Przedmioty:
- Historia
- Doel
- Operacja
- Czujniki prędkości
- Agregat wodny
- Obwód hydrauliczny
- Cykl kontrolny ABS
- Zasady kontroli zapobiegające rozszczepieniu µ
- Pomiary pojazdu z ABS i bez ABS
Historia:
ABS (skrót od Anti-lock Braking System) Już w 1961 roku producent opon Dunlop z sukcesem przeprowadził eksperymenty z ABS w samochodzie wyścigowym Formuły 99 Ferguson P1. To około czternaście lat, zanim coś podobnego wprowadzono w „normalnych” samochodach. Obecnie wszystkie nowe samochody są wyposażone w ABS.
Cel:
Celem ABS jest wykorzystanie maksymalnej przyczepności opony do nawierzchni drogi podczas jazdy. ABS dba także o utrzymanie stabilności jazdy. To zawiera:
- Stabilność kierowania: po włączeniu ABS pojazdem można kierować. Kiedy koło się ślizga, pojazd ślizga się w jednym kierunku, a ruchy kierownicą nie mogą być przenoszone na nawierzchnię drogi.
- Stabilność kursu: jeśli koło się zablokuje, pojazd może obrać inny kurs. Na przykład blokujące się tylne koło może spowodować obrót pojazdu wokół własnej osi, w wyniku czego pojazd wyląduje tyłem na drodze.
Operacja:
Układ hamulcowy odpowiada za hamowanie kół. W żadnym wypadku koło nie powinno się blokować, gdyż wtedy straci przyczepność do nawierzchni. Koło ślizga się wówczas po asfalcie, co oznacza, że ruchy kierownicze nie mogą być już przenoszone. W takim przypadku pojazdem nie da się sterować. System ABS zapobiega blokowaniu koła.
Gdy koło grozi zablokowaniem, układ ABS dba o to, aby ciśnienie hamowania (ciśnienie płynu hamulcowego w cylindrach hamulcowych koła) na danym kole zostało zmniejszone. W tym momencie nie ma znaczenia, jak mocno wciśniesz nogą pedał hamulca. Układ ABS reguluje ciśnienie hamowania tak, aby koło się nie ślizgało. W pewnym momencie układ ABS będzie stopniowo ponownie zwiększał ciśnienie, ponieważ koło oczywiście musi być jak najmocniej hamowane. Dzieje się tak aż do ponownego osiągnięcia granicy poślizgu; następnie ciśnienie zostaje ponownie obniżone. Proces ten trwa kilka milisekund. Można wtedy wyczuć wibracje na pedale hamulca. Często słychać pracę pompy ABS.
Poniższy rysunek przedstawia przegląd elementów układu ABS.
Powyższy obrazek przedstawia dwie czerwone rury. Biegną one od głównego cylindra hamulcowego do modułu hydraulicznego. Agregat wodny to inne określenie pompy ABS. Dwie czerwone linie odnoszą się do oddzielnego układu hamulcowego; lewy przód z prawym tyłem i prawy przód z lewym tyłem. Na przykład, jeśli w lewym przednim kole wystąpi wyciek, powodujący wyciek całego płynu hamulcowego, nadal można hamować za pomocą drugiego obwodu hamulcowego. Pomarańczowe przewody biegną od jednostki hydraulicznej do wszystkich kół. W jednostce hydraulicznej można regulować siłę hamowania na każde koło.
Na każdym kole zamontowany jest czujnik prędkości. Umożliwia to ciągłe monitorowanie prędkości wszystkich czterech kół. Niebieskie linie to przewody sygnałowe podłączone do czujnika prędkości. Od każdego koła do jednostki sterującej biegnie przewód sygnałowy. Sygnały z pedału hamulca i z jednostki hydraulicznej trafiają również do jednostki sterującej. W pokazanym samochodzie znajduje się ono pod siedzeniem, we wnętrzu samochodu. Obecnie coraz częściej widać, że jednostka sterująca jest podłączona do jednostki hydraulicznej. Jest to wtedy jedna całość. Jeżeli w układzie wystąpi usterka, na przykład spowodowana uszkodzonym lub zabrudzonym czujnikiem, uszkodzonym kablem lub usterką modułu hydraulicznego, na tablicy wskaźników zapali się lampka sygnalizująca usterkę. Następnie można odczytać usterkę za pomocą sprzętu diagnostycznego.
Czujniki prędkości:
Poniższy rysunek przedstawia indukcyjny czujnik prędkości w stanie zamontowanym. To jest zdjęcie kolumny McPhersona w przednim zawieszeniu. Można tu również zobaczyć pierścień zębaty, w którym czujnik mierzy prędkość.
Czujnik ABS może być zaprojektowany jako czujnik indukcyjny (patrz ilustracja powyżej), czujnik magnetorezystancyjny (czujnik MRE) lub czujnik Halla (patrz ilustracja po prawej). Działanie tego czujnika pokazano na stronie Czujnik Halla opisane. Ten ostatni czujnik służy do pierścienia magnetycznego ABS znajdującego się w układzie łożysko koła przetwarzane.
Sygnały z czujników indukcyjnych i Halla mogą być używane z oscyloskop są mierzone. Poniżej przedstawiono i opisano przykłady takich pomiarów.
Indukcyjny czujnik prędkości:
Indukcyjny czujnik prędkości składa się z magnesu stałego otoczonego cewką. Natężenie pola magnetycznego zmienia się, gdy ząb pierścienia zębatego (mocowanego do wału napędowego) przemieszcza się przez pole magnetyczne magnesu trwałego. Zmiana pola magnetycznego powoduje wygenerowanie napięcia w cewce. Każdy okres sygnału prędkości odpowiada przejściu zęba przez czujnik. Liczba zębów na pierścieniu i prędkość obrotowa wału napędowego decydują o częstotliwości i amplitudzie sygnału.
Czujnik Halla:
Również w przypadku czujnika magnetorezystancyjnego (czujnik MRE) lub czujnika Halla wzdłuż czujnika porusza się metalowy pierścień z magnesami. Pierścień magnetyczny znajduje się na wał napędowy lub w nim łożysko koła. Częstotliwość napięcia bloku zależy od prędkości obrotowej i liczby zębów metalowego pierścienia. Amplituda (wysokość sygnału) pozostaje taka sama.
Czujniki MRE do działania wymagają zasilania. Jednak te czujniki często mają tylko dwa przewody (a zatem dwa połączenia). Czujnik wysyła sygnał do jednostki sterującej ABS za pomocą przewodu ujemnego. Sygnał powstaje, ponieważ opór elektryczny płytek półprzewodnikowych zmienia się, gdy są one wystawione na działanie zmieniającego się pola magnetycznego.
Sygnały z czujników prędkości przekazywane są do sterownika ABS. Sygnały z czterech kół są ze sobą porównywane. Kiedy pojazd pokonuje zakręt, prędkość kół na zakręcie wewnętrznym będzie mniejsza niż prędkość kół na zakręcie zewnętrznym. Jest to mierzone, ale oczywiście mieści się w granicach marginesów.
Jeżeli podczas hamowania prędkości będą się zbytnio różnić, sterownik ABS zadba o to, aby jednostka hydrauliczna obniżyła ciśnienie hamowania na danym kole (zbyt mocne hamowanie). Jeżeli podczas przyspieszania różnica prędkości jest zbyt duża, moc silnika zostanie gwałtownie zmniejszona przez system zarządzania pracą silnika.
W przypadku nieprawidłowego działania układu ABS, sygnały można zmierzyć za pomocą oscyloskopu. Można je zmierzyć na kole, ale także na urządzeniu sterującym. Dokonując pomiaru przy kole możesz sprawdzić czy czujniki ABS działają prawidłowo. Po dokonaniu pomiarów na jednostce sterującej można wykluczyć, że przyczyną nieprawidłowego działania jest wadliwe okablowanie.
Podczas pomiaru można sprawdzić, czy częstotliwość i amplituda czujnika indukcyjnego są prawidłowe. Za pomocą czujnika Halla można sprawdzić, czy częstotliwość sygnału podczas obrotu koła jest prawidłowa. W tym celu należy obrócić koło o pełne obroty, aby można było szybko wykryć ewentualne wady zębów. W przypadku uszkodzonych zębów widoczne będzie odchylenie w czystości sygnałów czujnika (przy każdym obrocie pomyśl o częstotliwości szerszej niż zamierzona).
Agregat wodny:
Zdjęcie poniżej po lewej stronie przedstawia hydrogenerator z wbudowanym urządzeniem sterującym. Widać to między innymi po dużej liczbie pinów w złączu wtykowym.
Widoczne są tu także połączenia przewodów od głównego cylindra hamulcowego do kół. Oddzielne obwody hamulcowe (lewy przód i prawy tył oraz prawy przód i lewy tył) są wbudowane w tę pompę.
Po rozebraniu modułu hydraulicznego widać blok zaworowy. Obraz w prawym dolnym rogu przedstawia wnętrze hydrogeneratora.
Obwód hydrauliczny:
Poniższy schemat hydrauliczny przedstawia elementy wewnątrz i wokół modułu hydraulicznego. Aby zrozumieć działanie, części i symbole, strona podstawowe zasady hydrauliki są konsultowane.
Poniższy schemat dotyczy jednego koła. Liczby 5, 6 i 9 są wewnętrzne. W innym kole zastosowano te same komponenty, z wyjątkiem zaworów 2/2 (6), tylko z innymi połączeniami. Innymi słowy, gdyby narysowano schemat całego samochodu, obok niego znalazłoby się sześć zaworów 2/2, każdy z własnymi rurkami. Aby wszystko było jasne, pokazano teraz tylko schemat jednego obwodu hamulca.
Sytuacja 1: Przy braku i stabilnym hamowaniu:
Wykres po prawej stronie przedstawia sytuację przy braku i stabilnym hamowaniu. Naciśnięcie pedału hamulca (2) powoduje wywarcie ciśnienia płynu przez główny cylinder hamulcowy (4) na lewy zawór 2/2 (6). Ten zawór 2/2 ma otwarte połączenie z zaciskiem hamulcowym (7). Ponieważ wzrasta ciśnienie płynu w zacisku hamulcowym, klocki hamulcowe będą dociskane do tarczy hamulcowej. Następnie zostaną włączone hamulce. Czujnik prędkości (8) rejestruje liczbę obrotów koła.
Sytuacja 2: ABS aktywny, utrzymuj ciśnienie w hamulcach:
Na tym schemacie przedstawiono sytuację, gdy następuje gwałtowne hamowanie i opóźnienie koła jest zbyt duże. Czujnik ABS przy hamulcu przesłał sygnał prędkości do zacisku 5 jednostki sterującej, który jest niższy niż w przypadku pozostałych kół. Jednostka sterująca reaguje na to i zamyka układ na zacisk hamulcowy.
Odbywa się to w następujący sposób: do styku 3 urządzenia sterującego doprowadzany jest określony prąd, który zasila zawór elektromagnetyczny lewego zaworu 2/2. Zawór zostaje przesunięty w lewo, pokonując siłę sprężyny. Blokuje to dostęp nowego płynu hamulcowego do zacisku hamulcowego. Prawy zawór 2/2 pozostaje w tym samym położeniu, więc płyn hamulcowy nie może przedostać się do hamulca ani powrócić. Dzięki temu ciśnienie jest stałe. Jednostka sterująca ponownie sprawdza, czy różnica prędkości pomiędzy danym kołem a pozostałymi kołami nie różni się zbytnio. Jeżeli wzajemna różnica prędkości jest minimalna lub różnica prędkości już nie występuje, ponieważ ciśnienie hamowania jest utrzymywane na stałym poziomie, jednostka sterująca ponownie odłączy prąd od styku 3. Zawór 2/2 powraca do swojej pierwotnej pozycji, więc sytuacja 1 ponownie ma zastosowanie. Jeżeli różnica prędkości nie zmienia się lub nawet staje się większa, należy zmniejszyć ciśnienie hamowania danego koła. Dzieje się tak w sytuacji 3.
Sytuacja 3: ABS aktywny, zmniejszyć ciśnienie w hamulcach:
Aby zmniejszyć ciśnienie hamowania, należy przepompować płyn hamulcowy do przewodu pomiędzy zaworem 2/2 a zaciskiem hamulcowym. Odbywa się to na powyższym schemacie.
Teraz pin 4 jest również zasilany, dzięki czemu prawy zawór 2/2 jest zasilany. Teraz zostaje on również przesunięty w lewe położenie, uwalniając przejście pomiędzy zaciskiem hamulcowym a pompą hydrauliczną. W tym momencie silnik pompy będzie się obracał i pompował płyn hamulcowy z zacisku hamulcowego do głównego cylindra. Płyn jest teraz pompowany z powrotem do zbiornika, pokonując siłę głównego cylindra hamulcowego. Ciśnienie zostanie zmniejszone, a koło zacznie się ponownie obracać.
W podsumowaniu:
Sytuacja 1 ma zastosowanie podczas jazdy i lekkiego hamowania. Podczas hamowania, gdy koło grozi zablokowaniem, sytuacja 2 i gdy należy zmniejszyć ciśnienie ze względu na blokowanie koła, sytuacja 3. Podczas hamowania sytuacja będzie się zmieniać. Jeżeli ma miejsce sytuacja 3, w której płyn hamulcowy jest odpompowywany z hamulca, należy wówczas ponownie zahamować koło. W przeciwnym razie pojazd nie byłby w stanie wystarczająco mocno zahamować. Kierowca następnie przełącza się z powrotem do sytuacji 1, następnie ponownie do sytuacji 2 i ponownie do sytuacji 3. Dzieje się tak do czasu, aż kierowca przestanie hamować lub do momentu, gdy kierowca wjedzie na inną nawierzchnię, np. sztywniejszą (wyższy współczynnik tarcia). .
Cykl kontroli ABS:
Poniższy wykres przedstawia cykl sterowania ABS. Dodano różne czynniki, takie jak prędkość pojazdu (A) z prędkością koła, przyspieszenie na obwodzie koła (B), aktywność układu (C) i ciśnienie hamowania (D).
Wykres jest również podzielony na 9 okresów czasowych. Zmiana jest widoczna w każdym okresie, ponieważ system jest dostosowywany. Okres czasu wynosi łącznie około 20 milisekund i jest podzielony na 9 nierównych części. Poniżej wykresu znajduje się wyjaśnienie linii.
A: Czarna linia to prędkość pojazdu, zielona linia to prędkość koła, a czerwona linia to prędkość odniesienia. Prędkość pojazdu maleje (okres 1), ale prędkość koła maleje znacznie szybciej. Czerwona linia odniesienia zostanie przecięta. Kiedy zielona linia znajdzie się poniżej czerwonej linii (z okresu 2), może wystąpić poślizg kół. Dlatego ABS zainterweniuje.
B: Linia wskazuje przyspieszenie obwodu koła. Przykład: obracając koło i powoli zwalniając, linia w B pozostaje blisko linii zerowej. Jeśli teraz kręcisz kołem z tą samą prędkością i mocniej hamujesz, linia będzie sięgać dalej w dół. Dzieje się tak również podczas przyspieszania; obracając koło bardzo szybko od 0 do 10 km/h, linia wystrzeli się dalej, jeśli obrócenie koła od 5 do 0 km/h zajmie Ci 10 sekund. Krótko mówiąc, jest to przyspieszenie po obwodzie koła.
C: Ta linia wskazuje, gdzie ciśnienie w układzie ustabilizowało się; ABS jest wtedy włączony. Jeżeli linia w punkcie C jest niska (na linii zerowej), układ ABS nie działa. W okresie 7 ABS sterowany jest pulsacyjnie, tak aby prędkość koła nie spadała zbyt szybko.
D: Ta linia wskazuje ciśnienie hamowania. Ciśnienie hamowania wzrasta, aż zielona linia prędkości koła (A) przetnie czerwoną linię odniesienia. Układ ABS włącza się (C) i dba o to, aby przyspieszenie na obwodzie koła nie było zbyt małe. Przyspieszenie na obwodzie koła w okresie 4 znajduje się na linii zerowej; dokładnie moment, w którym prędkość koła w (A) zmienia się z ujemnej na dodatnią. W tym czasie ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie. W okresie 7 wyraźnie widoczna jest kontrola pulsacyjna. Ciśnienie hamowania jest teraz ostrożnie zwiększane, aby koło nie hamowało zbyt szybko.
Zasady kontroli zapobiegające podziałowi µ:
Na podstawie tych informacji można ustawić ABS indywidualnie dla każdego koła. Czujniki prędkości kół rejestrują prędkość każdego koła. Jest to konieczne, ponieważ w każdej sytuacji należy porównać maksymalny osiągalny współczynnik tarcia ze sterownością pojazdu. Gdy pojazd jedzie lewymi kołami po suchym asfalcie, a prawymi kołami po miękkim poboczu, a hamulce zostaną zaciągnięte z pełną siłą, pojazd straci panowanie nad pojazdem i obróci się wokół własnej osi. Różnica w sile hamowania pomiędzy kołami na asfalcie i na lodzie powoduje powstanie momentu zbaczającego, który powoduje zboczenie z toru jazdy. Sytuacja ta nazywana jest sytuacją podziału µ. µ wymawia się jako „mu”. Aby zapobiec takiemu scenariuszowi, stosuje się szereg zasad kontroli:
- Sterowanie indywidualne (IR): ciśnienie hamowania jest ustawiane na maksymalny współczynnik tarcia każdego koła. Może to powodować duże momenty odchylenia, ale osiągane są maksymalne siły hamowania.
- Sterowanie „select-low” (SL): koło o najniższym współczynniku tarcia określa ciśnienie hamowania drugiego koła. Maksymalna osiągalna siła hamowania nie jest wykorzystywana, ale moment odchylenia jest niski.
- Sterowanie „select-high” (SH): koło o najwyższym współczynniku tarcia określa ciśnienie hamowania drugiego koła. Schemat „select-high” jest używany tylko w przypadku schematów ASR.
- Sterowanie „select-smart” lub „modyfikujące”: podczas hamowania sterowanie zmienia się z „select-low” na „indywidualne”. Pozwala to na osiągnięcie kompromisu pomiędzy momentami odchylającymi i maksymalnymi siłami hamowania. Schemat ten jest często stosowany w pojazdach użytkowych.
Zwykle układ hamulcowy samochodu osobowego jest rozdzielony ukośnie (na krzyż z lewej strony). Przykład tego pokazano na obrazku poniżej. Pokazuje czerwony układ hamulcowy dla lewego przodu i prawego tyłu oraz niebieski układ hamulcowy dla prawego przodu i lewego tyłu.
Hamulce przednich kół sterowane są za pomocą sterowania indywidualnego (IR). Ciśnienie hamowania jednego przedniego koła jest ustawione na maksymalny współczynnik tarcia drugiego przedniego koła. Podczas hamowania awaryjnego przednie koła będą indywidualnie szukać maksymalnej możliwej do osiągnięcia siły hamowania.
Hamulce tylnych kół są sterowane zgodnie z zasadą „select low” (SL). Ustawione ciśnienie hamowania tylnego koła o najmniejszym współczynniku tarcia określa ciśnienie hamowania drugiego tylnego koła. Moment hamowania obu tylnych kół pozostanie taki sam.
Pomiary pojazdu z ABS i bez ABS:
Aby dobrze zorientować się w wpływie układu ABS na pojazd, w tej sekcji przedstawiono dwa wykresy pomiarów, które pokazują różnicę między pojazdem hamującym bez i z ABS.
Prędkość pojazdu w stosunku do prędkości kół bez ABS:
Wykres po prawej stronie przedstawia prędkość pojazdu w porównaniu do prędkości koła.
Od t = 0 sekunda prędkość pojazdu wynosi 15 metrów na sekundę. W tym momencie pedał hamulca jest wciśnięty maksymalnie. W międzyczasie prędkość pojazdu zmniejsza się liniowo do 0 m/s
t = 2,75 i 3,00 sekundy. Prędkość koła spada całkowicie do 0,5 m/s pomiędzy t = 1,0 a 0 sekundy. Oznacza to, że koło ma już prędkość 0 m/s, a więc jest nieruchome, podczas gdy pojazd jeszcze się porusza. W tym momencie koło jest zablokowane. Koło ślizga się po nawierzchni, gdy pojazd nie jest jeszcze nieruchomy. W tej sytuacji ABS nie działa.
Prędkość pojazdu w stosunku do prędkości kół z ABS:
Na wykresie po prawej stronie niebieska linia jest taka sama; przy prędkości pojazdu wynoszącej 15 m/s maksymalne hamowanie następuje do 0 m/s. Dzieje się to ponownie w ciągu 3 sekund. Teraz, gdy ABS działa, czerwona linia w chwili t = 0,3 sekundy nie spada do 0 m/s, ale prędkość koła ponownie wzrasta. Można to zobaczyć na podstawie czerwonej linii, która najpierw biegnie w dół, a następnie ponownie wznosi się tuż przed t = 0,5 sekundy. Ciśnienie hamowania jest redukowane przez ABS przy prędkości 7,5 m/s. Prędkość pozostałych kół jest równa prędkości pojazdu, a zatem niebieskiej linii. Czujnik ABS lewego przedniego koła rejestruje opóźnienie. Komputer ABS rozpoznaje różnicę prędkości i powoduje interwencję. Ciśnienie hamowania jest redukowane za pomocą jednostki hydraulicznej, aż niebieska i czerwona linia znów staną się takie same. W tym momencie ciśnienie hamowania jest ponownie utrzymywane na stałym poziomie. Do chwili zatrzymania pojazdu ABS w dalszym ciągu kontroluje prędkość koła ślizgającego się.
Ciśnienie w głównym cylindrze hamulcowym w porównaniu do cylindra hamulcowego koła bez ABS:
Siła wywierana na pedał hamulca przekształca się w ciśnienie hamowania w głównym cylindrze hamulcowym poprzez wyparcie płynu. To ciśnienie hamowania pokazano na poniższym wykresie niebieską linią.
Niezależnie od tego, czy koło ślizga się, czy nie, ciśnienie hamowania w cylindrze hamulcowym koła (czerwona linia) pozostaje takie samo, jak ciśnienie w głównym cylindrze hamulca. Tak wygląda sytuacja bez ABS.
Ciśnienie w głównym cylindrze hamulcowym w porównaniu do cylindra hamulcowego koła z ABS:
W sytuacji, w której zadziała ABS, ciśnienia w głównym cylindrze hamulcowym i w cylindrze hamulcowym koła nie są już równe. Ciśnienie w głównym cylindrze hamulcowym pozostaje wysokie, ponieważ kierowca trzyma wciśnięty pedał hamulca. Na wykresie czerwona linia zmniejsza się w czasie t = 0,3 sekundy; tutaj ABS zmniejsza ciśnienie hamowania. Spadek ciśnienia w hamulcach powoduje ponowne toczenie się koła. Od t = 0,4 sekundy ciśnienie hamowania jest ponownie stopniowo zwiększane, aż prędkość koła będzie taka sama jak prędkość pozostałych kół. Dzieje się tak w momencie t = 2,35 sekundy.
