Układy hamulcowe wraz z systemami ABS i ASR

W konstrukcjach samochodów stosowane są powszechnie hamulce hydrauliczne z podciśnieniowym układem wspomagania. Wykorzystuje on podciśnienie w kolektorze dolotowym silnika lub specjalną pompę podciśnieniową. Układ wspomagania działa na pompę hamulcową, przez co zwiększa ciśnienie płynu hamulcowego w przewodach hamulcowych i cylinderkach hamulców.

W samochodach ciężarowych najczęściej spotykanym układem hamulcowym jest układ pneumatyczny. Jest to układ pracujący z wykorzystaniem sprężonego powietrza. Hamulce wprawiane są w ruch przez ciśnienie powietrza wytwarzane przez sprężarkę.

Najczęściej stosowanym obecnie układem jest dwuobwodowy układ hamulcowy z zastosowaniem hamulców tarczowych z przodu i bębnowych z tyłu pojazdu, rozwiązanie to stosuje się dziś w większości samochodów osobowych, dostawczych i coraz częściej w nowoczesnych autobusach i samochodach ciężarowych.

Wszystkie samochody posiadają niezależny, dwuobwodowy układ hamulcowy. Jest to system bezpieczeństwa wymagany przepisami.
W przypadku awarii jednego obwodu, drugi musi doprowadzić do zatrzymania pojazdu. W razie awarii jednego obwodu, auto powinno zachować co najmniej 30 % sprawności całego układu. Samochody wyposażono również w korektor siły hamowania, który rozdziela tę siłę między przednią i tylną oś, ponadto opóźnia wczesne blokowanie kół tylnych podczas hamowania.

Urządzeniami umożliwiającymi pełną optymalizację sił hamowania kół samochodu są układy ABS. Występują dwa rodzaje układów przeciwdziałających blokowaniu kół. Są to mechaniczny SCS (Stop Control System) nazywany również mechanicznym ABS-em oraz elektroniczny ABS (Anti Blockier System). W 1978 roku Mercedes zaprezentował ABS w modelach klasy S, a zaraz potem BMW wyposażyło w to urządzenie model 700.
Typowy układ ABS firmy Bosch

Czujniki prędkości obrotowej składają się przeważnie z magnesu stałego i cewki indukcyjnej, w pobliżu, których wiruje przytwierdzona do piasty lub przegubu koła stalowa tarcza zębata. Jej zęby zakłócają pole magnetyczne wokół uzwojeń cewki indukując w niej prąd, którego częstotliwość i napięcie zależą od prędkości obrotowej koła. Podstawowe znaczenie dla systemu sterowania ma częstotliwość.

Napięcie (zależne również od odległości cewki od obrzeża tarczy) musi przybierać wartości odpowiadające czułości centralnej jednostki sterującej. Jeżeli przekroczy ten zakres, centralna jednostka sterująca zareaguje jak na awarię czujnika, wyłączeniem całego układu.

Jednostka sterująca na podstawie sygnałów w czujniku dokonuje obliczeń:
o prędkości obrotowej każdego z kół,
o prędkości pojazdu - średnia prędkości poszczególnych kół,
o prędkości odniesienia - wcześniejsza prędkość średnia,
o przyspieszenia, opóźnienia i poślizgu w ruchu wirowym koła.

Z prowadzonych badań wiadomo, że tylko 5% czasu pracy całego układu hamulcowego odbywa się z udziałem połączonego z nim układu ABS. W pozostałych 95% system ten nie działa, lecz musi się znajdować w stałej gotowości do natychmiastowego użycia.

Czas ten układ wykorzystuje na ustawiczne samo sprawdzenie. Wyniki wyżej wspomnianych dokonywanych na podstawie tych samych sygnałów wejściowych przez dwa równolegle połączone mikrokomputery, muszą być, więc przede wszystkim identyczne. W przeciwnym wypadku ABS ulega samo wyłączeniu. Poza tym dzięki wewnętrznemu programowi kontrolnemu sprawdzane są na bieżąco:
o wszystkie elementy elektroniczne
o zawory elektromagnetyczne
o czujniki prędkości kół
o czujniki ciśnienia i poziomu płynu w zbiorniczku wspomagającym

Układ hydrauliczny może mieć formę zintegrowanego agregatu, łączącego funkcje ABS-u, pompy hamulcowej i urządzenia wspomagającego lub zespołu współpracującego z klasyczną pompą dwuobwodową o wspomaganiu podciśnieniowym.

W pierwszym wypadku pompa hamulcowa jest jednosekcyjną pompą główną, ponieważ obwody poszczególnych kół i tak muszą funkcjonować niezależnie. Pompa ta obsługuje jedynie hamulce przedniej osi.

Jeżeli została użyta klasyczna pompa dwusekcyjna jej poszczególne sekcje łączone są osobno z lewym i osobno z prawym kołem przednim. Hamulce tylne w obu wypadkach obsługiwane są wprost z hydraulicznego układu wspomagającego sterowanego (oprócz sterowania elektronicznego ), ciśnieniem hydraulicznym w obwodach hamulców przednich, co przedstawia rysunek poniżej:

Rys. 1: Układ hamulcowy zintegrowany z ABS

Rys. 2: Konwencjonalny układ hamulcowy z dodatkowym urządzeniem ABS
Indywidualne, elektroniczne sterowanie ciśnienia w siłownikach hamulców poszczególnych kół realizowane jest przy pomocy zespołu zaworów elektromagnetycznych.

Wspomniany uprzednio akumulator hydrauliczny działa na zasadzie zbiornika hydroforowego, w którym dzięki elektrycznie napędzanej pompie, ciśnienia płynu hamulcowego utrzymuje się w granicach 140 - 170 kg/cm2. Spadek tego ciśnienia poniżej 105 kg/cm2 oznacza niesprawność i automatyczne odłączenie systemu ABS.

Wraz z układem ABS współpracują w niektórych pojazdach (przeważnie tych droższych o dużych mocach silników) układy ASR (kompatybilne z ABS).

System ten (Automatic Stability Regulation, czyli automatyczna regulacja stabilności jazdy) jest układem elektronicznym zapobiegającym poślizgowi kół w trakcie ruszania, przyspieszania, a także podczas jazdy na zakrętach i zróżnicowanych nawierzchniach. W sytuacji, gdy następuje poślizg, któregokolwiek z kół, uruchomiony zostaje system, który może indywidualnie go przyhamować. Możliwe jest zmniejszenie momentu obrotowego silnika (odcięcie paliwa, zmiana dawki paliwa). Niektóre układy mogą również blokować mechanizm różnicowy lub zmieniać rozdział momentu napędowego na lewą i prawą półoś ingerując również w pracę automatycznej skrzyni biegów.

System ten umożliwia ruszanie pojazdem z maksymalnym przyspieszeniem, zapewnia stabilną jazdę przy zmiennych warunkach drogowych i chroni opony przed nadmiernym zużyciem. Układ opiera się głównie na czujnikach prędkości obrotowej kół współpracujących z ABS-em i komputerem sterującym pracą silnika, skrzyni biegów i czujnikami zawieszenia. Kolejnym układem współpracującym z ABS-em jest stosowany od kilku lat przez Mercedesa i BMW, a obecnie również przez Audi, elektroniczny układ sterujący ESP (Elektronisches Stabilitats Programm). Centralną częścią układu jest opracowany przez firmę Bosch czujnik przyspieszenia poprzecznego. Rozpoznaje on sytuację, w której występuje niebezpieczeństwo poślizgu i wraz z ABS-em, systemem kontroli trakcyjnej ASR i układem wtryskowym silnika przeciwdziała obróceniu się, a nawet przewróceniu samochodu. ESP działa w ułamkach sekund, automatycznie odcina przyspieszenie i wyhamowuje każde koło osobno.

Już niedługo współpraca systemów takich jak ABS, ASR czy ESP z układem hamulcowym może ulec znacznemu uproszczeniu.


Zasada działania ESP
Podstawowe założenia pracy systemu

Układ ESP (ang. Electronic Stability Programm) jak wskazuje nazwa stabilizuje samochód wpadający w poślizg, korygując tor jego jazdy. Zastosowane w nim układy elektroniczne rozpoznają uślizg boczny samochodu i poprzez możliwość przyhamowania dowolnego koła z osobna potrafią wywołać moment przeciwstawiający się obrotowi samochodu lub korygujący jego tor jazdy. W razie potrzeby jednocześnie redukowany jest moment obrotowy silnika, w celu zmniejszenia siły napędowej na kołach osi napędzanej. ESP może zadziałać w każdych warunkach (jazda na wprost, pokonywanie zakrętu, hamowanie, przyśpieszanie, swobodne toczenie). Gdy tylko pojazd wykazuje tendencję do obrotu wokół osi środkowej lub poślizgu bocznego następuje interwencja układu.

W przypadku podsterowności (przednia oś samochodu ślizga się bardziej od tylnej) przyhamowanie tylnego wewnętrznego koła stabilizuje samochód na jego właściwym torze jazdy. Jeżeli w poślizg wpada tylna oś (nadsterowność) przyhamowywane jest koło przednie zewnętrzne. Niebezpieczne przyspieszenie wokół osi pionowej rozpoznawane jest przez bardzo czuły sensor prędkości obrotowej. Czas reakcji systemu wynosi zaledwie 20 ms (0, 02 sekundy), dzięki czemu wszelki poślizg wykrywany jest znacznie wcześniej niż zrobiłby to nawet najbardziej wyćwiczony kierowca.

System ESP łączy w sobie zalety wielu układów: ABS, elektronicznej regulacji rozkładu siły hamowania między osiami, układu kontroli momentu obrotowego, systemu kontroli trakcji ASR oraz, w przypadku Mercedesa, także układu BAS (Brems Assistant System) wspomagającego pełne wykorzystanie hamulców w niebezpiecznych sytuacjach. "Mózgiem " systemu w wykonaniu firmy Bosch są dwa 16-bitowe, 56kB-we mikrokomputery przetwarzające dane z wszystkich czujników. Jeden procesor pełni funkcje kontrolną kontrolując prace drugiego. Dla porównania układ ABS wymaga zaledwie czwartej części mocy obliczeniowej wymaganej przez ESP.
Czujniki ESP ciągle monitorują następujące wartości:
• prędkość obrotową każdego koła (przez czujniki ABS),
• kąt skrętu kierownicy,
• przyspieszenie poprzeczne samochodu,
• ciśnienie płynu hamulcowego w przewodach,
• prędkość obrotową wokół osi pionowej samochodu,
• aktualną prędkość jazdy samochodu,
• aktualny moment obrotowy, przekazywany na oś napędzaną,
• aktualne przełożenie wybrane przez kierowcę lub przez komputer sterujący automatyczną skrzynią biegów.
W niektórych rozwiązaniach uwzględniane są dodatkowo takie parametry jak:
• ciężar całkowity pojazdu (na podstawie układu regulującego twardość amortyzatorów),
• ciśnienie w ogumieniu (czujniki na obręczy koła lub na podstawie różnic prędkości obrotowych sąsiednich kół),
• różnice w wysokości lub rodzaju rzeźby bieżnika poszczególnych kół (porównanie prędkości obrotowej kół).
Oprogramowanie modułu sterującego bierze pod uwagę ok. 70 zmiennych, mających wpływ na sposób zadziałania układu. Elektroniczny moduł sterujący oblicza na podstawie danych z powyższych czujników teoretyczną prędkość żyroskopową (obrotową wokół osi pionowej), która odpowiada chwilowemu zamierzonemu torowi jazdy i warunkom przyczepności do powierzchni jezdni. Ta prędkość porównywana jest z rzeczywistą prędkością żyroskopową, która mierzona jest za pomocą specjalnego czujnika umieszczonego centralnie. Jeżeli występują różnice pomiędzy dwiema wielkościami, układ aktywnie wkracza do akcji hamując odpowiednie koło (koła) i regulując moment napędowy.
W przypadku samochodów z napędem na cztery koła przed konstruktorami układu ESP pojawiły się dodatkowe trudności. Ponieważ miarodajne informacje o chwilowej prędkości samochodu dostarczają koła nienapędzane potrzebna była zmiana sposobu zbierania danych o prędkości rzeczywistej samochodu. Dopiero zastosowanie oprogramowania, wyliczającego prędkość na podstawie zachowania wszystkich czterech kół przyniosła przełom. W marcu 1997 roku, prawie dwa lata po premierze ESP, pojawił się on po raz pierwszy w samochodzie z napędem na cztery koła (Audi A8 4.2 quattro).
Elementy układu ESP przedstawia rysunek nr 3:

Rys. 3 Schemat blokowy układu ESP
1 - elektroniczny układ sterujący systemem ESP (mikrokontroler) 2 - czujnik kąta skręcenia kierownicy 3 - czujnik prędkości obrotowej samochodu wokół osi pionowej 4 - czujnik przyspieszeń poprzecznych 5 - czujniki prędkości obrotowej kół 6 - mikroprocesor sterujący silnikiem 7 - mikroprocesor sterujący automatyczną skrzynią biegów (opcjonalnie) 8 - jednostka hydrauliczna regulująca ciśnienie w układzie hamulcowym 9 - pompa hamulcowa 10 - hamulec
Opis działania ESP w przypadku podsterowności (rys. 4a)
Załóżmy, że samochód pokonuje zakręt w lewo z prędkością większą niż dopuszczalna możliwa do osiągnięcia na tym odcinku drogi i wpada w poślizg. Bardziej ślizga się oś przednia, więc mamy do czynienia z posterownością. Do komputera sterującego przychodzą dane o skręceniu kierownicy o kąt wynikający z promienia zakrętu (wybrany przez kierowcę). Jednocześnie czujnik przyspieszeń poprzecznych podaje aktualną wartość tego przyspieszenia, która po przeanalizowaniu w komputerze okazuje się mniejsza od wartości, która wystąpiłaby teoretycznie na zakręcie o danym promieniu (czujnik kierownicy) przy danej prędkości jazdy (czujniki prędkości obrotowej kół). Do tego komputer "dowiaduje się " z czujnika prędkości obrotowej wokół osi pionowej, że samochód nie obraca się o kąt, który powinien wystąpić na zakręcie o promieniu wybranym przez kierowcę. Na podstawie powyższych danych komputer wykrywa uślizg osi przedniej i wszczyna alarm. Wysyła sygnał do jednostki sterującej pracą silnika i/lub skrzyni biegów, aby chwilowo zmniejszyć moc silnika (a przez to siłę napędową na kołach napędzanych) oraz do jednostki hydraulicznej regulującej ciśnienie płynu hamulcowego koła tylnego lewego (wewnętrznego, na osi o mniejszym poślizgu), aby natychmiast rozpocząć hamowanie tego koła z maksymalną możliwą do uzyskania siłą hamowania. Dzięki temu powstaje stabilizujący moment obrotowy (wokół osi pionowej), który działa w przeciwnym kierunku do występującej niekorzystnej podsterowności i "naprowadza " samochód na idealny tor jazdy, samochód "skręca " w lewo. Niebezpieczeństwo wypadnięcia na zewnątrz zakrętu zostaje zażegnane.

Rys. 4 Siły działające na samochód w zakręcie naturalne i pochodzące z układu ESP w przypadku: a) podsterowności oraz b) nadsterowności
Opis działania ESP w przypadku nadsterowności (rys. 4b)
W przypadku, gdy samochód pokonuje zakręt znów w lewo z prędkością większą niż dopuszczalna możliwa do osiągnięcia na tym odcinku drogi i wpada w poślizg, ale bardziej ślizga się oś tylna, więc mamy do czynienia z nadsterownością. Do komputera sterującego znowu dochodzą dane o skręceniu kierownicy o kąt wynikający z promienia zakrętu (wybrany przez kierowcę). Jednocześnie czujnik przyspieszeń poprzecznych podaje aktualną wartość tego przyspieszenia, która po przeanalizowaniu w komputerze okazuje się większa od wartości, która wystąpiłaby teoretycznie na zakręcie o danym promieniu (czujnik kierownicy) przy danej prędkości jazdy (czujniki prędkości obrotowej kół). Do tego komputer stwierdza, na podstawie danych z czujnika prędkości obrotowej wokół osi pionowej, że samochód obraca się o kąt znacznie większy niż ten, który powinien wystąpić na zakręcie o promieniu wybranym przez kierowcę. Na podstawie powyższych danych komputer wykrywa poślizg osi tylnej i podejmuje w przeciągu 0, 02 sekundy środki zapobiegawcze: wysyła sygnał do jednostki sterującej pracą silnika i/lub skrzyni biegów, aby chwilowo zmniejszyć moc silnika (a przez to siłę napędową na kołach napędzanych) oraz do jednostki hydraulicznej regulującej ciśnienie płynu hamulcowego koła przedniego prawego (zewnętrznego, na osi o mniejszym poślizgu), aby natychmiast rozpocząć hamowanie tego koła z maksymalną możliwą do uzyskania siłą hamowania. Dzięki temu powstaje stabilizujący moment obrotowy (wokół osi pionowej), który "naprowadza " samochód na idealny tor jazdy, samochód "skręca " w prawo. Niebezpieczeństwo gwałtownego zacieśnienia zakrętu oraz obrotu samochodu (potocznie: "wyprzedzenie samochodu przez jego tył ") i w konsekwencji wypadku zostaje zażegnane.
Oczywiście w przypadku wystąpienia poślizgu hamowanego koła układ ABS zmniejsza siłę hamowania aż do odzyskania przez koło przyczepności i ponownie zwiększa ją, itd.
Komunikacja systemu z kierowcą
W czasie aktywnego działania układu ESP kierowca jest informowany poprzez centralnie na desce rozdzielczej umieszczoną kontrolkę ostrzegawczą (na ogół migający żółty trójkąt). Zwraca on uwagę kierowcy na uaktywnienie układu, a tym samym na potrzebę ostrożniejszej jazdy. Niestety żaden z produkowanych samochodów wyposażonych w ESP nie informuje kierowców innych samochodów o jego zadziałaniu przez zapalenie świateł hamowania. Tłumaczy się to przepisami mówiącymi o takiej sygnalizacji wyłącznie wtedy gdy to kierowca uruchamia hamulce. Układ ESP można wyłączyć przyciskiem umieszczonym obok. Jest to uzasadnione jazdą np. z założonymi łańcuchami przeciwśnieżnymi w górach, przy podjazdach pod górę, gdy wskazany jest poślizg.
Zalety i wady ESP
Podstawowe zalety układu ESP to:
• zwiększenie sterowności,
• zdecydowana poprawa bezpieczeństwa czynnego,
• zwiększenie stateczności samochodu,
• poprawa skuteczności hamowania,
• brak konieczności korygowania kursu samochodu kierownicą w czasie poślizgu.
Wady systemu:
• wysoka komplikacja systemu, przez co jego wysoka cena,
• brak sygnalizacji działania układu (światła hamowania) dla innych użytkowników drogi.


Przykładowa realizacja systemu ESP
Części składowe systemu ESP firmy Bosch stosowanego przez firmę Mercedes (rys. 5):


Rys.5 Elementy składowe układu ESP firmy Bosch:
• czujnik prędkości obrotowej samochodu wokół osi pionowej (1),
• jednostka tłocząca (2),
• pompa doładowująca (3),
• jednostka hydrauliczna (4),
• czujnik kąta skręcenia kierownicy (5),
• czujniki prędkości obrotowej kół przednich (6),
• jednostka sterująca (mikrokontroler) (7),
• czujnik przyspieszeń poprzecznych (8),
• czujniki prędkości obrotowej kół tylnych (9).


Rozmieszczenie powyższych elementów na przykładzie Mercedesa klasy A przedstawia rysunek 6:

Rys. 6 Rozmieszczenie elementów układu ESP w samochodzie Mercedes klasa A
Niezawodność systemu
Komplikacja systemu ESP oraz ingerencja w układ hamulcowy niosą ze sobą obawy o jego niezawodne działanie. Dlatego system zbudowany został tak, aby zminimalizować wszelkie niebezpieczeństwo. W przypadku awarii jakiegokolwiek elementu układu, który nie jest powiązany z innymi (np. z ABS) wyłączany jest sam układ ESP. Dzięki temu np. jeżeli awarii ulegnie czujnik prędkości obrotowej samochodu wokół osi pionowej kierowca ciągle może liczyć na sprawne działanie układu ABS, ASR oraz elektroniczny rozdział siły hamowania.
Jeżeli system uległ awarii to przy uruchomionym silniku świeci się lampka kontrolna ESP. Należy w takim wypadku natychmiast usunąć usterkę w Autoryzowanej Stacji Obsługi.
Aktualne zastosowania systemu ESP
W chwili obecnej elementy systemu produkowane są przez dwóch szeroko znanych w świecie poddostawców komponentów samochodowych, firmę Bosch (stosowane m.in. przez firmę DaimlerChrysler) oraz ITT Automotive (np. Volkswagen, Audi). Oba systemy są funkcjonalnie zbliżone do siebie. Układ ESP stosowany jest obecnie jedynie w droższych modelach i to tylko wybranych producentów. W skład seryjnego wyposażenia ESP wchodzi jedynie w modelu A firmy Mercedes-Benz, co spowodowane było słynnymi problemami ze stabilnością tego samochodu i w konsekwencji powodowało jego wywrotki. Dopiero zastosowanie zmian w zawieszeniu oraz układu ESP rozwiązało problem. Oczywiście wraz z upływem czasu coraz więcej samochodów będzie miało na liście wyposażenia to bardzo przydatne urządzenie i to po coraz niższej cenie lub w wyposażeniu standardowym. W chwili obecnej cena układu wynosi 1000 - 2000 DM, jeżeli samochód ma w wyposażeniu seryjnym układ ASR, w przeciwnym razie nawet do ok. 3500 DM (Mercedes).