Водители хорошо знают, как трудно остановить автомобиль на скользкой дороге. Чуть перетормозил - и колеса сразу блокируются, автомобиль перестает подчиняться рулю, а то и начинает «танцевать вальс». Почему так происходит? Чтобы понять это, надо вспомнить...

Немного физики

Сцепление шины с дорогой зависит не только от качества самой шины и состояния дорожного покрытия, но и от проскальзывания колеса и определяется коэффициентом сцепления. Связь коэффициента сцепления F с проскальзыванием S изображается F(S) - диаграммой. Различают коэффициенты сцепления в продольном направлении, т.е. в плоскости вращения колеса, и в поперечном.

Коэффициент сцепления в продольном направлении Fх обеспечивает тормозную силу, а коэффициент сцепления в поперечном направлении Fy - устойчивость и управляемость автомобиля. Проскальзывание колеса может меняться от 0 при движении накатом до 1 при его блокировании. Конкретные значения максимумов коэффициентов сцепления Fх max и Fy max находятся в пределах 0,1...0,8 и определяются состоянием дороги, применяемыми шинами, нагрузкой на колесо, скоростью движения автомобиля, углом поворота колеса.

Из F(S) - диаграммы видно, что для получения минимальной длины тормозного пути необходимо поддерживать проскальзывание колеса Sm, соответствующее максимуму Fх, в то время как наибольшая величина боковой силы может быть реализована при свободно катящемся колесе (S=0). Торможение юзом, т.е. когда Vk = 0 и S=1, приводит к увеличению на 10...20% длины тормозного пути, и, что гораздо хуже, резко снижает способность колеса противостоять боковым силам, действующим на автомобиль, что и объясняет возникновение «вальсирования» при торможении на неоднородном скользком покрытии.

Оптимально было бы поддерживать давление в тормозных камерах таким, чтобы проскальзывание колеса находилось в области Q. При этом длина тормозного пути была бы близка к минимальной, а колесо еще сохраняло бы возможность противостоять боковым силам. Для этого необходимо постоянно следить за проскальзыванием колес и корректировать давление. Что, собственно, и выполняет антиблокировочная система (АБС). А опытные водители имитируют ее работу прерывистым торможением.

Как работает АБС

Конструкторы давно пытались создать АБС. Первые устройства были механическими, в которых грузики, перемещаясь под действием инерционных сил и пружин, переключали клапаны, находящиеся в гидромагистрали, обеспечивая регулирование давления тормозной жидкости. Такие конструкции из-за их малой эффективности распространения не получили. В 70-х годах стали разрабатывать АБС с использованием аналоговых электронных блоков управления. Эти системы регулировали лучше механических, но электроника той поры могла реализовать только простые алгоритмы управления, требовала трудоемкой регулировки и не отличалась стабильностью характеристик. Такие АБС пытались законодательно внедрить в США в 70-х годах, но от этого вскоре вынуждены были отказаться. И только появление микропроцессорной техники позволило решить задачу создания эффективной и надежной системы.

Впервые АБС с микропроцессорным блоком управления (БУ) поступили на рынок в 1978 году. Это была продукция фирмы «Бош» (Bosch), предназначенная для дорогих модификаций автомобилей «Мерседес» (Mercedes) и БМВ (BMW). Позднее свои варианты представили фирмы АТЕ, «Лукас» (Lucas), «Бендикс» (Bendix) и ряд других.

АБС гидравлического тормозного привода состоит из трех основных элементов: датчиков скорости вращения колес, БУ и исполнительного механизма - гидроагрегата. Каждое регулируемое колесо оснащается зубчатым ротором и индуктивным датчиком, содержащим постоянный магнит и катушку. Вращение ротора наводит в катушке датчика переменное напряжение, частота которого пропорциональна угловой скорости вращения и количеству зубцов ротора. Гидроагрегат включает в себя гидроаккумулятор, электрогидронасос и электрогидравлические клапаны. На каждое индивидуально регулируемое колесо приходится пара клапанов: нормально открытый впускной клапан и нормально закрытый выпускной клапан; посредством этих клапанов БУ может поднимать, понижать или поддерживать постоянным давление в тормозной камере.

В исходном состоянии гидроагрегата оба электромагнитных клапана и электродвигатель гидронасоса обесточены. Тормозная камера соединена с главным тормозным цилиндром через открытый впускной клапан; при этом выпускной клапан закрыт. При рабочем торможении (без блокирования колеса) тормозная жидкость без ограничения поступает из главного цилиндра в тормозную камеру и давление жидкости в цилиндре и в камере одинаково и пропорционально степени нажатия на тормозную педаль. Следовательно, в этом случае АБС на работу тормозной системы не влияет. При экстренном торможении (с возможностью блокирования колеса) при выявлении склонности колеса к блокированию БУ выдает электрические сигналы одновременно на электромагниты обоих клапанов, и они срабатывают. При этом впускной клапан отсоединяет тормозную камеру от главного тормозного цилиндра, а выпускной соединяет ее с гидроаккумулятором, что приводит к сбросу части давления. Одновременно БУ включает двигатель гидронасоса, чтобы возвратить жидкость из гидроаккумулятора в главный тормозной цилиндр. Давление в тормозной камере продолжает понижаться. Когда опасность блокирования колеса исчезает, БУ снимает напряжение с выпускного клапана, и он закрывается. При этом тормозная камера оказывается отсоединенной и от главного цилиндра, и от гидроаккумулятора, а давление в камере становится постоянным и меньшим, чем в главном тормозном цилиндре. Когда колесо раскрутится, БУ снимает напряжение с впускного клапана, который открывается и вновь соединяет тормозную камеру с главным тормозным цилиндром. Давление в камере начинает возрастать, уравниваясь с давлением в главном цилиндре. На этом заканчивается цикл работы АБС. Если колесо вновь проявит стремление к блокированию, то начнется следующий цикл работы. И так будет повторяться до остановки автомобиля. Частота работы системы 5-10 герц. Слышен характерный треск работающих клапанов, а на педали тормоза ощущается вибрация. При работе АБС среднее давление в тормозной камере не зависит от степени нажатия на педаль тормоза, а определяется БУ в соответствии с состоянием дорожного покрытия.

Из чего состоит АБС

Основными узлами БУ являются входные согласующие усилители-формирователи, выходные усилители мощности, микропроцессорный вычислитель (обычно - однокристальная микроЭВМ), диагностический интерфейс и вторичный источник питания (ВИП). Входные усилители обеспечивают фильтрацию и усиление квазисинусоидальных сигналов, поступающих от датчиков, и формирование из них импульсных последовательностей, пригодных для дальнейшей обработки в микропроцессоре (МП). Выходные усилители преобразовывают слабые сигналы МП в мощные команды, управляющие гидроагрегатом. Диагностический интерфейс служит для подключения диагностической аппаратуры - сканера. ВИП обеспечивает стабильным питанием БУ.

МП выполняет обработку входных сигналов и формирование управляющих команд в соответствии с заложенным программным обеспечением (ПО). ПО содержит программы управления и диагностики.

Как программа управления определяет начало блокирования колеса?

По сигналам датчика вычисляются мгновенная скорость и ускорение колеса. Пока колесо в процессе торможения находится в устойчивой зоне, т.е. с проскальзыванием от 0 до Sm, его замедление невелико и близко к замедлению автомобиля. Прирост тормозного давления компенсируется приростом проскальзывания, и равновесие сохраняется. Но стоит колесу преодолеть максимальную величину коэффициента сцепления, как оно попадает в неустойчивую зону, где прирост тормозного давления уже не компенсируется приростом проскальзывания, равновесие нарушается, и колесо стремится к блокированному состоянию. Происходит резкий рост замедления, и в какой-то момент оно превышает заложенное в ПО пороговое значение (точка 1 на графике ускорения колеса). Это и есть критерий склонности колеса к блокированию. Именно здесь МП выдает сигнал на сброс давления из тормозной камеры. Из-за запаздывания и гистерезиса тормозного привода замедление колеса еще некоторое время продолжает увеличиваться, достигает максимальной величины и начинает уменьшаться. В точке 2 происходит преодоление второго заложенного в ПО порогового значения - опасность блокирования колеса преодолена - пора прекратить сброс давления. Критерий - наличие максимума замедления и преодоление порога. Теперь давление в тормозной камере необходимо поддерживать постоянным. Колесо перестает замедляться и начинает раскручиваться. Ускорение колеса растет, достигает максимального значения и начинает уменьшаться. В точке 3 пересекается третье пороговое значение - колесо раскрутилось и можно поднимать давление. Цикл работы АБС заканчивается.

Для обеспечения безопасности применения АБС имеется программа диагностики, которая постоянно контролирует всю систему: датчики, гидроагрегат, электронику и соединительные провода. Если в процессе диагностирования обнаруживается неисправность, она классифицируется, и в зависимости от возможных последствий неисправности происходит отключение управления одного или двух колес, или полное отключение системы, а на панели приборов загорается красная сигнальная лампа, информирующая водителя о наличии неисправности. При этом тормозная система сохраняет работоспособность, а отключается только антиблокировочная функция. Выявленная неисправность кодируется и записывается в энергонезависимую память, где сохраняется даже при выключении электропитания и откуда может быть считана сканером.

В полной конфигурации АБС содержит четыре датчика и четыре пары клапанов, что позволяет индивидуально воздействовать на каждое колесо для достижения максимальной эффективности торможения и позволяет сохранить диагональное разделение тормозного привода. Понятно, - такая конфигурация и самая дорогая. Такие системы называются 4-х канальными.

Для снижения стоимости применяется 3-х канальное построение, когда оба задних колеса управляются одной парой клапанов, а датчиков может быть четыре (в каждом колесе), или три - тогда датчик устанавливается на главной передаче. Снижение эффективности торможения при этом незначительно, т.к. основной вклад вносят индивидуально регулируемые передние колеса.

Но бывают и 2-х канальные и даже одноканальные системы. Двухканальную АБС выпускала фирма «Лукас». Каждый канал управлял одним передним и одним диагонально расположенным задним колесом по сигналу с датчика, установленного в переднем колесе. И, конечно, кроме дешевизны, других преимуществ у такой АБС не было. А в США на пикапах и легких грузовиках нашла применение одноканальная система фирмы «Келси-Хейс» (Kelsey-Hayes). Единственный датчик этой АБС располагается на главной передаче, и управление обеспечивается только для колес заднего моста. Считается, что блокирование колес заднего моста более опасно, чем блокирование колес переднего моста, кроме того, вклад задних колес в торможение у грузовиков больше, чем у легковых автомобилей.

Некоторые фирмы, например «Бош», вместо пары двухходовых клапанов применяют один трехходовой, который обеспечивает точно такое же трехфазовое регулирование: подъем, сброс и выдержку давления.

Впрочем - это уже технологические особенности и не более того.