Если рассматривать ESC как систему более высокого уровня, «центральную систему», то антиблокировочная система ABS является первоисточником, из которого развились все остальные системы контроля сцепления с дорогой. Первые электронные системы ABS были представлены в 1969 году.
Принцип работы системы ABS заключается в ограничении давления в тормозной системе настолько, чтобы через пятно контакта всё ещё могли передаваться боковые направляющие усилия.
При экстренном торможении одно из колёс (или несколько колёс) будут начинать блокироваться раньше, чем остальные, поскольку трение между шиной и дорожным покрытием зависит от множества причин и постоянно изменяется. При блокировании одного из колёс говорят также о 100% проскальзывании. При этом заблокированное колесо скользит по дорожному покрытию, примерно как ластик при стирании скользит по поверхности бумаги. С исчезновением между шиной и дорогой трения сцепления (трения покоя) колёса теряют возможность передавать боковые усилия, удерживающие автомобиль на курсе его движения. Автомобиль теряет управляемость, и малейшее случайное боковое усилие приводит к его заносу (рис.5.2.27).
Рисунок 5.2.27 – Экстренное торможение автомобиля без ABS
Только появление первых практически применимых систем ABS дало возможность эффективно предотвращать такое развитие опасных ситуаций. ABS повышает курсовую устойчивость автомобиля тем, что не допускает блокировки колёс. Она уменьшает давление в тормозах соответствующих колёс до тех пор, пока между шиной и покрытием не восстановится трение покоя, при котором возможна передача максимального тормозящего усилия. При этом восстанавливается возможность колеса воспринимать боковые усилия, т.е. сохраняется управляемость автомобиля (рис.5.2.28).
Рисунок 5.2.28 – Экстренное торможение автомобиля с ABS
Поскольку свойства дорожного покрытия в пределах тормозного пути могут меняться, система должна быть в состоянии не только удерживать заданное давление, но и при необходимости довольно быстро уменьшать или увеличивать его (см. пример далее, рис.5.2.29).
Рисунок 5.2.29 – График изменения давления в тормозной системе в зависимости от коэффициента сцепления колес с дорогой
Водитель начинает торможение на мокром дорожном покрытии (отрезок 1). Заданное им тормозное давление (степень нажатия педали тормоза) привело бы в этих условиях к блокированию колёс. ABS ограничивает тормозное давление до необходимого значения и поддерживает его на этом уровне, пока свойства дорожного покрытия не изменятся (отрезок 2). Затем мокрый участок дороги сменяется сухим, в результате чего тормозное давление снова можно начать повышать (отрезок 3). После увеличения значение давления снова ограничивается на новом, более высоком уровне (отрезок 4). Когда колёса снова попадают на мокрый участок, давление должно быть снижено до уровня, при котором они не будут блокироваться (отрезок 5).
Цель такого алгоритма регулирования — обеспечить минимальный тормозной путь, который возможен только при безусловном сохранении управляемости автомобиля.
На примере автомобиля Audi Q5 будут коротко описаны все основные компоненты системы, которые требуются для реализации функций различных систем, рассматриваемых далее.
Компоненты, необходимые для реализации самой функции ABS, выделены синим цветом (рис.5.2.30).
Рисунок 5.2.30 – Расположение компонентов ABS на автомобиле
Реализация необходимого тормозного давления осуществляется с помощью трёх следующих основных функций:
• поддержания тормозного давления постоянным на текущем уровне;
• уменьшения текущего тормозного давления;
• увеличения текущего тормозного давления.
Для повышения безопасности автомобиля гидропривод тормозов выполняется двухконтурным. Неисправность одного из компонентов приводит к отказу только одного из контуров, автомобиль при этом может быть остановлен с помощью другого контура.
Тормозные механизмы можно разделить на контуры по осям (контур передних и контур задних колёс) или по диагонали (контур левого переднего/правого заднего колеса и контур правого переднего/левого заднего колеса). Как правило, применяется диагональная схема разделения контуров.
В гидравлическом блоке объединены все гидравлические компоненты, требующиеся для реализации функций увеличения давления, поддержания давления и уменьшения давления. Это, прежде всего, электромагнитные клапаны, а также насос обратной подачи с его электрическим приводом.
Помимо этого, в гидравлическом блоке имеются аккумуляторы давления, различные внутренние каналы и обратные клапаны. Для регистрации фактического тормозного давления внутри блока устанавливается также как минимум один (больше в зависимости от комплектации) датчик давления в тормозной системе.
Каждому тормозному цилиндру в пределах его контура соответствует один впускной и один выпускной клапан ABS. Тем самым тормозной механизм каждого колеса может управляться независимо от остальных.
Схема гидравлических контуров ABS представлена на рисунке 5.2.31.
Рисунок 5.2.31 – Схема гидравлических контуров ABS
В отличие от системы ESP, для включения системы ABS необходимо, чтобы водитель нажал на педаль тормоза. Система не приводится в действие самостоятельно.
При торможении (рис.5.2.32) блок управления ABS на основании частот вращения колес вычисляет скорость автомобиля. Затем он сравнивает частоты вращения отдельных колес со скоростью автомобиля и вычисляет значения тормозного проскальзывания.
Рисунок 5.2.32 – Работа ABS при нажатии педали тормоза водителем
При возникновении опасности блокирования одного или нескольких колёс ABS предотвращает дальнейшее увеличение давления в соответствующих тормозных цилиндрах.
Субъективно водитель воспринимает срабатывание ABS как лёгкое пульсирование педали тормоза. Эти пульсации возникают вследствие изменения давления в гидравлическом контуре при работе ABS. Автомобиль сохраняет управляемость, поскольку ABS предотвращает блокирование отдельных колёс. Отключить функцию ABS вручную нельзя.
Когда блок управления ABS распознаёт опасность блокирования одного из колёс, он отдаёт команду закрыть впускной клапан ABS этого колеса, оставляя при этом выпускной клапан ABS закрытым. Тем самым давление в соответствующем тормозном цилиндре удерживается на достигнутом уровне и не увеличивается при дальнейшем усилении нажатия на педаль тормоза (рис.5.2.33).
Рисунок 5.2.33 – Работа ABS в режиме удержания
Если колесо продолжает демонстрировать склонность к блокированию, блок управления открывает соответствующий выпускной клапан ABS, оставляя при этом впускной клапан закрытым (рис.5.2.34).
Рисунок 5.2.34 – Работа ABS в режиме сброса давления
Тормозная жидкость перетекает в аккумулятор давления, и давление в тормозном цилиндре падает. Тем самым вращение колеса может снова ускориться.
Если объём аккумулятора оказывается недостаточным для того, чтобы устранить склонность колеса к блокированию, блок управления ABS включает насос обратной подачи, который, преодолевая давление, созданное нажатием педали водителем, перекачивает тормозную жидкость в компенсационный бачок. При этом водитель ощущает пульсацию педали тормоза.
Как только угловая скорость колеса превышает определённое значение, блок управления закрывает выпускной клапан ABS и открывает впускной (рис.5.2.35). Насос обратной подачи при необходимости продолжает работать.
Рисунок 5.2.35 – Работа ABS в режиме увеличения давления
Как только вновь будет достигнуто давление, при котором возникнет опасность блокирования колеса, цикл «удержание давления» — «сброс давления» — «увеличение давления» повторяется снова, и так до тех пор, пока торможение не будет завершено, или пока сравнение угловых скоростей колёс не покажет, что опасности блокирования больше нет.
Эти функции включаются короткими импульсами, продолжительность которых измеряется в миллисекундах. На графике (рис.5.2.37) показан пример возможной последовательности таких импульсов.
Рисунок 5.2.37 – График работы системы ABS
Рассчитанное блоком управления ABS значение мгновенной скорости автомобиля предоставляется другим пользователям/системам автомобиля в виде выходного сигнала. Система ABS рассчитывает скорость автомобиля с высокой точностью, поэтому на основании этого сигнала отображается также скорость на спидометре в комбинации приборов.
В соответствующих случаях блок управления ABS передаёт в блок управления двигателя сигнал «плохой» дороги.
Блок управления использует сигналы датчиков детонации для регистрации пропусков воспламенения и вызванной этими пропусками неравномерной работы двигателя. На плохих дорогах неравномерности в работе двигателя могут быть вызваны также передачей импульсов (сил) с неровностей дорожного полотна на ведущие колеса. Блок управления ABS распознаёт участки дороги с плохим покрытием, анализируя сигналы датчиков частоты вращения колёс, и передаёт эту информацию в блок управления двигателя. Таким образом, блок управления двигателя «знает», что неравномерности работы вызваны внешними факторами, и не предпринимает попыток отрегулировать работу двигателя для их устранения.