Тормозное управление

Основными компонентами АБС являются: модулятор, датчики скорости вращения колес, электронный блок управления (рис.51). Датчик скорости вращения колеса. Индуктивный колесный датчик скорости вращения обеспечивает электронный блок управления необходимой информацией о скорости вращения колеса.

 

Рис. 51. Контур управления АВS:

1 - соленоидный клапан; 2 - главный тормозной цилиндр; 3 - колесный тормозной цилиндр; 4 - электронный блок управления; 5 - датчик скорости вращения колеса.

 

Если в движении одного из колес появляются признаки блокировки, то резко возрастают замедление вращения колеса и его скольжение. Если они  превышают критические значения, то блок управления посылает сигналы  к соленоидному распределительному клапану для прекращения роста  или уменьшения давления в тормозном  механизме до прекращения опасности  блокировки. Затем замедление должно быть восстановлено для предотвращения недотормаживания колеса. Во время автоматического управления торможением необходимо постоянно определять диапазоны устойчивого и нестабильного качения колес и модулировать тормозное давление, создавая максимальное тормозное усилие.

Передача  колесом тяговой или тормозной  силы сопровождается некоторым скольжением элементов шины, находящихся в контакте с дорогой. Чем больше передаваемая сила, тем больше это скольжение. Величину скольжения в контакте оценивают обычно относительным скольжением S, равным отношению скорости скольжения (v_а - ω_к·r_к) к линейной (поступательной) скорости движения оси колеса v_а автомобиля:

                                           ,

где ω_к и r_к – угловая скорость вращения и радиус колеса.

Коэффициент сцепления колеса с дорогой зависит  от коэффициента скольжения S. При S = 15—30 % коэффициент сцепления имеет максимальную величину. Таким образом, если в процессе торможения автомобиля автоматически поддерживать режим, при котором S = 15—30 %, то можно обеспечить одновременно и максимальную эффективность и достаточную безопасность торможения. Все современные АБС относятся к самонастраивающимся системам автоматического поиска.

Назначение  антиблокировочных систем (АБС) и состоит в том, чтобы с помощью автоматического регулирования давления в тормозном приводе поддерживать на оптимальном уровне степень скольжения. Для этого в конструкции тормозного привода должны быть применены дополнительные устройства. В частности, необходимо устройство, регулирующее тормозной момент путем регулирования давления рабочего тела в зависимости от режима работы колеса.

Такие устройства называются модуляторами. Модулятором необходимо управлять, давая команды на увеличение или уменьшение давления рабочего тела в тормозном механизме. Чтобы выработать данные команды, надо собрать и обработать информацию о параметрах движения автомобиля и вращения его колес. Эти задачи решает блок управления. Сбор указанной информации осуществляют датчики.

При постоянном значении вертикальной реакции колеса R_z величина коэффициента сцепления однозначно определяет величину максимальной продольной касательной реакции колеса R_x. Зная величину продольной касательной реакции колеса и его радиус, можно вычислить величину крутящего момента, который обеспечит максимально возможный тормозной эффект, и построить зависимость М_φ = f(S).

На рис. 52 приведена такая зависимость для одного из вариантов условий движения. На этом же графике приведена характеристика тормозного момента М_τ, реально подводимого со стороны тормозного механизма. Допустим, что к колесу подводится излишне большой тормозной момент, превышающий сцепные возможности колеса. С его ростом будет возрастать и скольжение колеса в контакте с дорогой.

Пока рост скольжения сопровождается возрастанием сцепных возможностей колеса (левая часть графика М_φ до точки его перегиба), движение колеса с уменьшающейся скоростью вращения будет устойчивым. Как только скольжение превысит определенную для заданных условий величину (характеризуемую на графике величиной S = 0,2), доля тормозного момента, идущая на создание касательных сил, начнет уменьшаться, а доля, затрачиваемая на угловое замедление колеса, соответственно возрастать.

Это приведет к быстрому росту замедления угловой скорости вращения колеса (процесс его вращения становится неустойчивым, поскольку замедление будет возрастать при неизменном или даже слегка уменьшающемся тормозном моменте). Если автомобиль не снабжен АБС, то колесо может быть доведено до состояния блокировки (юза).

 

 

Рис. 52. К алгоритму работы АБС

 

При наличии  антиблокировочной системы блок управления постоянно сравнивает текущее значение замедления колеса с заранее заданной ему величиной и при их равенстве в момент времени выдает модулятору сигнал на растормаживание колеса. После некоторой задержки, обусловленной инерционностью систем, давление рабочего тела начнет снижаться, что приведет сначала к снижению темпа увеличения углового замедления колеса, а затем и к его снижению. На рис. 52 это соответствует участку 1-2. После того как величина замедления колеса сравняется с заданной величиной нижнего предела замедления, блок управления выдает команду на прекращение дальнейшего снижения давления рабочего тела в контуре тормозного механизма. Вследствие снижения давления рабочего тела колесо начнет разгоняться (это соответствует точке 3), после чего последует команда на увеличение давления рабочего тела и все начнется сначала.

На  рис.53 приведены характеристика и схема механического регулятора  АБС, которая использовалась на старых автомобилях с пневматическим приводом тормозов. Кривая 0-1-2 на характеристике характеризует изменение тормозного механизма с пневматическим приводом. Разница между кривой Т_τ и кривой Т_φ соответствует замедлению колеса. После прохождения максимума кривой Т_φ замедление колеса увеличивается (точка С), что характеризует стремление колеса к блокировке. Это резкое увеличение замедления а_к используется в АБС в качестве первого входного сигнала для уменьшения давления в тормозном приводе. Падение давления начинается с некоторым запаздыванием, обусловленным свойствами АБС (точка 2). Затем замедление колеса уменьшается и в точке 5 становится равным нулю.

В момент времени, соответствующий точке 4, регулятор устанавливает постоянный минимальный тормозной момент. От точки 3 до точки 6 происходит разгон колеса. Увеличение углового ускорения используется в качестве второго входного сигнала для повышения давления в тормозной системе (точка 5). При этом скорость колеса приближается к скорости автомобиля, что означает уменьшение проскальзывания и, следовательно, нарастание коэффициента сцепления φ.

 

Рис. 53. Характеристика и схема регулятора антиблокировочной системы.

 

В дальнейшем этот цикл вновь повторяется. Таким образом, в процессе регулирования колесо то замедляет свое вращение, то разгоняется и заставляет тормозной момент Т_τ изменяться по замкнутому контуру 1—2—5—4—5—6—1. Причем колесо работает в диапазоне коэффициента скольжения S ₂ — S₁ . В результате колесо реализует близкие к максимальному значения коэффициента сцепления. При применении АБС коэффициент скольжения изменяется в диапазоне S ₂ - S₁ = 20 %. Частота изменения давления в подобных пневматических приводах составляет 3—8 Гц, а в гидравлических — до 20 Гц.

Схема механического регулятора пневматического привода, который реагирует на изменение ускорения колеса и управляет исполнительным устройством, показана на рис. 53. На валу 1 датчика регулятора, приводимого во вращение от колеса автомобиля, жестко укреплена ступица 2 и свободно посажен маховик 3. Ступица и маховик соединены винтовой нарезкой (сечение А—А).

К маховику жестко прикреплен золотник 5 клапана, меняющего давление в тормозной камере. При рабочем торможении и небольшом угловом замедлении под действием пружины 4 ступица и маховик продолжают вращаться как одно целое, и регулятор не оказывает воздействия на давление в системе. При экстренном торможении угловое замедление колеса возрастает, и маховик за счет своей инерционности, преодолевая силу пружины 4, перемещается по винтовой нарезке влево. При этом происходит сначала отсоединение магистрали от тормозной камеры колеса, а затем соединение камеры с атмосферой. При достижении маховиком крайнего левого положения зубья винтового механизма выходят из зацепления. Маховик, отделившись от ступицы, продолжает свободное вращение на валу. Как только угловая частота ступицы и маховика сравняются, под действием пружины их зубья войдут вновь в зацепление, и золотник переместится в крайнее правое положение. При этом тормозная камера колеса отсоединится от атмосферы и соединится с магистралью. Торцовые поверхности зубьев на ступице и маховике имеют скосы, которые облегчают обратное их зацепление.

В условиях торможения АБС обеспечивает более высокую точность и лучшие тормозные качества автомобиля. Недостатками, ограничивающими применение рассмотренной АБС, являются недостаточная эффективность и долговечность по сравнению с другими элементами тормозной системы.

Высокоэффективные современные АБС, оснащенные электронными блоками автоматического управления, имеют датчики, установленные в колесах и непрерывно измеряющие их угловые скорости. Применяются датчики разных типов, но наибольшее распространение получили индуктивные и индукционные. Датчики состоят из диска с зубцами или отверстиями, присоединенного к колесу, и индукционной катушки. При прохождении зубцов мимо катушки, питающейся в первом случае переменным током, изменяется индуктивность системы, что отражается на токе, текущем через катушку. Во втором случае зубцы проходят в магнитном поле, созданном постоянным магнитом, и возбуждают в катушке ЭДС. Частота получаемых импульсов пропорциональна угловой скорости колеса.

Функции, выполняемые  электронным блоком управления АБС, сложны и разнообразны. В частности, для определения замедления колеса осуществляется непрерывное дифференцирование его угловой скорости. Однако использование углового замедления колеса в качестве единственного параметра для управления АБС не оптимально. Резкое изменение угловой скорости колеса, может быть не связано с процессом торможения, а вызываться воздействием дорожных неровностей. С другой стороны, в силу определенной специфики достаточно точное дифференцирование угловой скорости, особенно аналоговыми устройствами, затруднено. Поэтому наиболее перспективными считаются АБС, использующие для управления, наряду с угловым замедлением колеса еще и линейную скорость автомобиля, хотя простые и достаточно дешевые датчики, измеряющие скорость автомобиля независимо от угловой скорости его колес, еще не разработаны.

Помимо отмеченных параметров, для оптимального регулирования процесса торможения блок управления должен учитывать еще и такие факторы, как трение в исполнительных механизмах тормозов и реальную, зависящую от температуры, тангенциальную упругость шины. Кроме этого, необходимо учитывать тангенциальную упругость направляющего устройства подвески (упругую деформацию подвески в направлении действия реактивного тормозного момента, что в первую очередь относится к рессоре, воспринимающей реактивный момент за счет S-образного изгиба).

Таким образом, блок управления является весьма сложным  узлом. Лучшие блоки управления по сложности приближаются к цифровой ЭВМ и способны обеспечить весьма малые размеры отмеченной на рис. 51 петли 1—2—3, что позволяет не только сохранять устойчивость автомобиля при торможении на скользкой дороге, но и уменьшать в этих условиях тормозной путь.

Модуляторы АБС тормозных систем с гидравлическим приводом могут иметь различное устройство. В приводах, имеющих гидравлический тормозной привод, применяют модулятор, изменяющий объем тормозного привода (рис.54). В течение первой фазы работы АБС электрический ток в обмотке 1 отсутствует, якорь 3 и плунжер 4 пружиной 2 сдвинуты вправо, а клапан 6 открыт пружиной 5. ГТЦ через ввод II и вывод I соединяется с рабочими цилиндрами тормозных механизмов.

В начале второй фазы работы АБС в обмотку 1 подается ток, якорь 3 и плунжер 4 смещаются влево, клапан 6 закрывается. После этого дальнейшее смещение плунжера влево приводит к увеличению объема полости 7 и, следовательно, к снижению давления жидкости в исполнительных цилиндрах.

 

                                                                                       5     6

 

Рис. 54. Модулятор АБС для гидравлического тормозного привода:

1 – обмотка; 2 – пружина; 3 – якорь; 4 – плунжер; 5 – пружина; 6 – клапан; 7 – рабочая полость модулятора; ввод II и вывод I соединяют главный тормозной цилиндр с рабочими цилиндрами тормозных механизмов.

 

Модулятор, применяемый в пневматических приводах, показан на рис. 55. При отсутствии тока в обмотках сжатый воздух поступает в ускорительный клапан, который необходим ввиду замедленного срабатывания пневматики. Вторая фаза срабатывания модулятора осуществляется подачей тока в обе обмотки, а третья фаза — подачей тока только в обмотку левого соленоида.

Торможение  автомобиля с АБС сопровождается многократным срабатыванием ускорительных клапанов, которое вызывает быстрое изнашивание поршневых систем. Поэтому в настоящее время разрабатываются и уже находят применение диафрагменные устройства ускорительных клапанов.

 

 

Рис. 55. Модулятор АБС для пневматического тормозного привода.

 

Варианты  схем АБС. Обязательность    наличия   трех структурных элементов: датчика, управляющего блока и модулятора не исключает разнообразия вариантов схем АБС (рис.56).

Рис. 56. Конструктивные варианты АБС.

 

В простейшей   из   представленных (рис. 56-а) схем применен один датчик, измеряющий среднее замедление колес заднего моста (замедление корпуса дифференциала), и один модулятор. Такое решение обеспечивает низкую стоимость ПБУ и в значительной степени повышает устойчивость автомобиля при торможении за счет уменьшения вероятности срыва задних колес в занос. Однако оно не позволяет  в  достаточной  степени учесть различие коэффициентов сцепления правого и левого колес с дорогой и не препятствует блокировке передних колес автомобиля.