Четыре поколения СДС

Публикации на тему «Тормоза и электроника» стали у нас доброй традицией. Сегодняшний обзор не только обобщает сказанное ранее, но и знакомит читателей с новыми разработками зарубежных конструкторов.

Как она работает

В 80-е годы теперь уже прошлого века зарубежные автомобили стали оснащаться антиблокировочными и противобуксовочными системами - АБС и ПБС.

Однако эти устройства улучшали только продольную динамику. А ведь автомобиль не всегда движется по прямой - он должен выполнять маневры, повороты, словом, совершать движения, вызывающие боковые силы, а значит, и риск бокового скольжения. Следовательно, рассуждали конструкторы, хорошо бы придумать устройство, контролирующее не только продольную, но и поперечную динамику автомобиля. И такие устройства были созданы - это системы динамической стабилизации (СДС).

С физической точки зрения боковое скольжение одной из осей - это просто вращение автомобиля вокруг его вертикальной оси. Чем больше боковое скольжение, тем выше скорость вращения и, следовательно, больше риск неприятных последствий.

Указанную скорость вращения можно измерить датчиком. Например, на летательных аппаратах широко применяются волоконно-оптические датчики вращения, основанные на эффекте Саньяка. Но для массового применения на автомобилях они слишком дороги.

Поэтому фирма Bosch разработала новый датчик, работающий следующим образом. Кварцевый генератор формирует в пустотелом стальном цилиндре опорные колебания, которые изменяются при вращательном движении автомобиля. Эти изменения компенсируются ростом или снижением напряжения. Его величина и служит мерой скорости вращения.

Датчик скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси - это основа СДС. Но для функционирования системы необходимы и другие датчики. Перечислим их:

- датчик угла поворота рулевого колеса, дающий информацию о задаваемой водителем траектории движения;

- четыре датчика скорости вращения колес, определяющие задаваемую скорость движения;

- датчик поперечного ускорения автомобиля, регистрирующий любое боковое перемещение автомобиля (заметим, что при одновременном боковом скольжении передней и задней осей вращение автомобиля отсутствует, датчик скорости вращения «молчит», а с датчика поперечного ускорения идет сигнал);

- датчик давления тормозной жидкости, извещающий о силе торможения автомобиля.

Сигналы с датчиков поступают на электронный блок управления (БУ), связанный по мультиплексной линии с блоками управления двигателем и автоматической трансмиссией. При этом используется протокол обмена CAN, разработанный фирмой Bosch. Таким образом, БУ СДС получает текущие данные по крутящему моменту двигателя, положению дроссельной заслонки и включенной передаче. По этой же линии СДС может корректировать работу БУ двигателем и БУ автоматической трансмиссией - например, «посоветовать» трансмиссии переключиться на зимний режим работы при движении автомобиля по скользкой поверхности.

БУ СДС постоянно сравнивает фактическое поведение автомобиля с расчетным. И если машина отклоняется от расчетной траектории, СДС возвращает ее обратно. Это делается двумя путями: точно рассчитанным тормозным импульсом, прикладываемым к одному или нескольким колесам, и/или уменьшением крутящего момента двигателя.

Тормозной импульс вырабатывается устройством, созданным на базе гидроагрегата ПБС.

Отличается он тем, что может автоматически затормозить любое колесо, тогда как в ПБС импульс выдается лишь на ведущие колеса.

СДС исправляет ошибки водителя и стабилизирует автомобиль в случае бокового скольжения на мокром, ледяном, гравийном или любом другом неблагоприятном покрытии дороги. Причем, в отличие от ПБС, это происходит при всех условиях движения - торможении, разгоне или движении накатом.

Рассмотрим действие СДС в случае, например, заноса задней оси. Автомобиль входит в поворот со слишком высокой скоростью, в результате чего возникает боковое скольжение. Это означает, что величина сигнала с датчика вращения вокруг вертикальной оси превышает ожидаемую величину, и БУ классифицирует такое состояние автомобиля как ненормальное.

Стабилизация автомобиля проводится по следующему алгоритму. Прежде всего БУ уменьшает крутящий момент двигателя, увеличивая таким образом боковые силы, прикладываемые к колесам задней оси со стороны дороги (боковая реакция дороги).

Если этого оказывается недостаточно для прекращения заноса, СДС автоматически притормаживает внешнее переднее колесо. Возникает корректирующий поворачивающий момент, восстанавливающий задаваемую траекторию движения автомобиля. Одновременно происходит некоторое снижение скорости движения. Теперь величина сигнала с датчика вращения становится равной расчетной, и дальнейшее вмешательство СДС в управление автомобилем больше не требуется.

А теперь рассмотрим ретроспективу систем динамической стабилизации автомобиля.

Первое поколение

Впервые идеи по созданию устройств стабилизации движения автомобилей возникли несколько десятилетий назад. Еще в 1959 г. сотрудник фирмы Daimler-Benz профессор Фриц Наллингер запатентовал «Управляющее устройство», предназначенное для предотвращения раскручивания ведущих колес путем вмешательства в двигатель, трансмиссию или тормоза.

Придумано было неплохо, однако уровень техники тех лет не позволил реализовать эту идею. Шло время, в 1971 г. появился первый микропроцессор. Быстрое развитие микроэлектроники и компьютерной техники, достижения в области прецизионной гидравлики позволили разработать и начать в 1987 г. серийное производство ПБС.

В том же году после компьютерных моделирований и предварительных расчетов начались первые испытания экспериментальных образцов СДС на опытных автомобилях.

Одновременно прошла проверка системы на имитаторе в Берлине, позволяющем моделировать вождение автомобиля в различных условиях. В этих исследованиях приняло участие 80 водителей, которым было предложено ехать по воображаемой дороге со скоростью 100 км/час. На четырех поворотах без предварительного предупреждения имитировалась сложная ледяная ситуация, где сцепление колес с дорогой уменьшалось более чем на 70%. Результаты испытаний таковы: без СДС 78% водителей оказались неспособными удержать автомобиль на дороге. А когда имитация движения проводилась с СДС, все водители справились с управлением.

Положительные результаты экспериментов позволили в 1992 г. приступить к разработке серийного образца системы. В этой работе приняло участие более 40 инженеров от фирм Mercedes-Benz и Robert Bosch GmbH.

Мировой дебют системы состоялся в марте 1994 г. на севере Швеции. Здесь на льду одного из озер журналистам показали два автомобиля одной модели: первый в обычном исполнении, а второй оборудованный СДС. Вождение автомобилей по кольцевой ледяной трассе убедительно доказало преимущество новинки.

Всего через год после презентации в Швеции началось серийное производство купе Mercedes S600 - первого в мире серийного автомобиля, оборудованного СДС. Через несколько месяцев ее стали предлагать для седанов S-Class и родстеров SL.

Центральный БУ СДС первого поколения был построен на двух микропроцессорах, каждый из которых имел 48 килобайт памяти (при модернизации в 1996 г. применили микропроцессоры с 56 килобайтами памяти).

Гидравлическая часть содержала первичный гидронасос, поршневой источник давления и гидроагрегат. Напомним: насос необходим для быстрого подъема тормозного давления при любых температурных условиях, а гидроагрегат позволяет распределять давление тормозной жидкости индивидуально по колесам. Система получилась сложной и дорогой, но со своими задачами она справлялась неплохо.

Подробное описание СДС первого поколения опубликовано в «АБС-авто» № 12 за 1999 год.

Второе поколение

В 1997 г. была создана СДС второго поколения, получившая обозначение ESP 1.3. Для быстрого подъема давления тормозной жидкости здесь применили ускоритель начала экстренного торможения (УНТ). Это позволило обойтись без первичного гидронасоса и поршневого источника давления и более чем на 50% уменьшить вес исполнительных механизмов системы.

Заметим, что УНТ (другие названия - Brake Assist или система экстренного торможения) тогда только появился и имел исполнительный механизм в виде электромагнита, установленного перед вакуумным усилителем. Подача напряжения на его обмотку и обеспечила создание первичного давления.

В алгоритм управления добавили управляющую логику, обеспечившую дальнейшее повышение безопасности при торможении в повороте. Используя информацию, получаемую от датчиков СДС, ESP 1.3 распознавала опасные ситуации и стабилизировала автомобиль, управляя тормозным давлением на задней оси. Для компенсации избыточной поворачиваемости при торможении в повороте, БУ снижал тормозную силу, приложенную к внутреннему заднему колесу.

Третье поколение

Третье поколение СДС под маркой МК20 появилось в мае 2000 г. на новом Mercedes C-class.

Начнем с того, что в этой системе БУ и гидроагрегат были объединены в один узел. Но главная особенность СДС третьего поколения заключалась в повышении быстродействия и обеспечении более плавного регулирования тормозного давления. Это стало возможным благодаря новому программному обеспечению и применению коммутируемых ограничителей в 4-х впускных клапанах гидроагрегата.

Кроме того, тормозной усилитель стал работать в двух режимах. Для корректировки незначительной нестабильности требуются точно регулируемые небольшие тормозные усилия, и здесь достаточно одного только гидроагрегата. А при возникновении серьезного бокового скольжения или очень быстрого вращения руля водителем требуется более высокое тормозное давление - тут уж в действие вступает тормозной усилитель. Интересно, что при крутых поворотах новое программное обеспечение учитывает даже поперечную жесткость шин, обеспечивая тем самым более точное регулирование.

Изменилась и подпрограмма, выполняющая антиблокировочную функцию. Теперь она дополнительно учитывает информацию, поступающую от датчика скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси. Это позволяет при торможении в повороте на покрытии с низким коэффициентом сцепления перераспределять тормозные силы по осям таким образом, чтобы возникал корректирующий поворачивающий момент, стабилизирующий автомобиль. Такой антиблокировочный алгоритм получил название «АБС плюс». Одновременно БУ СДС стал управлять и УНТ.

Существенное усложнение программного обеспечения потребовало применения двух микропроцессоров с объемом памяти 120 килобайт каждый.

Четвертое поколение

Весной 2001 г. был запущен в производство модернизированный Mercedes A-class, на котором дебютировала СДС четвертого поколения.

A-class - небольшой автомобиль, поэтому для него очень важны компактность и низкий вес комплектующих изделий. Гидроагрегат СДС четвертого поколения имеет новый двухступенчатый насос высокого давления. Он «един в двух лицах», поскольку способен развивать небольшое тормозное давление для точной и комфортной стабилизации движения и реализовывать функцию УНТ. Для этого насос имеет достаточную мощность и может быстро обеспечить подъем давления тормозной жидкости до 200 бар.

Работа в режиме УНТ осуществляется по сигналам от датчиков скорости вращения колес, включателя стоп-сигнала и от двух датчиков давления, установленных в гидроагрегате: то есть по сигналам датчиков, используемых для выполнения функции стабилизации движения. Иными словами, работа УНТ теперь осуществляется чисто гидравлически на основе инфраструктуры СДС. Это означает, что УНТ стал составной частью СДС, подобно АБС и ПБС.

Таким образом, за 6 лет своего существования СДС превратилась в комплексную систему безопасности движения, выполняющую антиблокировочную, противобуксовочную, стабилизирующую функции, а также функцию экстренного торможения.