«Электронные помощники» тормозов

Давно прошли те времена, когда электричество в автомобиле служило только для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах и освещения дороги. Постепенно электрооборудование автомобиля все больше и больше усложнялось, а к середине прошлого века, по мере развития электроники, в автомобиле начали появляться электронные управляющие системы. В этом выпуске познакомимся с устройством АБС и принципом ее работы. Наступление электроники Электроника стала, сначала робко, а затем все более решительно, отбирать у водителя функции по управлению автомобилем и работой его агрегатов. Началось все с управления двигателем. Вслед за системой бесконтактного зажигания появились микропроцессоры, управляющие не только системой зажигания, но и работой карбюратора. С появлением систем непосредственного впрыска топлива электронная система управления двигателем оставила водителю только функцию управления положением дроссельной заслонки. На многих современных автомобилях и эта привилегия у водителя отобрана. С помощью электронной педали акселератора водитель задает нужные ему обороты двигателя. Все остальное делает электроника – определяет необходимое положение дроссельной заслонки, количество впрыскиваемого в цилиндры топлива, опережение зажигания и даже меняет фазы газораспределения. Автоматические и роботизированные коробки передач, бесступенчатые вариаторы и автоматические системы подключения ведущих мостов освободили водителя от управления трансмиссией. В помощь водителю Управление замедлением и направлением движения пока еще полностью осталось в руках водителя. Здесь электроника только помогает водителю или исправляет допущенные им ошибки в управлении автомобилем. Маневр торможения, по мнению большинства специалистов, является наиболее значимым для безопасного управления автомобилем. Ошибка при его выполнении может привести к возникновению аварийной ситуации и послужить причиной дорожно-транспортного происшествия. Даже опытный водитель при экстренном торможении легко может ошибиться и заблокировать колеса, особенно на скользкой зимней дороге. Автомобиль с заблокированными колесами превращается в неуправляемый снаряд и не реагирует на любые действия рулем. Неоднородность дорожного покрытия, так же как блокировка одного или двух колес, может привести к неконтролируемому вращению автомобиля. Поэтому создатели автомобилей постарались в первую очередь помочь водителям избежать блокировки колес при торможении. Патент на «механизм превентивного блокирования колес моторизированных транспортных средств» был получен компанией Bosch еще в 1936 году. Однако долгое время испытания электронных и даже механических систем подобного рода оканчивались неудачей – устройство оказывалось слишком сложным и работало слишком медленно. И только в 70-х годах прошлого века, благодаря бурному развитию технологий, компании Bosch удалось создать работоспособную версию ABS (Antilock Break System). На серийном автомобиле ABS впервые появилась в 1978 году – покупатели Mercedes S-Class могли заказать эту систему в качестве опционного оборудования. Чуть позже аналогичная система появилась и у конкурента S-Class – BMW 7-Series. Сегодня системы ABS не используются только на самых дешевых моделях автомобилей. В некоторых странах их применение стало обязательным для автобусов и грузовых автомобилей. Дело идет к тому, что в недалеком будущем системы ABS войдут в обязательную комплектацию всех автомобилей. Как работает ABS Основой системы ABS являются датчики, фиксирующие угловую скорость вращения колес. На ступице колеса закрепляется зубчатый венец. Датчик неподвижно крепится над торцом венца. Он состоит из магнитного сердечника, расположенного внутри катушки. При вращении зубчатого венца в катушке индуцируется электрический ток, частота которого прямо пропорциональна угловой скорости вращения колеса. Полученная таким образом от датчика информация передается электронному блоку управления. Получая информацию, что называется «с колес», блок управления отслеживает моменты их блокировки. Для этого в настройках блока управления задаются два пороговых значения угловой скорости колеса: «нижний» порог, соответствующий минимальной скорости вращения колеса, близкой к нулю, и «верхний» порог, при достижении которого колесо начинает уверенно вращаться. При достижении «нижнего» порога блок управления дает команду модулятору. В модуляторе срабатывает электромагнитный клапан, перекрывающий доступ жидкости в магистраль, идущую от главного цилиндра к колесу. Если угловая скорость колеса продолжает падать до значений меньше «нижнего» порога, открывается второй электромагнитный клапан, через который тормозная жидкость сливается в резервуар гидроаккумулятора, полностью снимая давление с колесного тормозного цилиндра. Расторможенное колесо начинает вращаться. Как только его угловая скорость достигнет «верхнего» порога, блок управления дает модулятору следующую команду. Клапан резервуара гидроаккумулятора закрывается, а клапан между главным и рабочим тормозными цилиндрами открывается, обеспечивая повышение давления в колесном цилиндре и начало нового торможения. Как только скорость колеса снова снижается до «нижнего» порога, начинается следующий цикл растормаживания. Частота работы модулятора обычно колеблется от 4 до 17 Гц. При растормаживании колеса часть тормозной жидкости из магистрали сливается в гидроаккумулятор. Для последующего торможения давления главного тормозного цилиндра может не хватить. Поэтому к системе ABS часто добавляют дополнительный гидронасос, поддерживающий необходимое давление в тормозной системе. Эффективность торможения и срабатывания системы ABS зависит от заданных в ней пороговых значений и частоты срабатывания модулятора, но не только. Многое зависит от применяемой схемы, количества колесных датчиков, модуляторов и каналов управления. Наиболее простые и дешевые системы включали в себя два датчика на задних колесах автомобиля, один модулятор и один канал управления. Блокировка передних колес в такой системе не регулировалась. При блокировке одного из задних колес модулятор снижал давление во всей тормозной системе, т.е. растормаживались все колеса автомобиля. Система выполняла только одну задачу – предотвращение заноса автомобиля, который мог возникнуть в случае преждевременной блокировки задних колес. Эффективность торможения автомобиля с такой системой была заметно снижена, ведь при блокировке одного из задних колес переставали тормозить и все остальные колеса. Системы ABS практически всех современных автомобилей включают датчики на всех колесах и четырехканальный модулятор, что позволяет предотвращать блокировку каждого отдельного колеса, не снижая эффективности торможения остальных колес. Такая схема обеспечивает надежное и безопасное торможение на «миксте», когда под правыми и левыми колесами автомобиля оказывается поверхность с разными коэффициентами сцепления, например, лед и чистый асфальт. Система не отключается Следует помнить, что ABS – не панацея от всех бед, она не может изменить физические законы и увеличить сцепление колес с дорогой. Ее задача – помочь водителю сохранить контроль над автомобилем в аварийной ситуации. Водителю автомобиля, оборудованного антиблокировочной системой, лучше всего следовать слегка перефразированной поговорке: «На ABS надейся, но и сам не плошай». В начале все производители снабжали автомобили с ABS кнопкой, с помощью которой систему можно было полностью отключить. Но вскоре от этого отказались. Дело в том, что, как правило, езда на автомобиле с отключенной ABS становится опасной. На этих автомобилях обычно отсутствует регулятор тормозных сил (именуемый в просторечии «колдуном») или применяется ограничитель давления, постоянно ограничивающий давление в тормозах задней оси вне зависимости от нагрузки. В первом случае при экстренном торможении, особенно на пустом автомобиле, у вас будут постоянно блокироваться задние колеса, снижая эффективность торможения и вызывая занос. Во втором случае эффективность торможения задних колес окажется ограниченной и вам придется останавливаться только за счет торможения передней оси, что приводит к заметному увеличению тормозного пути. Совершенство тормозов Антиблокировочная система тормозов (ABS) привела в конструкцию автомобиля элементы, позволяющие контролировать скорость вращения каждого колеса (колесные датчики) и управлять скоростью их вращения (модулятор и гидронасос). Используя эти элементы, управляющие электронные системы в автомобиле стали расти как грибы после дождя. Давно было замечено, что при экстренном торможении водитель не всегда нажимает на педаль тормоза с усилием, обеспечивающим максимальную эффективность тормозов. Появился «электронный помощник» экстренного торможения – Break Assist. При торможении управляющая система сопоставляет данные о скорости вращения колес с данными о силе и скорости нажатия педали тормоза, получаемые от датчика на педали. В первых системах для усиления торможения использовался вакуумный усилитель. По команде управляющей системы разрежение в вакуумном усилителе увеличивалось, обеспечивая увеличение тормозной силы на колесах. Однако от такого принципа быстро отказались. Дело в том, что при увеличении разрежения диафрагма усилителя резко перемещалась вперед и педаль тормоза «проваливалась», пугая водителя. Чтобы исключить этот недостаток, перешли к использованию модулятора и гидронасоса ABS. Теперь при быстром нажатии на педаль тормоза электроника сама увеличивает давление в тормозной системе до величины, обеспечивающей максимальную эффективность торможения. Устойчивость автомобиля при торможении зависит от того, насколько равномерно тормозные силы распределяются между колесами. Колесо, нагрузка на которое меньше, всегда тормозится более эффективно и раньше блокируется. Нагрузка на колеса передней и задней оси существенно различается. Поэтому уже давно на легковых автомобилях применяются механические регуляторы тормозных сил, изменяющие давление в тормозах задних колес в зависимости от нагрузки. Все вы наверняка слышали и читали, что тормозить в повороте, особенно на скользкой поверхности, не рекомендуется. Это тоже связано с различной нагрузкой на колеса. При движении в повороте автомобиль всегда, в большей или меньшей степени, кренится. Нагрузка на колеса с наружной стороны поворота возрастает. Внутренние по отношению к повороту колеса, наоборот, разгружаются, иногда вплоть до полного отрыва от поверхности дороги. Разгруженные колеса тормозятся более эффективно. Разница в тормозных силах правых и левых колес создает крутящий момент, разворачивающий автомобиль внутрь поворота. Следствием интенсивного торможения в повороте становится занос и неконтролируемое вращение автомобиля. Система электронного распределения тормозных сил EBD (Electronic Break Distribution), как сказано в ее названии, равномерно распределяет тормозные силы по колесам в зависимости от нагрузки. Датчики скорости колес фиксируют, когда менее нагруженные колеса приближаются к началу блокировки. «Электронные мозги» дают команду блоку управления снизить давление в магистрали разгруженных колес и увеличить давление для нагруженных. Изменение усилия в рабочих цилиндрах тормозов выравнивает обороты колес и действующие тормозные силы. Практически все колеса тормозятся одинаково. При торможении на прямой предотвращается преждевременное затормаживание задних колес, а в повороте исключается возможность появления разворачивающего момента. Не буксовать! Буксование ведущих колес может привести к тем же последствиям, что и блокировка при торможении. Колеса полностью или частично теряют сцепление с дорогой, и автомобиль становится неуправляемым. Если же пробуксовка передних ведущих колес происходит на повороте, автомобиль будет двигаться по касательной, не реагируя на поворот руля. Первыми войну буксованию объявили спортсмены – на «формульных» болидах в 90-х годах прошлого века появилась система контроля тяги TCS (Traction Control System). С ростом мощности «гражданских» автомобилей TCS и здесь нашла широкое применение. Поначалу работу системы ограничили снижением оборотов двигателя. Колесные датчики фиксировали начало буксования ведущих колес, а электроника давала команду системе управления двигателем снизить обороты. Снижение оборотов продолжалось до тех пор, пока не восстановится сцепление колес с дорогой. На ровной горизонтальной дороге система работала исправно. Но при трогании на скользком подъеме появились проблемы. Для трогания на подъеме всегда нужна большая тяговая сила на колесах, чтобы преодолеть не только инерцию покоя автомобиля, но и силу тяжести, стремящуюся скатить автомобиль вниз. TCS при буксовании снижает обороты двигателя, но крутящего момента на малых оборотах не хватает, чтобы преодолеть сопротивление движению. То же может произойти и при трогании в рыхлом снегу. Проявился и еще один недостаток – когда буксует только одно ведущее колесо, можно тронуться за счет тяги второго колеса, но TCS все равно сбрасывает обороты, практически препятствуя троганию. Опять на помощь пришел блок управления ABS. При буксовании одного колеса дифференциал весь крутящий момент передает на вращающееся колесо. Второе колесо, имеющее сцепление с дорогой, остается неподвижным. Система TCS дает команду затормозить буксующее колесо. Дифференциал перестает работать и передает крутящий момент на оба колеса. Появляется возможность тронуться за счет тяговой силы колеса, сохраняющего сцепление с дорогой. Практически торможение буксующего колеса имитирует блокировку межколесного дифференциала. Снижение оборотов двигателя происходит только тогда, когда буксуют оба ведущих колеса. Но в жизни, чаще всего на бездорожье или на дороге с низким коэффициентом сцепления, встречаются случаи, когда преодолеть какой–либо участок можно только с ходу с частичной пробуксовкой колес. Поэтому практически на всех автомобилях TCS можно принудительно отключить. Автор: Александр Смирнов