

Hall sensor:
Også med den magneto-resistive sensoren (MRE-sensor), eller Hall-sensoren, beveger en metallring med magneter seg langs sensoren. Den magnetiske ringen er plassert på Drivaksel eller i den hjullager. Frekvensen til blokkspenningen avhenger av rotasjonshastigheten og antall tenner på metallringen. Amplituden (høyden på signalet) forblir den samme.

MRE-sensorer krever en strømforsyning for å fungere. Likevel har disse sensorene ofte bare to ledninger (og derfor to tilkoblinger). Føleren sender signalet til ABS-styreenheten via minuskabelen. Signalet dannes fordi den elektriske motstanden til halvlederplatene endres når de utsettes for et skiftende magnetfelt.

Signalene fra hastighetssensorene overføres til ABS-kontrollenheten. Signalene fra fire hjul sammenlignes med hverandre. Når kjøretøyet kjører gjennom en sving, vil hastigheten på hjulene i innvendig sving være lavere enn for hjulene i utvendig sving. Dette er målt, men ligger selvsagt godt innenfor marginene.
Hvis hastighetene avviker for mye under bremsing, vil ABS-kontrollenheten sørge for at hydraulikkenheten reduserer bremsetrykket på det aktuelle hjulet (bremser for hardt). Hvis det er for stor hastighetsforskjell under akselerasjon, vil motoreffekten brått reduseres av motorstyringssystemet.

Ved feil i ABS-systemet kan signalene måles med oscilloskopet. Disse kan måles ved rattet, men også ved kontrollenheten. Ved å måle ved rattet kan du sjekke om ABS-sensorene fungerer som de skal. Når det foretas målinger på kontrollenheten, kan det utelukkes om defekt ledning er årsaken til feilen.
Under målingen kan det kontrolleres om frekvensen og amplituden til den induktive sensoren er riktig. Med Hall-sensoren kan du sjekke om frekvensen på signalet er riktig mens hjulet går rundt. For å gjøre dette, drei hjulet hele rotasjoner slik at eventuelle feil i tennene raskt kan identifiseres. Ved skadde tenner vil et avvik i renheten til sensorsignalene være synlig (tenk på en frekvens som er bredere enn beregnet ved hver rotasjon).

Hydro aggregat:
Bildet under til venstre viser en hydrogenerator med innebygd kontrollenhet. Dette ser man blant annet av det store antallet pinner i pluggforbindelsen.
Forbindelsene til rørene fra hovedbremsesylinderen og til hjulene er også synlige her. De separate bremsekretsene (venstre foran med høyre bak og høyre foran med venstre bak) er integrert i denne pumpeenheten.

Når vi tar fra hverandre den hydrauliske enheten, kan ventilblokken sees. Bildet nederst til høyre viser innsiden av hydrogeneratoren.

Hydraulisk krets:
Hydraulikkdiagrammet nedenfor viser komponentene i og rundt den hydrauliske enheten. For å forstå operasjonen, deler og symboler, siden grunnleggende prinsipper for hydraulikk blir konsultert.
Diagrammet nedenfor er tegnet for ett hjul. Nummer 5, 6 og 9 er interne. Et annet hjul bruker de samme komponentene, bortsett fra 2/2-ventilene (6), bare med forskjellige koblinger. Med andre ord, hvis diagrammet over den komplette bilen ble tegnet, ville det vært seks 2/2-ventiler ved siden av, hver med sine egne rør. For å holde ting klart, vises nå kun diagrammet for én bremsekrets.

Situasjon 1: Med ingen og stabil bremsing:
Diagrammet til høyre viser situasjonen med ingen og stabil bremsing. Bremsepedalen (2) trykkes ned, noe som fører til at væsketrykk utøves av hovedbremsesylinderen (4) på venstre 2/2-ventil (6). Denne 2/2-ventilen har en åpen forbindelse til bremsekaliperen (7). Fordi væsketrykket til bremsekaliperen øker, vil bremseklossene presses mot bremseskiven. Bremsene vil da bli satt på. Hastighetssensoren (8) registrerer antall omdreininger hjulet gjør.

Situasjon 2: ABS aktiv, opprettholde bremsetrykket:
Dette diagrammet viser situasjonen når det er kraftig oppbremsing og hjulets retardasjon er for stor. ABS-sensoren ved bremsen har sendt et hastighetssignal til klemme 5 på styreenheten, som er lavere enn de andre hjulene. Styreenheten reagerer på dette og lukker systemet til bremsekaliperen.
Dette gjøres på følgende måte: en viss strøm tilføres pin 3 på kontrollenheten, som aktiverer magnetventilen på venstre 2/2-ventil. Ventilen skyves mot venstre mot fjærkraften. Dette blokkerer tilgangen til ny bremsevæske til bremsekaliperen. Høyre 2/2-ventil forblir i samme posisjon, så ingen bremsevæske kan gå til bremsen eller gå tilbake. Dette holder trykket konstant. Kontrollenheten sjekker igjen om hastighetsforskjellen mellom det aktuelle hjulet og de andre hjulene er for mye forskjellig. Dersom den innbyrdes hastighetsforskjellen er minimal, eller det ikke lenger er en hastighetsforskjell fordi bremsetrykket er holdt konstant, vil styreenheten fjerne strømmen fra pinne 3 igjen. 2/2-ventilen fjærer tilbake til sin opprinnelige posisjon, slik at situasjon 1 gjelder igjen. Hvis hastighetsforskjellen ikke endres, eller til og med blir større, må bremsetrykket til det aktuelle hjulet reduseres. Dette skjer i situasjon 3.

Situasjon 3: ABS aktiv, reduser bremsetrykket:
For å redusere bremsetrykket må bremsevæske pumpes ut i ledningen mellom 2/2-ventilen og bremsekaliperen. Dette er gjort i diagrammet ovenfor.
Nå forsynes også stift 4 med strøm, slik at høyre 2/2-ventil blir strømsatt. Denne er nå også flyttet til venstre posisjon, og frigjør passasjen mellom bremsekaliperen og hydraulikkpumpen. På dette tidspunktet vil pumpemotoren snu og pumpe bremsevæsken fra bremsekaliperen til hovedsylinderen. Væsken pumpes nå tilbake til reservoaret mot kraften fra hovedbremsesylinderen. Trykket reduseres og hjulet vil begynne å rotere igjen.

Oppsummert:
Situasjon 1 gjelder under kjøring og lett bremsing. Under bremsing hvor hjulet truer med å låse seg, situasjon 2 og hvor trykket må reduseres på grunn av det blokkerende hjulet, situasjon 3. Under bremsing vil situasjonen stadig endre seg. Dersom situasjon 3 gjelder, hvor bremsevæske pumpes bort fra bremsen, må hjulet bremses igjen. Ellers ville ikke kjøretøyet kunne bremse kraftig nok. Føreren bytter så tilbake til situasjon 1, så situasjon 2 igjen og så igjen situasjon 3. Dette skjer til føreren slutter å bremse, eller til han eller hun kjører på et annet underlag som for eksempel er stivere (en høyere friksjonskoeffisient) .

ABS-kontrollsyklus:
Grafen nedenfor viser kontrollsyklusen til ABS. Ulike faktorer er lagt til, som kjøretøyets hastighet (A) med hjulhastigheten, hjulomkretsakselerasjonen (B), aktiviteten til systemet (C) og bremsetrykket (D).
Grafen er også delt inn i 9 tidsperioder. En endring er synlig i hver periode fordi systemet justeres. Tidsperioden er omtrent 20 millisekunder totalt og er delt inn i 9 ulike deler. Under grafen er forklaringen av linjene.

A: Den svarte linjen er kjøretøyets hastighet, den grønne linjen er hjulhastigheten og den røde linjen er referansehastigheten. Kjøretøyets hastighet reduseres (periode 1), men hjulhastigheten reduseres mye raskere. Den røde referanselinjen er kuttet. Når den grønne linjen havner under den røde linjen (fra periode 2), kan hjulslipp oppstå. ABS vil derfor gripe inn.

B: Linjen indikerer hjulomkretsens akselerasjon. Et eksempel: ved å vri på hjulet og sakte ned farten, forblir linjen ved B nær nulllinjen. Ved å nå dreie hjulet i samme hastighet og bremse kraftigere, vil linen strekke seg lenger nedover. Dette skjer også når du får fart på det; ved å vri hjulet veldig raskt fra 0 til 10 km/t, vil linjen skyte ytterligere opp hvis det tar deg 5 sekunder å vri hjulet fra 0 til 10 km/t. Kort fortalt er dette hjulomkretsens akselerasjon.

C: Denne linjen indikerer hvor trykket i systemet er stabilisert; ABS er da i drift. Der linjen ved C er lav (ved nulllinjen) er ikke ABS-systemet i drift. I periode 7 styres ABS pulserende, slik at hjulhastigheten ikke synker for raskt.

D: Denne linjen angir bremsetrykket. Bremsetrykket øker til den grønne hjulhastighetslinjen (A) skjærer den røde referanselinjen. ABS-en kommer i drift (C) og sørger for at hjulomkretsakselerasjonen ikke blir for lav. Hjulomkretsakselerasjonen er på nulllinjen i periode 4; nøyaktig det øyeblikket når hjulhastigheten i (A) går fra negativ til positiv. Trykket holdes konstant på det tidspunktet. I periode 7 er den pulserende kontrollen godt synlig. Bremsetrykket økes nå forsiktig slik at hjulet ikke bremser for raskt.

Kontrollprinsipper for å forhindre µ-splitting:
ABS kan stilles inn individuelt per hjul ved hjelp av denne informasjonen. Hjulhastighetssensorene registrerer hastigheten til hvert hjul. Dette er nødvendig fordi den maksimalt oppnåelige friksjonskoeffisienten i alle situasjoner må veies opp mot kjøretøyets styrbarhet. Når kjøretøyet kjører med venstre hjul på tørr asfalt og med høyre hjul på myk skulder og bremsene settes på med full bremsekraft, vil kjøretøyet komme ut av kontroll og snu seg om aksen. Forskjellen i bremsekraft mellom hjulene på asfalt og på is forårsaker et girmoment som forårsaker kursavvik. Denne situasjonen kalles µ-delt situasjon. µ uttales som "mu". For å forhindre dette scenariet brukes en rekke kontrollprinsipper:

Den individuelle kontrollen (IR): Bremsetrykket settes til maksimal friksjonskoeffisient for hvert hjul. Dette kan forårsake høye girmomenter, men maksimale bremsekrefter oppnås.
Select-low-kontrollen (SL): hjulet med den laveste friksjonskoeffisienten bestemmer bremsetrykket for det andre hjulet. Den maksimalt oppnåelige bremsekraften brukes ikke, men girmomentet er lavt.
Select-high-kontrollen (SH): hjulet med høyest friksjonskoeffisient bestemmer bremsetrykket for det andre hjulet. Select-high-skjemaet brukes kun for ASR-opplegg.
Velg-smart eller modifiserende kontroll: under bremsing endres kontrollen fra select-low til individuell kontroll. Dette gjør det mulig å oppnå et kompromiss mellom girmomenter og maksimale bremsekrefter. Denne ordningen brukes ofte på nyttekjøretøy.

Vanligvis er bremsesystemet til en personbil adskilt diagonalt (tvers til venstre). Et eksempel på dette er vist i bildet nedenfor. Dette viser det røde bremsesystemet for venstre foran og høyre bak og det blå bremsesystemet for høyre foran og venstre bak.

Bremsene på forhjulene styres med den individuelle kontrollen (IR). Bremsetrykket til det ene forhjulet er satt til maksimal friksjonskoeffisient for det andre forhjulet. Under en nødstopp vil forhjulene individuelt søke etter maksimal oppnåelig bremsekraft.
Bremsene på bakhjulene styres i henhold til select low (SL)-prinsippet. Det justerte bremsetrykket til bakhjulet med minst friksjonskoeffisient bestemmer bremsetrykket til det andre bakhjulet. Bremsemomentet til begge bakhjulene forblir det samme.

Mål av et kjøretøy med og uten ABS:
For å få et godt inntrykk av påvirkningen av ABS-systemet på et kjøretøy, viser denne delen to grafer med målinger som viser forskjellen mellom et bremsende kjøretøy uten og med ABS.

Kjøretøyets hastighet i forhold til hjulhastigheten uten ABS:
Grafen til høyre viser kjøretøyets hastighet sammenlignet med hjulhastigheten.
Fra t = 0 sekund er kjøretøyets hastighet 15 meter per sekund. I det øyeblikket trykkes bremsepedalen maksimalt inn. Kjøretøyets hastighet synker lineært til 0 m/s i mellom
t = 2,75 og 3,00 sekunder. Hjulhastigheten synker helt til 0,5 m/s mellom t = 1,0 og 0 sekunder. Dette betyr at hjulet allerede har en hastighet på 0 m/s, så det står stille, mens kjøretøyet fortsatt er i bevegelse. I det øyeblikket er et hjul blokkert. Hjulet glir på veibanen mens kjøretøyet ennå ikke står stille. I denne situasjonen er ikke ABS i drift.

Kjøretøyets hastighet i forhold til hjulhastigheten med ABS:
I grafen til høyre er den blå linjen den samme; ved en kjøretøyhastighet på 15 m/s er maksimal bremsing på 0 m/s. Dette skjer igjen i løpet av 3 sekunder. Nå som ABS er i drift, faller ikke den røde linjen ved t = 0,3 sekunder til 0 m/s, men hastigheten på hjulet øker igjen. Dette kan sees fra den røde linjen som først går nedover og stiger igjen like før t = 0,5 sekunder. Bremsetrykket reduseres av ABS ved en hastighet på 7,5 m/s. Hastigheten til de andre hjulene er lik kjøretøyets hastighet og dermed den blå linjen. ABS-sensoren på venstre forhjul registrerer retardasjonen. ABS-datamaskinen gjenkjenner forskjellen i hastighet, og får den til å gripe inn. Bremsetrykket reduseres med den hydrauliske enheten til den blå og røde linjen er den samme igjen. I det øyeblikket holdes bremsetrykket konstant igjen. Inntil kjøretøyet stopper, fortsetter ABS-systemet å kontrollere hastigheten på sklihjulet.

Trykket i hovedbremsesylinderen sammenlignet med hjulbremsesylinderen uten ABS:
Kraften som utøves på bremsepedalen omdannes til bremsetrykk i hovedbremsesylinderen ved hjelp av væskefortrengning. Dette bremsetrykket er vist i grafen under med den blå linjen.
Uansett om hjulet sklir eller ikke, forblir bremsetrykket i hjulbremsesylinderen (den røde linjen) det samme som trykket i hovedbremsesylinderen. Så dette er situasjonen uten ABS.

Trykket i hovedbremsesylinderen sammenlignet med hjulbremsesylinderen med ABS:
I situasjonen der ABS-en trer i drift, er ikke lenger trykket i hovedbremsesylinderen og i hjulbremsesylinderen like. Trykket i hovedbremsesylinderen forblir høyt fordi føreren holder bremsepedalen nede. I grafen minker den røde linjen ved t = 0,3 sekund; her reduserer ABS bremsetrykket. Reduksjonen i bremsetrykket får hjulet til å rulle igjen. Fra t = 0,4 sekunder økes bremsetrykket igjen gradvis inntil hastigheten på hjulet er den samme som de andre hjulene. Dette er tilfellet ved t = 2,35 sekunder.