Управление тормозными системами

Для повышения эффективности управления тормозными системами применяются регуляторы тормозных сил и антиблокировочные системы (АБС) различного исполнения.

Минимальный тормозной путь (максимальная эффективность тормозной системы) может быть получен при максимально возможных (по условиям сцепления колес и дорожного покрытия) тормозных силах на всех колесах. Однако стремление повысить тормозные усилия часто приводит к «перетормаживанию» задних колес, что часто и является причиной заноса автомобиля. Отсюда возникает необходимость регулирования тормозных сил, которое производится регуляторами, устанавливаемыми в тормозных контурах задних, а иногда и передних колес.

Существующие регуляторы тормозных сил можно разделить на статические и динамические.

Статические регуляторы ограничивают давление в той ветви тормозного привода, в которой они установлены, только в зависимости от командного давления, т. е. от давления жидкости, создаваемого при нажатии на педаль тормоза. Они могут иметь клапан-ограничитель давления (отсечной клапан) или пропорциональный клапан.

Регулятор с клапаном-ограничителем устанавливается в приводе тормозов передних колес некоторых автомобилей для сохранения управляемости на дорогах с низким коэффициентом сцепления между дорогой и колесом. Он предохраняет передние колеса от блокировки при служебном торможении.

Регулятор с пропорциональным клапаном устанавливается в приводе торможения задних колес и хорошо выполняет свои функции при груженом автомобиле. Однако при ненагруженном автомобиле использование этого регулятора приводит к «перетормаживанию» задних колес, в связи с чем такие регуляторы можно применять только на автомобилях, у которых нагрузка в процессе эксплуатации меняется незначительно.

Динамические регуляторы могут быть трех типов: с отсечным клапаном, с пропорциональным клапаном и лучевые.

Регуляторы с отсечным клапаном не получили широкого распространения, т. к. их использование приводит к плохому использованию сцепных свойств задних колес, что снижает эффективность торможения.

Регуляторы с пропорциональным клапаном широко применяются на легковых автомобилях с гидроприводом тормозов (например, автомобили семейства ВАЗ). Эти регуляторы отличаются от статических регуляторов с пропорциональным клапаном наличием упругой связи между дифференциальным поршнем, который управляет потоками в регулируемой тормозной ветви, и задним мостом автомобиля. Вертикальное изменение положения кузова приводит к изменению положения дифференциального поршня и, соответственно, к изменению тормозного усилия (рис. 1).

При не нажатой педали тормоза дифференциальный поршень под действием пружины 3 находится в крайнем верхнем положении и своим упором 8 прижат к выступу 9 крышки 7. Плечо 1 привода регулятора всегда прижато к нижнему торцу дифференциального поршня 15 под действием сил собственной упругости элементов привода. Положение, которое это плечо стремится занять, соответствует положению заднего моста относительно задней части кузова автомобиля, на которой закреплен регулятор.

Если задняя часть кузова поднимается (т.е. задний мост относительно нее опускается), то плечо 1 также опускается и наоборот. В данном положении дифференциального поршня (автомобиль стоит горизонтально) отверстия 4 и 11 соединены, а в обеих полостях 10 и 14 избыточное давление тормозной жидкости отсутствует, т.к. педаль тормоза не нажата.

В начальный момент торможения автомобиля нагрузка на переднюю подвеску возрастает, а на заднюю ‑ уменьшается. Задняя часть кузова приподнимается (задний мост как бы уходит вниз), что приводит к опусканию плеча 1. Кроме того, давление в тормозной системе увеличивается, увеличивается и давление в полостях 10 и 14. В связи с тем, что на выступающий наружу шток дифференциального поршня 15 действует атмосферное давление, на поршне возникает перепад давления и соответствующее ему усилие, которое превышает силу пружины 3. Поэтому поршень, сжимая пружину 3, начинает перемещаться вниз вслед за плечом рычага 1, зазор 12 между клапаном 6 и седлом 5 уменьшается, что сдерживает поступление тормозной жидкости к отверстию 11, и способствует прекращению роста давления в приводе задних тормозов (рис. 1б).

В момент полного торможения (рис. 1в) происходит максимальный подъем задней части кузова и еще большее опускание плеча 1 рычага привода регулятора и дифференциального поршня 15. Это приводит к полной отсечке клапаном 6 рабочих тормозных цилиндров задних колес от главного тормозного цилиндра и прекращению увеличения в них давления тормозной жидкости, что делает возможным не допустить блокировку задних колес.

Положение плеча 1 привода регулятора изменяется и при разной загрузке автомобиля. Если, например, зад автомобиля сильно нагружен, и нагрузка на задний мост велика, то при торможении столь заметного уменьшения тормозного усилия на задних колесах уже не будет происходить (нет опасности блокировки колес). При увеличившейся массе автомобиля это позволяет увеличить суммарное тормозное усилие.

Аналогично работает регулятор давления привода тормозов задних колес автомобилей типа ВАЗ-2108. Однако, благодаря особенности конструкции, он служит не только для изменения давления в зависимости от нагрузки на заднюю ось, но и для выравнивания давления в правой и левой ветви привода тормозов задних колес.

Динамический регулятор тормозных сил с пропорциональным клапаном хорошо выполняет свои функции при установке на легковые автомобили, где разность веса в нагруженном и ненагруженном состояниях невелика. У грузовых автомобилей эта разность значительна и при использовании такого регулятора может привести к блокировке задних колес при торможении ненагруженного автомобиля. Для этих автомобилей требуется регулятор, работающий во всем диапазоне загрузки автомобиля. Такому требованию удовлетворяют лучевые регуляторы.

Применение регулятора тормозных сил на автомобиле связано с некоторой потерей эффективности тормозной системы (на 10‑15 %), т. к. предотвращение юза задних колес достигается их «недотормаживанием». Дальнейшим развитием средств улучшения динамики торможения явились системы АБС (антиблокировочные системы).

Впервые АБС были применены в авиации в 1949 г., а на автомобилях они появились в 1969 г. Достигнутые к настоящему времени результаты совершенствования АБС позволяют устанавливать их на серийные автомобили.

Назначение АБС – обеспечение оптимальной тормозной эффективности (минимального тормозного пути) при сохранении устойчивости и управляемости автомобиля.

В расчетах динамики торможения автомобиля в большинстве случаев используют табличные значения коэффициента сцепления между колесом и дорожным покрытием, который определяется экспериментально при движении заблокированного колеса, т.е. при 100 %-ном скольжении колеса по дорожному покрытию. Следует также учитывать, что на коэффициент скольжения влияет и собственно скорость скольжения колеса и свойства последнего.

Известно, что при некоторой скорости скольжения продольный коэффициент сцепления j_х имеет максимум. Относительное скольжение S, соответствующее этому максимуму называется критическим и обозначается S_КР. Для большинства дорожных покрытий S_КР= 0,1‑0,3. В этих пределах и поперечный коэффициент сцепления j_у имеет достаточно высокое значение, что обеспечивает устойчивое движение автомобиля при торможении, если на автомобиль дополнительно действует боковая сила.

При доведении тормозящих колес до юза (S=1) значительно снижаются коэффициенты j_х и j_у, а, следовательно, и эффективность работы тормозов, устойчивость и управляемость автомобиля в процессе торможения. Исследования показали, что эти коэффициенты уменьшаются при увеличении начальной скорости автомобиля при торможении.

Основной задачей АБС является поддержание относительного скольжения в узких пределах вблизи S_КР в процессе торможения, для чего необходимо в этом процессе автоматически регулировать подводимое к тормозным механизмам давление рабочей среды (сжатого воздуха в пневмоприводе и тормозной жидкости в гидроприводе тормозов).

Независимо от конструкции, любая АБС должна иметь следующие элементы:

q датчики информации об угловой скорости колеса, давлении рабочей среды, замедлении автомобиля и др.;

q блок управления, в который поступает информация от датчиков, и который после ее обработки выдает команды на исполнительные механизмы;

q исполнительные механизмы (модуляторы давления), которые в соответствии с поступившей командой изменяют давление рабочей среды в приводе тормозов.

При практической реализации АБС принят циклический режим ее работы – за нарастанием давления рабочей среды в тормозном устройстве следует сброс давления, а затем снова нарастание и т.д. Это связано, в основном, с инерционностью входящих в нее механических устройств. Качество регулирования оценивается по тому, насколько эффективно АБС обеспечивает замедление вращения тормозящего колеса.

При большой амплитуде циклических колебаний давления комфорт в процессе торможения снижается (автомобиль «дергается»), и, к тому же, элементы автомобиля испытывают значительные дополнительные инерционные нагрузки.

Важным свойством АБС является способность приспосабливаться к изменению условий торможения, и, в первую очередь, ‑ к изменению коэффициента сцепления.

Среди большого количества разработанных алгоритмов функционирования АБС наиболее широкое применение получил алгоритм, в котором критерием работы системы является изменение угловой скорости вращения тормозящего колеса e_Т.К.:

где w_Т.К. ‑ угловая скорость вращения тормозящего колеса, t – время торможения.

Процесс работы АБС реализуется в двух или трехфазном цикле. При двухфазном цикле чередуются нарастание и сброс давления, при трехфазном (алгоритм см. на рис. 2) – нарастание, сброс давления, поддержание давления на постоянном уровне. Достоинством трехфазного цикла считается меньший расход рабочей среды и, соответственно, более высокая экономичность, при использовании пневмопривода тормозов. Однако в этом случае модулятор получается гораздо сложнее, чем для реализации двухфазного цикла.

Динамика торможения автомобиля с АБС зависит от схемы установки элементов этой системы. С точки зрения максимальной эффективности наилучшей является схема с автономным регулированием торможения каждого колеса (рис. 3а). Для этого на каждом колесе устанавливается датчик угловой скорости, а в приводе тормоза этого колеса – модулятор давления и блок управления. Это наиболее сложная и дорогостоящая схема. Существуют и более простые схемы АБС.

На рис. 3б показана схема АБС с регулированием торможения только задних колес, в которой используется два датчика угловой скорости, установленные на задних колесах, и один блок управления. В такой схеме применяют так называемое низко- или высокопороговое управление.

Низкопороговое регулирование предусматривает управление, основанное на условиях, в которых находится тормозящее колесо, имеющее худшее сцепление с поверхностью дороги («слабое» колесо). В этом случае возможности торможения «сильного» колеса недоиспользуются, но создается равенство тормозных усилий на обоих колесах. Это способствует сохранению курсовой устойчивости при торможении автомобиля при некотором снижении общей эффективности торможения.

Высокопороговое управление, основанное на условиях, в которых находится тормозящее колесо, имеющее лучшее сцепление с поверхностью дороги («сильное» колесо), дает более высокую тормозную эффективность, хотя устойчивость при этом несколько снижается, т.к. «слабое» колесо в такой системе циклически блокируется.

Еще более простая схема приведена на рис. 3в. В ней используется один датчик угловой скорости, отслеживающий вращение карданного вала, один модулятор давления и один блок управления. По сравнению с предыдущей, эта схема имеет меньшую чувствительность.

На рис. 3г приведена схема с датчиками угловой скорости на каждом колесе, двумя модуляторами и двумя блоками управления. В такой схеме может применяться как низко-, так и высокопороговое регулирование. Часто в таких схемах применяют смешанное регулирование. Например, низкопороговое для колес передней оси и высокопороговое для колес задней оси. По сложности и стоимости эта схема занимает промежуточное положение между вышерассмотренными.

На легковых автомобилях кроме гидравлических могут применяться и пневматические тормозные приводы. На рис. 4 показана упрощенная схема двухконтурного пневмопривода тормозов с АБС, регулирующей только торможение задних колес.

Для этого установлен один модулятор 8, один блок управления 6 и два датчика угловой скорости колес 7. В схему включен также дополнительный ресивер 4, необходимость которого связана с увеличенным расходом воздуха во время работы АБС из-за многократного впуска и выпуска воздуха. Модулятор 8 в данной схеме работает по трехфазному циклу.

Первая фаза – нарастание давления. При нажатии водителя на педаль тормоза тормозной кран 1 соединяет основной ресивер 5 с каналом 13 модулятора. В это время обмотки электромагнитов 18 отключены от источника тока, в связи с чем клапан 14 под действием своей пружины находится в открытом состоянии, а клапан 16 – в закрытом. Сжатый воздух поступает через клапан 14 в полость 19 и перемещает поршень 12 вниз. Перемещаясь вниз, поршень 12 запирает клапан 11 и одновременно открывает клапан 9, в связи с чем сжатый воздух из дополнительного ресивера 4 через каналы 17 и 10 поступает в тормозные камеры 20, тормозное усилие нарастает.

Вторая фаза – сброс давления. Блок управления дает команду на прекращение торможения, сообщая электромагниты 18 с источником тока, и оба клапана 14 и 16 опускаются. При этом клапан 14 отсекает основной ресивер 5 от модулятора, а клапан 16 открывает выход сжатого воздуха из полости 19 в атмосферу. В результате этого давление в полости 19 уменьшается, поршень 12 под действием своей пружины поднимается, открывает клапан сброса в атмосферу 11 и давление воздуха в тормозной камере 20 падает, т.к. поднятие поршня 12 сопровождается отсечкой клапаном 9 сжатого воздуха, поступающего в модулятор через канал 17. Тормозное усилие уменьшается.

Третья фаза – поддержание постоянного давления на одном уровне. Блок управления 6 подает ток только к электромагниту 18, управляющему клапаном 14. Теперь оба клапана (14 и 16) становятся закрытыми, что позволяет поддерживать постоянным давление воздуха в полости 19 и в тормозных камерах 20. Тормозное усилие становится постоянным.

Описанная система относится к классу открытых АБС, т.к. в ней происходит постоянный обмен рабочим телом (воздухом) между системой и окружающей средой.

В закрытых системах с гидроприводом обмена рабочим телом с окружающей средой быть не может, хотя принцип действия закрытых АБС остается прежним. В этих АБС в качестве источника давления используются жидкостные насосы. Система также снабжается пневматическими гидроаккумуляторами, что позволяет увеличивать расход тормозной жидкости во время работы АБС.

В зависимости от конструкции в АБС применяются различные датчики, дающие первичную информацию о скорости или ускорении автомобиля, давлении в приводе тормозов. Впоследствии эта информация преобразуется в удобную для анализа форму и используется для принятия решения и выдачи сигналов в блоке управления АБС. По конструкции датчики могут быть электрическими, механическими, электромагнитными, гидравлическими, пневматическими и др. Так, например, для измерения угловой скорости вращения колеса широко используются датчики индуктивно-частотного типа, аналогичные датчикам, применяемым для измерения частоты вращения и положения коленчатого вала.

В качестве блоков управления наибольшее распространение получили электронные устройства (микропроцессоры) в связи с их высоким быстродействием и возможностью программной коррекции инерционности исполнительных механических элементов системы и самого автомобиля.

Контрольные вопросы