Układ przeciwblokujący ABS

    

Od wielu już lat bezpieczeństwo ruchu jest tym, co w decydujący sposób wpływa na rozwój konstrukcji samochodów. Mówi się o bezpieczeństwie czynnym i biernym. Pod pojęciem bezpieczeństwa czynnego rozumie się przeciwdziałanie możliwości zaistnienia wypadku, zaś bezpieczeństwa biernego - zabezpieczenie pasażerów samochodu przed skutkami wypadku. 

Bezpieczeństwo czynne zależy z jednej strony od prawidłowej konstrukcji i właściwego działania mechanizmów prowadzenia samochodu (przede wszystkim układu kierowniczego i hamulcowego), a z drugiej - od możliwości przeniesienia pomiędzy oponami i nawierzchnią sił koniecznych do zmiany prędkości lub kierunku jazdy. W przypadku ogumionego koła toczącego się po nieodkształcalnej nawierzchni, jak ma to najczęściej miejsce w samochodzie, przekazywanie sił pomiędzy kołem a nawierzchnią drogi odbywa się za pośrednictwem sił tarcia występujących na powierzchni styku opony z jezdnią. Współpraca opony z nawierzchnią przy przekazywaniu sił wzdłużnych została szczegółowo omówiona w nr 9/2000 Auto Moto Serwisu.

Zasada działania układu ABS
Zabezpieczenie kół przed blokowaniem jest realizowane przez układ przeciwblokujący, oznaczany skrótem ABS (od jego angielskiej nazwy Anti-lock Brake System). Praca układu zapobiegającego blokowaniu kół przy hamowaniu polega na takiej regulacji poślizgu wzdłużnego kół, aby utrzymywać go w przedziale optymalnym, czyli takim, gdzie względna siła przyczepności przyjmuje wartości bliskie maksimum. Podstawowe elementy składowe układu, o które rozbudowany jest konwencjonalny układ hamulcowy, są przedstawione na rys. 1. Sterownik i modulator mogą być połączone w jeden zespół montażowy. Awarię układu sygnalizuje lampka kontrolna na tablicy rozdzielczej.

Rys. 1. Główne elementy układu ABS:  1 - czujniki prędkości obrotowych kół,  współpracujące z wieńcami zębatymi przy kołach 2 - elektroniczny układ sterujący (sterownik) 3 - hydrauliczny układ sterujący (modulator)

Ponieważ w samochodzie nie ma możliwości bezpośredniego zmierzenia prędkości jazdy (pomiar odbywa się za pośrednictwem kół), nie ma też możliwości dokładnego wyznaczenia poślizgu kół. Wielkościami mierzonymi są prędkości obrotowe kół, rejestrowane za pomocą czujników. Na podstawie tych prędkości obrotowych można dla znanych promieni kół obliczyć ich prędkości obwodowe, a następnie także zmiany tych prędkości w czasie, czyli przyspieszenia lub opóźnienia obwodowe kół. Dopiero na ich podstawie elektroniczny układ sterujący może oszacować wartości poślizgu poszczególnych kół, a następnie generować sygnały sterujące ciśnieniem w poszczególnych mechanizmach hamulcowych. Ze względu na trudność realizacji sterowania ciśnieniem za pomocą zaworów, które umożliwiałyby uzyskanie ciśnienia proporcjonalnego do elektrycznego sygnału sterującego, w układzie ABS stosuje się trzystanowy system regulacji: zwiększanie ciśnienia, utrzymywanie ciśnienia lub zmniejszanie ciśnienia. Czasowy przebieg procesu regulacji realizowanego przez układ ABS przedstawia rys. 2. 

Rys. 2. Przebieg procesu regulacji poślizgu kół

W początkowej fazie hamowania układ umożliwia zwiększanie ciśnienia (faza 1) zgodnie ze wzrostem siły nacisku na pedał hamulca. Wynikający stąd wzrost momentu hamującego rozwijanego przez hamulec powoduje stopniowe zmniejszanie prędkości obrotowej koła vR, czyli wzrost jego opóźnienia obwodowego. Duża wartość opóźnienia koła wskazuje na groźbę jego zablokowania. Osiągnięcie pewnej, zakodowanej w pamięci sterownika, wartości opóźnienia -a jest sygnałem do przejścia w stan utrzymywania ciśnienia (faza 2). Ponieważ w tym momencie rzeczywista wartość prędkości samochodu vF nie jest znana, jako poziom odniesienia vRef układ przyjmuje wartość prędkości obwodowej koła. Bezwładność sprawia, że mimo iż ciśnienie pozostaje stałe, opóźnienie dalej rośnie, czyli prędkość koła maleje. Spadek tej prędkości poniżej wartości granicznej vl, obliczonej na podstawie prędkości odniesienia vRef i zapisanej w pamięci sterownika dopuszczalnej wartości poślizgu l, powoduje przejście układu w stan zmniejszania ciśnienia (faza 3). Opóźnienie koła stopniowo przestaje rosnąć, a następnie zaczyna maleć. Po ponownym osiągnięciu przez opóźnienie wartości -a układ zostaje przestawiony w stan utrzymywania ciśnienia na odpowiednio zmniejszonym poziomie (faza 4). Zmniejszona siła hamowania sprawia, że opóźnienie koła w dalszym ciągu maleje, wreszcie osiąga wartość zero. Od tego momentu prędkość obwodowa koła zaczyna rosnąć. Osiągnięcie przez koło założonej wartości przyspieszenia obwodowego +A jest sygnałem do przestawienia się układu w stan zwiększania ciśnienia (faza 5). Wzrost przyspieszenia zostaje zahamowany. Ponowne osiągnięcie wartości +A powoduje przejście w stan utrzymywania ciśnienia (faza 6) na poziomie umożliwiającym stopniowe zwiększanie prędkości obwodowej koła, która zbliża się do prędkości pojazdu. W miarę zmniejszania się różnicy między prędkością samochodu a prędkością obwodową koła, maleje jego przyspieszenie obwodowe. Spadek wartości tego przyspieszenia do poziomu +a zapoczątkowuje stopniowy wzrost ciśnienia hamowania. Jest on realizowany przez cykliczne przejścia układu ze zwiększania ciśnienia na jego utrzymywanie (faza 7). Hamowane z coraz większą siłą koło zaczyna ponownie zwalniać, osiągając graniczną wartość opóźnienia obwodowego koła -a. Od tego momentu opisany proces regulacji zaczyna się powtarzać. 

Budowa układu ABS
Schemat hydraulicznego układu uruchamiającego hamulec przedstawia rys. 3. Główną jego częścią jest tzw. modulator, w którym mieszczą się zawory sterujące i pompa przetłaczająca płyn hamulcowy z siłowników hamulców z powrotem do pompy hamulcowej. Pompa umożliwia zmniejszanie ciśnienia w siłownikach hamulców, mimo wciśniętego pedału hamulca. Trzystanowa regulacja ciśnienia hamowania jednego koła była początkowo realizowana za pomocą trzystanowego zaworu elektromagnetycznego. Obecnie stosowany jest częściej układ dwóch zaworów dwustanowych (otwarty-zamknięty). Modulator jest wyposażony w odrębne zestawy takich dwóch zaworów dla każdego z obwodów hamulcowych podlegających regulacji. Ustawienie zaworów sterowane jest sygnałami elektrycznymi ze sterownika elektronicznego.

Rys. 3. Schemat układu hydraulicznego (dla jednego koła):  1 - pompa hamulcowa, 2 - zawór dolotowy, 3 - zawór wylotowy, 4 - pompa powrotna, 5 - tłumik, 6 - akumulator ciśnienia, 7 - hamulec

Zmiany ciśnienia są realizowane w następujący sposób. Przy naciśniętym pedale hamulca, otwartym zaworze dolotowym i zamkniętym zaworze wylotowym, następuje wzrost ciśnienia w mechanizmie hamulcowym. Zamknięcie obu zaworów umożliwia utrzymywanie ciśnienia na stałym poziomie. Zamknięcie zaworu dolotowego i otwarcie zaworu wylotowego przy pracującej pompie powoduje zmniejszanie ciśnienia. Znajdujące się w układzie tłumik i akumulator ciśnienia zmniejszają pulsacje ciśnienia płynu hamulcowego. 

Schemat układu sterownia pokazano na rys. 4. Najważniejszymi elementami elektronicznego układu sterującego są: 
- stopień wejściowy
- mikroprocesory tworzące regulator cyfrowy
- pamięć stała 
- stopień wyjściowy ze wzmacniaczami
- stabilizator napięcia i pamięć usterek
- gniazdo diagnostyczne

Rys. 4. Schemat układu sterowania:  1 - czujniki prędkości obrotowej kół,  2 - gniazdo diagnostyczne,  3 - akumulator,  4 - stopień wejściowy, 5 - regulator cyfrowy,  6 - mikroprocesor,  7 - pamięć stała,  8 - stabilizator napięcia i pamięć usterek,  9 - stopień wyjściowy ze wzmacniaczami,  10 - podwójne zawory elektromagnetyczne do regulacji ciśnienia (w modulatorze),  11 - przekaźnik,  12 - napięcie stabilizowane,  13 - lampka kontrolna

Sygnały z czujników prędkości obrotowej kół są doprowadzane do stopnia wejściowego, skąd po zamianie na sygnały cyfrowe i odpowiednim przetworzeniu - przesyłane do mikroprocesora. W sterowniku (rys. 4) są zastosowane dwa mikroprocesory, z których każdy równolegle przetwarza sygnały z dwóch kół, a następnie wypracowuje cyfrowe sygnały sterujące. W stopniu wyjściowym sygnały te są przetwarzane na sygnały analogowe, a następnie wzmacniane i doprowadzane do zaworów elektromagnetycznych modulatora.

Hamowanie na niejednorodnej nawierzchni 
Przedstawiony dotychczas sposób regulacji poślizgu jednego koła przeciwdziała możliwości jego zablokowania, ale jednocześnie wprowadza niebezpieczeństwo powstania różnych sił wzdłużnych na kołach danej osi, jeśli przyczepność kół do nawierzchni w lewym i w prawym śladzie będzie różna (tzw. m-split). Ta różnica sił wywołuje moment obracający samochód względem jego osi pionowej i wytrącający go z założonego kierunku ruchu. Ze względu na zależność między siłami hamowania prawego i lewego koła danej osi stosuje są różne sposoby regulacji poślizgu tych kół.

Regulacja wg poślizgu koła 
toczącego się po nawierzchni o mniejszej przyczepności (select low)
Ciśnienie w hamulcu koła toczącego się po szorstkiej nawierzchni dostosowuje się do ciśnienia w hamulcu koła na nawierzchni śliskiej. Ciśnienia w siłownikach hamulców obu kół są więc równe, równe są też siły hamowania. Żadne z kół nie zostaje zablokowane i oba mogą przenosić siły poprzeczne. Nie powstaje zatem moment obracający. Jednak niepełne wykorzystanie przyczepności koła toczącego się po nawierzchni o większej przyczepności zmniejsza skuteczność hamowania.

Regulacja wg poślizgu koła 
toczącego się po nawierzchni o większej przyczepności (select high)
Także w tym przypadku ciśnienia w siłownikach hamulców obu kół są równe. Zablokowaniu ulega jednak koło na nawierzchni o mniejszej przyczepności. Siła hamowania tego koła jest mniejsza, co wynika z mniejszego współczynnika przyczepności przylgowej. Powstaje moment obracający. Siłę poprzeczną może przenosić tylko koło nie zablokowane. Skuteczność hamowania jest większa niż w poprzednim przypadku.

Regulacja indywidualna dla każdego z kół
Różne siły hamowania każdego z kół są dopasowane do ich przyczepności. Zapewnia to maksymalną możliwą do uzyskania skuteczność hamowania, dzięki pełnemu wykorzystaniu przyczepności obu kół. Żadne z kół nie zostaje zablokowane i oba mogą przenosić siły poprzeczne. Powstaje jednak moment obracający.

W praktyce stosowanym zwykle rozwiązaniem jest regulacja indywidualna dla kół przednich i regulacja select low dla kół tylnych (rys. 5). Zabezpiecza to w pełni przed możliwością zablokowania kół tylnych i wystąpienia na nich momentu obracającego. Jednocześnie umożliwia wykorzystanie w pełni przyczepności kół przednich, których hamulce konstrukcyjnie przewidziane są do rozwijania większej siły hamowania. Powstający w wyniku różnicy sił wzdłużnych kół przednich moment obracający może być skompensowany momentem stabilizującym kół, wynikającym z ujemnych promieni zataczania. Takie rozwiązanie zapewnia zachowanie stateczności przy hamowaniu za cenę niewielkiego zmniejszenia skuteczności, w wyniku niepełnego wykorzystania przyczepności kół tylnych. 

Rys. 5. Powstawanie momentu obracającego samochód z układem ABS hamujący na niejednorodnej nawierzchni. Z przodu regulacja indywidualna, z tyłu regulacja select low

Efekt działania układu ABS
Jak wynika z poprzednich rozważań, podstawowym efektem działania układu ABS jest przeciwdziałanie możliwości zablokowania kół przy hamowaniu w sytuacji, gdy siły rozwijane przez hamulce poszczególnych kół przekraczają wartości sił możliwych do przeniesienia pomiędzy kołami a nawierzchnią drogi. Główną korzyścią jest utrzymanie stateczności ruchu hamującego samochodu i zachowanie jego kierowalności. Przez stateczność rozumie się tu utrzymanie kierunku ruchu, czyli zabezpieczenie przed zarzuceniem. Kierowalność natomiast, to możliwość sterowania kierunkiem ruchu samochodu (rys. 6). Układ ABS umożliwia w ten sposób, mimo śliskiej nawierzchni, przeprowadzenie jednocześnie manewru omijania przeszkody i hamowania, co w przypadku zablokowanych kół, zwłaszcza przednich, nie byłoby możliwe. 
Z przedstawionego tu opisu można wywnioskować, że układ ABS nie zwiększa skuteczności hamowania, a w wielu przypadkach wręcz wydłuża drogę hamowania w porównaniu z hamowaniem z zablokowanymi kołami. Skrócenie drogi hamowania obserwuje się jedynie w przypadku hamowania na mokrej nawierzchni. Tylko w tym przypadku różnica między współczynnikiem przyczepności przylgowej i współczynnikiem przyczepności poślizgowej jest na tyle duża, że wzrost możliwej do uzyskania siły przyczepności kompensuje niepełne jej wykorzystanie wynikające z działania układu ABS.

Rys. 6. Zdjęcia nocne pojazdu bez układu ABS (a) i z układem ABS (b) hamującego na zakręcie o śliskiej nawierzchni

Informacje o stanie ruchu poszczególnych kół, jakich dostarcza układ ABS, mogą być wykorzystane w innych układach elektronicznych pojazdu. W ten sposób, przez dodanie nowych funkcji, powstały kolejne układy regulacji poślizgu kół:
- układ elektronicznego rozdziału siły hamowania (EBD)
- układ regulacji poślizgu kół napędowych (ASR, TCS)
- układ stabilizacji toru jazdy (ESP)

Elementy funkcjonalne układu ABS (np. pompa) wchodzą też w skład układu przyspieszania i wzmacniania efektu działania hamulców (brake assist - BAS) oraz układu sterowania prędkością jazdy i zachowywania bezpiecznego odstępu od pojazdu poprzedzającego (adaptive cruise control - ACC).

 _________________________powrót___________________________
      

---