Тормоза с системой АБС на СУБАРУ
Антиблокировочная система тормозов на Субару АБС, друг или враг? Немного теории и практики История создания и развития, теория и практика Факты и заблуждения, достоинства и недостатки Полигонные испытания ABS Bosch на Subaru Impreza
Известно, что по законам физики коэффициент сцепления между шиной и поверхностью дороги у вращающегося колеса выше, чем у колеса, находящегося в заблокированном состоянии. Т.е. наиболее эффективное торможение происходит на грани блокировки колёс, для чего на покрытиях с низким коэффициентом сцепления необходимо точно дозировать усилие на педали тормоза – чуть передавишь - колеса заблокируются - торможение станет неэффективным, не додавишь – не сможешь реализовать максимальное тормозное усилие. Но торможение на грани блокировки – задача непростая, особенно учитывая, что оптимальное тормозное усилие для сухого асфальта и для голого льда отличается на порядок, даже водителю-эксперту потребуется провести серию торможений, прежде чем «поймать» момент блокировки и оптимальное усилие.
Также важно помнить, что при заблокированных передних колёсах автомобиль становится почти неуправляемым, что особенно критично для случаев, когда в процессе торможения необходимо объехать препятствие и при торможении в повороте, а при заблокированных задних колесах резко теряется курсовая устойчивость – автомобиль начинает разворачивать. Исправить положение в таком случае можно только одним методом – приотпустить педаль тормоза, «поймать» машину и затормозить снова, что в критической ситуации психологически не просто и опытному то водителю, а уж тем более начинающему. В аварийной ситуации одновременно точно дозировать тормозное усилие на педали тормоза, корректировать направление движения автомобиля и бороться с возникающим разворачивающим моментом – задача крайне сложная, требующая длительных тренировок и опыта.
Именно эти причины привели к созданию такой активной системы безопасности, как антиблокировочная система тормозов / antilock brake system (АБС / ABS). Основной задачей АБС является предотвращение дорожно-транспортного происшествия (ДТП) посредством обеспечения управляемости и устойчивости автомобиля при торможении, особенно на поверхностях с низким и неоднородным («переход», «микст») коэффициентом сцепления, используя алгоритм автоматического регулирования давления в тормозных механизмах заблокированных (проскальзывающих) колёс.
Первая электронная система АБС была разработана компанией Бош / Bosch в конце 70-х годов ХХ века и была представлена в 1982 г. в качестве опционального оборудования на автомобилях Мерседес S-Klasse компании Daimler. Очень скоро АБС появилась и на моделях других автопроизводителей, прежде всего, конечно же, в преимуим сегменте – как и любой инновационный продукт, ABS была относительно дорогой системой.
Сначала система АБС пользовалась популярностью в основном на западноевропейском рынке, где водители уже тогда всерьёз заботились о своей безопасности и были готовы за неё платить. А, например, в Америке ABS начали массово устанавливаться лишь с середины 90-х годов. Похожая ситуация была и на азиатских рынках.
С момента первого появления системы АБС сменилось несколько ее поколений – она становилась меньше по габаритным размерам и по весу, электронный блок управления (ЭБУ) стал устанавливаться на гидравлический модулятор (поначалу блок управления устанавливался отдельно), появились дополнительные функции, основной из которых является функция электронного ограничения давления в задних тормозных механизмах (Electronic Brake Distribution, EBD), оптимизировалось программное обеспечение, что позволило сделать регулирование более точным и комфортным для водителя. Но самое главное – система становилась всё более популярной, водители поняли её преимущество, и в результате увеличения объёмов производства, сама система стала намного дешевле.
Популярность АБС в странах ЕС подтвердилась тем, что в 2004 г. автопроизводители взяли на себя добровольное обязательство устанавливать систему ABS на все, поступающие на рынок Евросоюза новые автомобили с 2006 г. в независимости от их класса и стоимости. В итоге на сегодняшний день в развитых странах уровень оснащения новых автомобилей системой АБС достиг практически 100%.
В России же по данным маркетингового исследования компании Бош в 2008 г. уровень оснащения АБС составил 56%, однако для традиционных отечественных марок (ВАЗ, ГАЗ, УАЗ) эта цифра составляет лишь 17%.
Также следует отметить, что АБС согласно действующим правилам ЕЭК ООН №13 является обязательным к установке на все автобусы (класс M2 и выше), средние и тяжелые грузовики (класс N2 и выше) и большегрузные прицепы (класс О2 и выше).
Таким образом, на сегодняшний день АБС практически во всём мире становится стандартной общепризнанной системой активной безопасности, главная задача которой не допустить развитие аварийной ситуации и предотвратить ДТП.
Система АБС является базовой системой активной безопасности, на основе которой были в дальнейшем разработаны противобуксовочная система (Traction Control System / TCS) и электронная система динамической стабилизации (Electronic Stability System / ESP), также известная как Electronic Stability Control (ESC).
Тип устанавливаемой АБС соответствует типу тормозной системы и имеет соответствующие различия для пневматической и гидравлической тормозной системы, как по конструкции, так и по принципу действия. Главное отличие в том, что контур регулирования гидравлической АБС является замкнутым, а у пневматической лишний воздух просто стравливается наружу. В данной статье мы рассмотрим гидравлическую систему, устанавливаемую на подавляющее большинство легковых и лёгких коммерческих автомобилей, а также грузовиков до 15 тонн.
Стандартная система АБС состоит из двух основных элементов:
- Гидравлический модулятор
- Датчик скорости вращения колеса (по одному на колесо)
и одного опционального элемента:
- Датчик ускорения (для полноприводных автомобилей)
Гидроагрегат имеет два входа с обоих контуров главного тормозного цилиндра и три или четыре выхода для регулирования давления в колёсных тормозных механизмах. АБС бывает трёх или четырёх канальной в соответствии с количеством выходов. На заре АБС были также двухканальные системы, по одному на каждый контур, а также распространённые в США на лёгких грузовиках и микроавтобусах системы, работающие только на тормозных механизмах задней оси, но сегодня такие схемы уже не встречаются. Также встречались системы ГА без электромотора.
В трёхканальной системе регулирование происходит по отдельному каналу для каждого из передних колёс, а для задней оси отведен третий общий канал, который в зависимости от настроек системы работает по принципу Select High (высокопороговое регулирование) или Select Low (низкопороговое), т.е. при регулировании давления система руководствуется состоянием колеса, которые имеет наилучшее (Select High) или наихудшее (Select Low) сцепление с поверхностью дороги соответственно. На сегодняшний день трёхканальные системы ещё находятся в серийном производстве, но уже практически не применяются на новых моделях.
В четырёхканальной системе на каждое колесо приходится по независимому каналу регулирования. Именно такие системы сегодня устанавливаются на автомобили в подавляющем числе случаев.
Датчики скорости колес устанавливаются сегодня на каждом колесе с целью получения информации о скорости вращения любого из колёс. Ушли в прошлое варианты конструкции, когда для задних колёс датчик устанавливался в редукторе заднего моста и системы всего с двумя датчиками - для двухканальных систем это было достаточно.
По принципу действия датчики скорости колес подразделяются на пассивные (практически вышедшие из серийного производства) и активные. От них в блок управления АБС приходят сигналы, на основании которых рассчитывается так называемая «справочная» скорость автомобиля, которая используется программным обеспечением АБС для правильного регулирования. Пассивные датчики передают в блок управления синусоиду напряжения, а активные «управляются по току», что позволяет более точно определять скорость вращения колеса.
Колёсный датчик работает по принципу датчика Холла, для его работы необходимо создание электромагнитного поля. Реализация этого возможна в двух вариантах – либо в датчик помимо самого чувствительного элемента встроен магнит, тогда в качестве «ответной» вращающейся части чаще всего используется зубчатый ротор, либо магнит в датчике отсутствует, но в этом случае магниты переменной полярности через один должны быть интегрированы во вращающийся элемент колёсной ступицы.
Датчик ускорения. Этот элемент используется при установке АБС на полноприводные автомобили и используется для поддержки расчёта «справочной» скорости на поверхностях с низким коэффициентом сцепления в случае одновременной пробуксовки всех четырёх ведущих колёс. Датчик ускорения может быть как внешним, устанавливаемым отдельно от ГА, так и встроенным в блок управления современных поколений АБС. Датчик ускорения передаёт напряжение, которое пересчитывается в ускорение или замедление автомобиля. В последнее время от датчика ускорения всё чаще отказываются, заменяя его специальными программными алгоритмами ПО АБС.
ABS работает в замкнутом цикле. Непрерывно получая сигналы с датчиков вращения колёс в ЭБУ, система по специальным алгоритмам рассчитывает справочную скорость движения автомобиля. Водитель нажимает на педаль тормоза, давление в тормозной системе повышается. До определённого момента наличие АБС в автомобиле незаметно для водителя. Если появляется необходимость к вмешательству со стороны ABS, тогда ЭБУ передаёт управляющие команды на клапана АБС, которые в свою очередь обеспечивают необходимые действия по фиксации или сбросу давления.
В случае, когда система распознаёт ситуацию, при которой дальнейшее нарастание давления может привести к блокировке колёс, впускной клапан закрывается, давление в колёсном тормозном цилиндре остаётся неизменным. Если же скорость вращения колеса падает ниже определённого значения относительно справочной скорости движения автомобиля, наступает третья фаза регулирования – сброс давления. В этой фазе открывается выпускной клапан, тормозная жидкость идёт по обратному каналу в главный тормозной цилиндр (ГТЦ), а оттуда в расширительный бачок. Давление в тормозном цилиндре падает, колесо разблокируется и раскручивается, после чего система переходит снова к первой фазе подъёма давления. Затем всё повторяется циклично до порогового значения минимальной скорости срабатывания системы (обычно 5-7 км/ч), либо до того момента, когда системе больше не надо вступать в действие (водитель уменьшил давление на педали, машина выехала на покрытие с высоким коэффициентом сцепления и т.п.).
Помимо своей главной функции предотвращать блокировку колёс при торможении, с помощью АБС можно реализовать несколько дополнительных функций. Конечно, возможности АБС для реализации дополнительных функций сильно ограничены тем, что система может активно только сбрасывать давление. Основные дополнительные функции:
Electronic Brake force Distribution – электронный регулятор тормозных усилий. Как отмечалось выше, данная функция заменяет механический регулятор давления в задней оси. При этом такое регулирование получается более интеллектуальным т.к. при прямолинейном движении система ограничивает давление в задних колёсных цилиндрах по «низкопороговому» принципу, а в повороте индивидуально управляет давлением в тормозных механизмах внутренних разгруженных колёс.
MSR – на покрытиях с низким коэффициентом сцепления при высоких оборотах двигателя и низкой скорости автомобиля возможна ситуация, когда крутящий момент двигателя через трансмиссию, особенно с большими передаточными числами и включенным демультипликатором, может привести к блокировке ведущих колёс либо снижению их скорости ниже оптимальной в случаях, когда водитель резко отпускает педаль газа. Для предотвращения такой блокировки была разработана функция MSR, которая кратковременно увеличивает режим работы двигателя и обеспечивает раскрутку ведущих колёс до оптимальных значений. Для реализации данной функции необходимо наличие связи между ЭБУ АБС и двигателя, что на сегодняшний день реализовывается чаще всего по шине CAN.
Tire Pressure Monitor (TPM) – обладая информацией о скорости вращения каждого колеса, система АБС может косвенным методом определить ситуацию, когда одно или несколько колёс потеряли давления – они начинают вращаться быстрее. Однако в связи с тем, что для этого необходимо, чтобы автомобиль проехал некоторое расстояние, а перспективные требования законодательства требуют распознавания отклонения давления даже на стоящей машины, эта функция не получила широкого распространения.
Любая сложная система перед фазой серийной установки на автомобиль проходит процесс адаптации, в течение которого базовые параметры компонентов и программного обеспечения настраиваются под конкретную модель автомобиля.
В случае c АБС в процессе адаптации подбираются датчики с необходимой формой чувствительного элемента, длиной и типом выхода кабеля (радиальный или осевой), параметры ГА – размер мотора (зависит от размера тормозных механизмов – чем больше тормоза, тем больше мотор), клапанов (иногда клапана задних колёс даже дросселируются), компенсационных камер, схемы подключения тормозных трубок, тип блока управления, включая его «распиновку».
При адаптации на автомобиль устанавливается специальное диагностическое оборудование, дополнительные датчики давления на ГТЦ и каждый тормозной цилиндр, датчики температуры тормозных механизмов, датчики продольного и поперечного ускорения и многое другое. Вся эта информация необходима в процессе определения параметров ПО.
Сама адаптация чаще всего проходит в три этапа. Первый «летний» этап проводится после установки адаптационного оборудования на покрытиях с высоким коэффициентом сцепления. На этом этапе происходит первоначальная настройка параметров АБС. Конечно, ABS испытывается не только на асфальте, но и на искусственных покрытиях с низким коэффициентом сцепления (мокрый базальт), на «миксте» и т.п.
Второй «зимний» этап адаптации АБС проводится в условиях естественных покрытий с низким коэффициентом сцепления. Как правило, такие испытания в Европе проводятся в районе полярного круга на замёрзших озёрах. Во время зимних испытаний проводится точная настройка параметров ABS.
Третий «летний» этап отчасти повторяет первый, но направлен на верификацию настроек АБС в «летнем» режиме после «прицельных» зимних испытаний. После окончания основной части адаптации, система проходит полный цикл верификации согласно специальной методике – водитель-испытатель «откатывает» специальный каталог маневров, после чего программное обеспечение «замораживается», проходит ещё одну верификацию в лаборатории и отправляется на завод для изготовления серийной продукции.
Также в процессе адаптации конфигурируется диагностический протокол, присваиваются серийные номера компонентам, создаются чертежи для заказчика и для завода. Регулярно проводится контроль качества выполняемого процесса адаптации.
Следует отметить, что очень часто один и тот же гидроагрегат используется с несколькими наборами параметров (седан / универсал / полноприводная версия). В конце сборочной линии автопроизводитель производит операцию кодирования, указывая, какой набор параметров должен использоваться для работы. В итоге под одним и тем же номером могут оказаться разные по настройкам системы. Это крайне важно, если вы хотите установить себе на машину б/у гидроагрегат АБС от другой модели, но с таким же номером. Лучше выяснить на станции техобслуживания, подойдёт ли он вам, или требуется операция перекодирования.
Также не стоит забывать, что в запчасти блок ГА поставляется уже заполненный тормозной жидкостью, а на конвейер идёт его «сухой» вариант (серийные номера различаются) – оборудование для заполнения системы на конвейере с предварительным вакуумированием тормозной системы не переносит тормозной жидкости. Сами процедуры «прокачки тормозов» в условиях конвейера и в автосервисе тоже различаются.
В теории всё выглядит замечательно – электронная система в автоматическом режиме помогает водителю тормозить на гране блокировки, при этом автомобиль остаётся управляемым и устойчивым. А что же происходит в реальной жизни? Почему многие автолюбители не любят АБС и стараются её отключить всеми возможными способами, вспоминая, что на заре ABS в автомобилях даже была штатная кнопка для отключения системы? Однозначного ответа на этот вопрос нет. Некоторым не нравятся ощущения вибрации на педали, им кажется, что машина из-за этого хуже тормозит, другие считают, что они смогут лучше затормозить сами на грани блокировки или будут нажимать на педаль тормоза на скользкой дороге прерывисто, как их давно учили в автошколе, третьи просто не доверяют электронике в автомобиле. На самом деле в большинстве случаев обычный водитель с АБС затормозит безопаснее – автомобиль будет устойчив и управляем, останется возможность объехать препятствие.
Следует отметить, что на рыхлых поверхностях таких, как песок, снег, гравий, тормозной путь с АБС действительно сильно удлиняется – это объясняется тем, что заблокированные колёса «нагребают» перед собой субстанцию и замедляются более эффективно. Однако при этом сохраняется риск потери устойчивости и разворота автомобиля, кроме того на поворот рулевого колеса машина практически не реагирует.
При торможении на «миксте», когда под колесами одного борта автомобиля находится поверхность с высоким коэффициентом сцепления (асфальт), а под другим с низким (лёд или снег) тормозной путь также может увеличиться. Это связано с тем, что для сохранения устойчивости автомобиля АБС вынуждена сбрасывать давление в тормозных цилиндрах тех колёс, что имеют лучшее сцепление с дорогой. Без ABS машина остановится быстрее с точки зрения тормозного пути, но удержать её от разворота будет гораздо труднее. При этом каждый автопроизводитель регламентирует максимальный угол поворота рулевого колеса для поддержания прямолинейного движения в случаях торможения на «миксте». На машинах люкс-класса системы активного рулевого управления позволяют тормозить «агрессивнее», однако такие системы пока ещё слишком дороги.
Ещё одна проблема в предыдущих поколениях АБС заключалась в увеличении тормозного пути при торможении на ухабистых дорогах. Это связано с тем, что колесо, попадая в яму или на кочку, фактически повисая в воздухе, моментально блокируется и АБС начинает сброс давления, которое продолжается даже тогда, когда колесо уже приземлилось и нормально катится по дороге. Система не успевала распознать ситуацию и адекватно отреагировать. В новых поколениях ABS к этой проблеме относятся крайне серьёзно – получив широкое распространение в мире, система порой эксплуатируется на очень плохих покрытиях! Были разработаны специальные алгоритмы для распознания плохой дороги, во время адаптации специально проводятся испытания на булыжнике, брусчатке, иногда даже на танковых полигонах. Можно сказать, что на сегодняшний день эта проблема уже в прошлом.
Обязательно следует предупредить, что ни в коем случае нельзя отключать АБС или ездить с неисправной системой, если ABS реализует функцию EBD и механический регулятор отсутствует! В этом случае с неработающей системой задние колеса могу заблокироваться во вполне безобидной ситуации, тут же возникнет сильный разворачивающий момент, и Вы будете очень неприятно удивлены.
Для того чтобы постараться ответить на вопрос, как же лучше тормозить, с АБС или без, мы решили провести небольшой эксперимент в условиях испытательного полигона. Данный эксперимент далёк от реальных испытаний, которые проводятся во время адаптации системы – мы решили просто замерить тормозные пути при торможении с ABS и без, а также посмотреть, как будет вести себя автомобиль с точки зрения управляемости и устойчивости в обоих случаях. Торможение во всех случаях происходило «в пол» - мы посчитали, что так будет себя вести обычный водитель. Кроме того на льду ради эксперимента мы постарались также «поймать» грань блокировки колёс и затормозить с оптимальным усилием.
Это мы, экспериментаторы. Слева – Вадим (Vadimka), справа – Женя (MTU).
С целью проведения испытаний мы рано утром отправились на Дмитровский автополигон, специалисты которого любезно согласились помочь нам с замерами.