|
В № 6 за 1999 г. нашего журнала рассмотрены основы построения антиблокировочной системы (АБС) гидравлического тормозного привода. Естественным развитием АБС является противобуксовочная система (ПБС). Она полностью выполняет функцию АБС и дополнительно предохраняет ведущие колеса от буксования при трогании и разгоне. Иными словами, при торможении ПБС работает как АБС, а при движении решает свои собственные задачи.
Кое-что из механики
В основе построения ПБС (как, впрочем, и АБС) лежит теория сцепления колеса (протектора) с покрытием дороги. Ведущее колесо может находиться в одном из трех состояний: в тяговом режиме, в тормозном режиме и в свободном качении, когда к колесу не прикладываются ни крутящий, ни тормозной моменты. Последний случай - это движение автомобиля накатом.
Линейная скорость колеса на радиусе качения Vк совпадает со скоростью автомобиля Vа только при движении накатом. При торможении Vк всегда меньше скорости автомобиля и находится в интервале от 0 до Vа, а в тяговом режиме она всегда больше скорости автомобиля и лежит в пределах от Vа до максимальной скорости колеса Vк max. Последняя зависит от максимальной частоты вращения двигателя, передаточных чисел трансмиссии и радиуса колеса. Для описания вращения колеса в тяговом режиме пользуются понятием коэффициента буксования (или просто буксования) колеса Sб.
Возможные значения этого коэффициента находятся в интервале от 0 до 1. Так, Sб = 0 при свободном качении колеса, а Sб = 1 - когда автомобиль еще не тронулся (Va=0), но колесо уже вращается (буксует).
Если к колесу приложить крутящий момент Мк, то в пятне контакта колеса с покрытием дороги возникает сила тяги Рт (ее еще называют полной окружной силой колеса), совпадающая с направлением движения. К ней мы вернемся чуть позже.
На колесо также может действовать боковая сила, например, центробежная сила инерции при движении на повороте или сила ветра. Тогда в пятне контакта шина/дорога возникает боковая реакция Ps, направленная против действия боковой силы. Когда боковая сила, приложенная к ведущей оси автомобиля, превышает сумму сил Ps обоих колес, то возникает их боковое скольжение.
Коэффициент сцепления шины с дорогой j в тяговом режиме является величиной переменной. Он определяется состоянием поверхности дороги, применяемыми шинами и коэффициентом буксования колеса. Эта зависимость изображается графически в координатах «коэффициент сцепления - коэффициент буксования» для различных дорожных покрытий.
Коэффициенты сцепления в тяговом режиме и в тормозном режиме похожи, но это не одно и то же, особенно при направленном рисунке протектора шины.
В тяговом режиме пятно контакта шины с дорогой состоит из двух участков: покоя в передней части пятна и буксования в задней части. На участке покоя элементы протектора неподвижны относительно покрытия дороги: здесь между шиной и дорогой действует сила трения покоя. А вот на участке буксования элементы протектора перемещаются относительно опорной поверхности - там уже действует сила трения скольжения. Причем соотношение размеров участков зависит от коэффициента буксования колеса Sб.
При небольшом буксовании благодаря эластичности шины все пятно контакта занимает участок покоя. При дальнейшем росте Sб сначала появляется небольшой участок буксования, который постепенно увеличивается и вскоре занимает всю длину пятна контакта. И, наконец, при Sб=1 коэффициент сцепления становится равным коэффициенту трения скольжения резины по опорной поверхности. Сказанное объясняет форму графика коэффициента сцепления: подъем на начальном участке, достижение максимального значения и дальнейшее небольшое снижение.
Но вернемся к силе тяги Рт. Так как коэффициент сцепления в продольном направлении имеет максимум, который достигается при коэффициенте буксования Sбм, то и сила тяги имеет соответствующее максимальное значение Pт max.
Приложим к колесу небольшой крутящий момент Мк. Возникает соответствующая небольшая сила тяги Рт, и колесо начнет вращаться с постоянной скоростью при небольшом буксовании. При увеличении Мк будут увеличиваться Рт и Sб. Это стабильное состояние колеса, когда прирост подводимого Мк компенсируется приростом Рт при увеличении Sб. Так будет продолжаться до тех пор, пока с ростом Мк сила тяги не достигнет максимального значения. Дальнейший прирост подводимого крутящего момента уже не будет сопровождаться ростом силы тяги, а значит, колесо начнет раскручиваться с ускорением (Sб будет быстро расти). Причем теперь увеличение Sб сопровождается уменьшением Рт и увеличением ускорения. Это нестабильное состояние колеса, и процесс закончится раскруткой колеса до скорости Vк max при соответствующем ему Sб, близким к единице.
При этом не только сила тяги Рт станет меньше Рт max, но будет интенсивно изнашиваться шина, и резко (в несколько раз) уменьшится сила боковой реакции Ps, которая противодействует возникновению бокового скольжения колеса.
А это значит, что, если при движении автомобиля в повороте (при наличии боковой силы) ведущие колеса попадут с покрытия с высоким сцеплением на покрытие с низким сцеплением, то возникнет буксование колес. Оно будет сопровождаться боковым скольжением ведущей оси автомобиля с возможными печальными последствиями. Поэтому желательно оборудовать автомобиль таким устройством, которое при избыточном крутящем моменте будет автоматически ограничивать буксование колес для поддержания их в оптимальной области - вблизи максимального значения коэффициента сцепления в продольном направлении. Эту функцию обеспечивает ПБС.
Как действует система
Рассмотрим работу ведущего моста автомобиля. Крутящий момент двигателя через сцепление, коробку перемены передач и главную передачу поступает на дифференциал. Обозначим этот момент Mr. Симметричный дифференциал распределяет подводимый момент поровну между первым и вторым колесами.
Предположим, что первое ведущее колесо находится на покрытии с низким коэффициентом сцепления j1, а второе колесо - на покрытии с высоким j2. Попытаемся тронуться, постоянно увеличивая Mr. На колесах возникнут силы тяги Pт1 и Рт2, которые благодаря симметрии дифференциала равны между собой. Тогда сила тяги автомобиля Рк = 2Рт1 и увеличивается с увеличением Mr.
После достижения максимальной силы тяги Рт max1 первое колесо начинает буксовать. Сила тяги автомобиля несколько уменьшается и перестает зависеть от Мr. При этом Рк
Таково обычное поведение автомобиля, не оборудованного ПБС или хотя бы блокировкой дифференциала.
А теперь воздействуем на тормозной диск первого колеса силой РB1, которая создает тормозной момент Mт1.
Он противодействует крутящему моменту, и следовательно, последний может быть увеличен.
Ко второму колесу будет подводиться точно такой же увеличенный крутящий момент, и сила тяги автомобиля определится следующей формулой: Рк= 2Рт1+Рдоп, где: Рдоп - дополнительная сила тяги. В результате динамика разгона автомобиля значительно улучшится. Нетрудно подсчитать, насколько возрастает сила тяги автомобиля, если, к примеру, первое колесо находится на льду с j=0,1, а второе колесо на асфальте с j=0,8.
В данном примере проявила себя одна из функций ПБС - электронное блокирование дифференциала, которое действует более точно, чем механическое блокирование.
Необходимо отметить, что Мт1 должен быть меньше крутящего момента, иначе колесо из тягового режима перейдет в тормозной и начнет сдерживать автомобиль. Кроме того, момент необходимо передавать плавно: ведь хорошо известно, что резкость в управлении - одна из причин возможной потери автомобилем устойчивости.
Если и дальше увеличивать Мr, то можно достигнуть Рт max2, и буксовать начнет второе колесо. Дальше возможны два пути: или начать притормаживать второе колесо так, чтобы удержать его буксование в оптимальной области или уменьшить Мr, вмешавшись в управление двигателем.
Точно так отреагирует ведущий мост, если оба колеса попадут на одинаковое покрытие (когда j1= j2). Сначала забуксует одно из колес, а когда его начнут притормаживать - то тут же забуксует второе. Правда, выигрыш в виде Рдоп в данном случае будет незначительным.
ПБС имеют пороговую скорость. Обычно это 40-60 км/час. При скорости автомобиля ниже пороговой система воздействует и на тормоза, и на двигатель, а при скорости большей пороговой - только на двигатель. Это сделано в интересах безопасности.
Подводя итог, сделаем вывод, что противобуксовочная функция может быть реализована одним из трех способов: во-первых, только управлением тормозами ведущих колес, во-вторых, только уменьшением крутящего момента двигателя, в-третьих - одновременным управлением тормозами и двигателем. Конечно, последний способ наиболее эффективен.
На практике применяются все три способа. Так, Mercedes-Benz C-class в дополнительной комплектации может быть оборудован ETS (Elektronischen Traktions-System) или ASR (Antriebs-Schlupf-Regelung). ETS управляет только тормозами. Система вмешивается в управление при скоростях до 40 км/час и помогает водителю при трогании и разгоне. ASR управляет и тормозами, и двигателем и может функционировать во всем диапазоне скоростей автомобиля. ETS конструктивно проще и дешевле ASR. В дальнейшем будем рассматривать ПБС в полной комплектации.
Как устроена система
Конструктивно ПБС отличается от АБС наличием трех дополнительных узлов: источника давления тормозной жидкости, электромагнитных клапанов, подключающих этот источник вместо главного тормозного цилиндра, и устройства управления двигателем.
Давление тормозной жидкости при торможении создает водитель, нажимая на педаль и используя помощь усилителя. При движении водитель давит на педаль акселератора, а педаль тормоза отпущена, следовательно, давление в тормозных механизмах отсутствует. Поэтому для создания тормозного момента необходим источник давления, например гидронасос с гидроаккумулятором.
Задача управления двигателем решается по-разному. В ранних конструкциях, когда между педалью акселератора и дроссельной заслонкой существовала механическая связь, применялись разные варианты электромеханических устройств, которые с помощью электродвигателя через редуктор уменьшали угол поворота дроссельной заслонки. После появления автомобилей с электромеханическими системами управления дроссельной заслонкой, известных как «электронная педаль газа» или «E-Gas», например: EMS (Elektronische Motorleistungs steuerung) у фирмы Bosch, блок управления (БУ) ПБС стал просто выдавать команды на уменьшение или увеличение угла поворота дроссельной заслонки на БУ этой системы. Позднее информация с БУ ПБС стала подаваться и на блок управления двигателем. В дополнение к изменению положения дроссельной заслонки стали изменять топливоподачу и угол опережения зажигания, что позволило повысить быстродействие исполнения команды ПБС на управление двигателем.
В современных системах обмен информацией между блоками управления осуществляется по высокоскоростным каналам обмена данных (как, например, CAN-Controller Area Network фирмы Bosch), и информация с ПБС используется в системе управления двигателем для адаптации его работы к дорожным условиям. Пока ведущие колеса автомобиля способны реализовывать подводимый крутящий момент, система управления двигателем выполняет желание водителя, задаваемое нажатием на педаль акселератора. Но если возникает избыток крутящего момента, то управление двигателем осуществляется по сигналу с ПБС. Таким образом, осуществляется управление двигателем с обратной связью по состоянию дорожного покрытия (сцеплению ведущих колес с дорогой).
Датчики ПБС аналогичны датчикам АБС, только минимальная измеряемая скорость составляет 2-3 км/час вместо 5 км/час. Электромагнитные клапаны АБС используются и в ПБС для модулирования давления тормозной жидкости в тормозных камерах ведущих колес.
Микропроцессорный блок управления ПБС создан на базе аналогичного узла АБС и отличается увеличенным объемом памяти для размещения дополнительной программы, выполняющей управление функциями ПБС и диагностику ее компонентов, а также наличием усилителей мощности для управления дополнительными исполнительными механизмами.
Обычно функцию ПБС можно отключить простым выключателем, что позволяет водителю порезвиться, проходя повороты с боковым скольжением ведущей оси. При этом функция АБС сохраняется. На панели приборов, кроме красной сигнальной лампы «Неисправность», имеются еще две дополнительные оранжевые сигнальные лампы. Одна информирует водителя, что ПБС участвует в управлении автомобилем, а другая горит, когда функция ПБС отключена.
Первой производство ПБС начала в 1986 году фирма Bosch. За основу была взята ABS2, которая, в дополнение к четырем датчикам скорости вращения колес, гидроагрегата АБС и модернизированного БУ, имела устройство управления дроссельной заслонкой двигателя и еще три гидравлических узла: гидроагрегат ПБС, гидронасос и гидроаккумулятор. Получившаяся ASR2-DКВ была сложной для монтажа, имела слишком много отдельных гидравлических узлов и соединяющих их трубок, а следовательно, и соответствующую цену и применялась только на дорогих автомобилях.
После появления ABS5 на его базе была разработана ASR5. Особенность этой ПБС - единый гидроагрегат, выполняющий как функцию АБС, так и функцию ПБС.
Рассмотрим работу двухконтурного гидравлического тормозного привода с диагональным разделением контуров переднеприводного автомобиля (см. схему), оборудованного ASR5. Гидроагрегат 2 состоит из двух одинаковых контуров. Каждый контур содержит нормально закрытый питающий клапан 3, нормально открытый переключающий клапан 4, демпфер 5, насос 7, гидроаккумулятор 8, два нормально открытых впускных клапана 9 и два нормально закрытых выпускных клапана 10. Электродвигатель насосов 6 - общий для обоих контуров. Демпферы, снижая пульсации тормозной жидкости, уменьшают вибрацию педали тормоза. В исходном состоянии все клапаны и электродвигатель обесточены. При рабочем торможении тормозная жидкость из главного цилиндра 1 через впускные клапаны 9 поступает в тормозные камеры задних ведомых колес, а через переключающие 4 и впускные 9 клапаны - в тормозные камеры передних ведущих колес, и тем же путем возвращается назад. При экстренном торможении, когда необходимо вмешательство АБС, питающий 3 и переключающий 4 клапаны остаются обесточенными, а включаются в работу впускные 9 и выпускные 10 клапаны соответствующего колеса (или колес) и электродвигатель насосов для регулирования давления жидкости в тормозной камере этого колеса (или колес). При движении автомобиля, когда выявляется необходимость притормозить, например, левое ведущее колесо, на электромагниты питающего 3 и переключающего 4 клапанов его контура (на рисунке этот контур изображен слева), а также на электродвигатель насосов подается постоянное напряжение. В результате тормозная жидкость из бачка через главный тормозной цилиндр и сработавший питающий клапан 3 поступает к насосу 7, который и создает давление тормозной жидкости. Сработавший переключающий клапан 4 отсоединяет выход насоса и демпфер 5 от главного тормозного цилиндра. Управляя впускным 9 и выпускным 10 клапанами переднего левого колеса, БУ регулирует давление жидкости в его тормозной камере и, соответственно, тормозной момент, прикладываемый к колесу. Точно так же притормаживается ведущее колесо другого тормозного контура (переднее правое).
Интересную конструкцию ПБС предложила фирма Lucas. Здесь давление тормозной жидкости создает вакуумный усилитель. Для этого он дополняется электромагнитным клапаном, который при срабатывании соединяет рабочую полость усилителя с атмосферой. При торможении усилитель работает как обычно. При движении для автоматического притормаживания ведущего колеса на электромагнит клапана подается напряжение, клапан срабатывает, и между рабочей и вакуумной полостями усилителя возникает перепад давлений. Мембрана и шток усилителя перемещаются самостоятельно, без участия тормозной педали, и воздействуют на поршень главного тормозного цилиндра. Одновременно БУ, выдавая команды на гидроагрегат АБС, отключает тормозные камеры ведомых колес, включает электродвигатель гидронасосов и регулирует давление жидкости в тормозных камерах ведущих колес. Такая простота системы благоприятно отражается и на ее цене.
Опыт эксплуатации автомобилей, оборудованных ПБС, подтверждает существенное увеличение тягового усилия на поверхностях с разнородным коэффициентом сцепления и улучшение курсовой устойчивости при движении на скользких дорогах.
|
