Clasa a XI-a BModulul II Sisteme electrice si electronice ale autovehiculelor rutiere

Lectia: SISTEMUL DE FRANARE CU ABS – MOD DE FUNCTIONARE Data 23.03.2020 25.03.2020

Sistemele de frânare, pe lângă o serie de condiții generale pe care trebuie să le îndeplinească (anumite dece-lerații impuse, frânare progresivă, fără șocuri, efort minim de acționare, fiabilitate ridicată, intrarea rapidă în funcțiune, construcție simplă și ieftină), trebuie să împiedice blocarea roților sau să mențină alunecarea între anumite limite.

Foto: Testarea sistemelor de frânare

Realizarea funcțiilor de mai sus este legată de importanța care se acordă asigurării stabilității în timpul rulării. În aceeași măsură se urmărește minimizarea distanței de frânare și reducerea uzurii excesive a pneurilor.

De ce avem nevoie de ABS la automobile?

Ce înseamna ABS? Anti-lock Braking System - Sistem de franare cu antiblocare

În cazul blocării roților la frânarea automobilului pot să apară următoarele neajunsuri: pierderea stabilității la blocarea roților punții spate; pierderea controlului direcției când se blochează roțile din față; creșterea spațiului de frânare, deoarece coeficientul de aderență la alunecarea roții este mai redus decât cazul în care roata se rotește. Pentru a mării eficacitatea frânării și a îmbunătății stabilitatea și maniabilitatea autovehiculelor se folosesc sisteme de control automat al frânării prin care se evită blocarea roților indiferent de momentul de frânare aplicat și de coeficientul de aderență.

Foto: Dependența coeficientului de frecare de alunecarea roții unui automobil

φ - coeficientul de frecare dintre roată și calea de rulareλ - alunecarea roții (dată de diferența dintre viteza roții și cea a automobilului)

Sistemul ABS trebuie să mențină alunecarea roții în domeniul stabil pentru a utiliza coeficientul de frecare optim. În cazul în care roata se blochează alunecarea tinde la 100% din domeniul instabil iar distanța de frânare crește datorită unei forțe de frecare mai mici.

La frânarea unui vehicul, centru de greutate se deplasează spre puntea din față, acestea nu preiau sarcini egale mai ales la frânări în curbă. Din acest motiv anvelopele din punte spate pot pierde aderența mult mai ușor decât cele de pe puntea din față. Dacă roțile din spate derapează direcția în care se mișcă automobilul nu mai poate fi controlată prin sistemul de direcție.

Sistemul de control automat permite reglarea frânării în următoarele limite:

a. la frânare sub limita de aderență a drumului, sistemul de control automat nu intervine, momentul de frânare menținându-se la valoarea maximă comandată de conducătorul auto.

b. în cazul frânării la limita de aderență a drumului, sistemul de control automat sesizează tendința de blocare a roții frânate și comandă menținerea sau scăderea presiunii în sistemul de frânare astfel încât să fie utilizată aderența maximă a drumului. La apariția tendinței de blocare a roții sistemul de control automat comandă izolarea cilindrului de frână corespunzător, de restul sistemului de frânare. În funcție de accentuarea sau dispariția tendinței de blocare a roților se comandă reducerea sau creșterea presiunii în cilindrul de frânare, executându-se astfel o succesiune de cicluri de frânare-defrânare ce vor menține roata în zona optimă de aderență.

c. o frânare combinată are loc la parcurgerea zonelor cu aderență diferită, sistemul de control automat asigurând prevenirea blocării roților, pe porțiunile cu aderență scăzută, și frânare maximă, pe porțiunile cu aderență ridicată. De asemenea sistemul de control automat acționează eficace și în cazul în care o parte a automobilului se află cu roțile pe porțiuni de drum cu coeficienți de frecare diferiți.

Istoria utilizării sistemului de frânare cu ABS pentru automobile

Aplicarea sistemelor automate de control al frânării nu este nouă. Ele au fost utilizate prima dată în 1948 la avioane, unde prin blocarea roților se producea deteriorarea aproape instantanee a anvelopelor. Introducerea în domeniul automobilelor s-a produs mai târziu, în anii ’70, în SUA. Aici a apărut și prima reglementare legală privitoare la automobilele echipate cu sistem automat de control al frânării. În 1973 aproape toate sistemele de acest gen erau construite în această ţară folosind circuite logice şi componente electronice. În Europa, deşi cercetările de crearea a unui sistem de control automat al frânării sunt semnalate încă din 1959 la Daimler-Benz, abia în 1977 un prototip creat de Bosch a fost experimentat pe 150 de autoturisme Mercedes și în 1978 a început fabricația de serie. Aceasta după ce s-au cheltuit în acest scop 50 de milioane de mărci germane, sumă suportată de firmele Daimler-Benz, Bosch și Teldix.

Prima generație de ABS de la Bosch

Și alte companii au creat astfel de sisteme: Honda, Teves şi Girling. Fiecare dintre ele și-a denumit creația cu o siglă proprie: Bosch-ABS (Anti-lock Braking System), Honda-ALB (AntiLockBrake), Teves-ATE (de la denumirea creatorului Alfred Teves), Girling-SCS (Stop Central System).

Majoritatea sistemelor se deosebesc radical doar prin modul de reglare. Acesta poate fi realizat prin reglarea presiunii diferențiat la fiecare roată, în funcție de aderența locală. Deși eficient, sistemul este scump și de aceea, de cele mai multe ori, se aplică numai la roțile unei punți.

Toate cercetările de până acum au convins că astfel de sisteme reduc substanțial spațiul de frânare. Dacă, de exemplu, pe asfalt umed un automobil prevăzut ci ABS frânează în 40 de metri, fără acest sistem imobilizarea automobilului se produce abia după 58 metri. Sistemul intră în funcțiune automat, când se trece brusc pe o porțiune de drum cu aderență scăzută sau când roțile de pe o latură a automobilului rulează în condiții diferite față ce celelalte.

Inițial au fost dezvoltate sisteme de control automat al frânării având la bază doar principii mecanice. Din această cauză și datorită complexității controlului anti-derapajului, ce necesită o logică sofisticată, nu s-a putut trece la o producție de serie. În următoarea fază de dezvoltare s-au realizat sisteme de control cu prelucrarea analogică a semnalelor. Dezvoltarea electronicii a dus la apariția sistemelor digitale de control automat având ca unitate centrală de calcul microprocesorul.

Principiul de functionare al sistemului de frânare cu ABS pentru automobile

De la an la an structura sistemelor hidraulice pentru ABS a evoluat. În continuare ne vom rezuma la versiunea ABS 8 realizată de compania germană Bosch.

Modul ABS 8 pentru automobile

Componentele sistemului de frânare cu ABS de pe automobile

Componentele sistemului de frânare cu ABS de pe automobile

1. unitatea de control electro-hidraulică2. senzori de turație montați pe roțile automobilului

Din cele prezentate anterior, reiese că componentele principale ale unui sistem ABS sunt: o unitatea electronică de calcul, senzori de viteză pentru fiecare roată şi modulatoare hidraulice de presiune. Partea hidraulică este alcătuită din două subsisteme simetrice, fiecare dintre ele acţionând asupra unei perechi de roți (de obicei opuse pe diagonală).

Circuitul hidraulic al unui sistem de frânare prevăzut cu ABS generația 8 de la Bosch

1. pompă centrală2. cilindrul de frânare3. modul hidraulic4. supape de admisie5. supape de evacuare6. pompă de retur7. acumulator hidraulic8. electro-motor

SS - stânga spateDF - dreapta fațăSF - stânga faţăDS - dreapta spate

Cele două pompe de retur (6) sunt acționate de un singur motor electric (8). Rolul acestor pompe este de a evacua rapid lichidul de frână din cilindrii de frânare (2) înapoi în pompa centrală (1). Pentru a preveni ca presiunea în cilindrii de frânare să depășească presiunea din pompa centrală supapele de admisie (4) sunt prevăzute cu supape de sens.

Dacă sistemul ABS este inactiv, atunci sistemul de frânare se comportă ca un sistem de frânare obișnuit, menținând presiunea din cilindrii receptori în timpul apăsării pedalei de frână. În acest fel doar circuitul prima (pompă centrală – supapă admisie – cilindru de frânare) este activ, supapele de refulare (5) fiind închise. Dacă ABS-ul se activează, atunci scăderea presiunii pe cilindrii receptori, de frână, este realizată de implicarea componentelor circuitului secundar (cilindru de frânare – supapă de refulare – acumulator – pompă centrală).

Din punct de vedere hidraulic controlul presiunii este realizat, trecând prin următoarele etape, cum este arătat în figura de mai jos.

Modularea presiunii într-un sistem de frânare cu ABS

a. aplicarea presiunii - pentru fiecare roată creșterea presiunii este realizată prin deschiderea unei supape de aspirație și închiderea unei supape de refulare (mod de frânare obișnuit)

b. menținerea presiunii - supapa de aspirație este închisăc. scăderea presiunii - supapa de refulare este deschisă, acumulatorul se umple rapid; totodată pompa de

retur începe să transporte fluidul înapoi spre cilindrul principal (în acestă etapă se simt pulsațiile la pedala de frână)

Pentru a evita frânarea insuficientă a roții presiunea din sistem este mărită iar ciclul de control a presiunii este reluat.

Componentele principale ale sistemului ABS pentru automobile

Dezvoltare electronicii a permis utilizarea pe scară largă a sistemelor de acționare electrice. Și pentru sistemele ABS controlul presiunii hidraulice se face prin controlul curentului electric în solenoizii supapelor. În funcție de caracteristica supapei (presiune funcție de curent) aceste se clasifică în:

electro-supape proporționale: deschiderea supapelor este proporțională cu curentul electric aplicatelectro-supape releu: au doar două poziții, deschis sau închis

Componentele unui modul electro-hidraulic de control pentru ABS

1. motor electric2. bloc de electro-supape3. electro-supape4. unitatea de control electronică5. capac de protecție

Componentele indispensabile sistemului de frânare cu ABS sunt senzorii de turație pentru fiecare roată. Prin compararea valorilor între cele patru roți unitatea electronică de control determină care din roți tinde să se blocheze.

Senzori de turație roți pentru ABS (evoluție)

Sistemele ABS Bosch au evoluat continuu începând cu anul 1978 când s-a comercializat prima versiune. Dacă prima versiune avea peste 6 kg și echipa doar 0.02% din totalul automobilelor comercializate la aceea vreme, în 2007, versiunea 8 de ABS avea doar 1.4 kg și echipa aproximativ 76% din automobilele noi comercializate.

Evoluția sistemului ABS pentru automobile de la Bosch

Diferențele din punct de vedere al tehnologiei utilizate între prima versiune și versiunile moderne de ABS sunt copleșitoare. Din punct de vedere al unității electronice de control prima versiune avea 140 de componente analogice și o memorie de doar 2 kBytes iar generația din 2003 avea doar 16 componente și o memorie de 128 kBytes.

Comparație între versiunile de ABS pentru automobile de la Bosch

Având în vedere viteza medie de deplasare care crește de la an la an, ABS-ul a devenit un sistem de siguranță activă care devine indispensabil automobilelor moderne. Din acest motiv din ce în ce mai mulți producători oferă sistemele ABS ca dotare standard pentru automobile.

Clasa a XI-a BModulul II Sisteme electrice si electronice ale autovehiculelor rutiere

Lectia: ESP – SISTEMUL DE CONTROL AL STABILITAȚII AUTOMOBILELOR Data 26.03.2020 (2 ore)

Siguranța automobilului devine un criteriu din ce în ce mai important în procesul de achiziție al unui automobil. Siguranța se poate clasifica în două categorii: activă și pasivă. 

- Siguranța activă este cea care ajută la prevenirea accidentelor (ABS, ESP, direcție activă, etc.). –- Siguranța pasivă este aceea care minimizează efectele unui accident (centuri de siguranță, airbag-uri,

caroserie, etc.).    Sistemul ESP asigură stabilitatea automobilului și menținerea direcției dorite de rulare, în situațiile critice (pierderea aderenței), prin intervenția rapidă asupra sistemului de frânare și a cuplului generat de propulsor (motor termic, electric, etc.).

Foto: Automobil echipat cu/fără sistem ESP    În Europa, primele automobile echipate cu sisteme de control al stabilității au fost comercializate începând cu 1995. În momentul de față, toate automobilele noi comercializate în Uniunea Europeana sunt echipate cu sisteme ESP, deoarece, începând cu anul 2014, legislația europeană prevede obligativitatea utilizării acestui sistem, pentru prevenirea și reducerea numărului de accidente rutiere.

Foto: Procentul echipării automobilelor cu sisteme ESP pentru automobile și vehicule comerciale ușoare (estimare bazată pe producția de sisteme ESP)Sursa: Bosch    Producătorii auto utilizează abrevieri diferite pentru sistemul electronic de control al stabilității automobilului. Cu toate acestea, indiferent de abrevierea utilizată, componentele și rolul sistemului sunt aproximativ aceleași.

ESP Electronic Stability Program Audi, Bentley, Bugatti, Chrysler, Citroen, Dodge, Daimler, Hyundai, Jeep, Kia,

Lamborghini, Opel, Peugeot, Renault, Saab, Seat, Skoda, Smart, Suzuki, VW

ESC Electronic Stability Control Kia, ProtonDSC Dynamic Stability Control BMW, Ford, Jaguar, Land Rover, MazdaVDC Vehicle Dynamic Control Alfa Romeo, Fiat, Infiniti, Nissan, Subaru

VSA Vehicle Stability Assist Acura, HondaVSC Vehicle Stability Control Daihatsu, ToyotaMSP Maserati Stability Program MaseratiPSM Porsche Stability Management Porsche

Foto: Sisteme de siguranța activă integrate în ESP    Un automobil echipat cu ESP integrează mai multe sisteme de control, fiecare cu funcții diferite:

Funcții de siguranță activă prezente pe automobilele echipate cu sistem ESP

BA Brake Assist- amplifică forța de frânare în cazul unei frânări bruște- ajută la reducerea distanței de frânare în cazurile de frânare intensă

ABSAntilock Braking System

- previne blocarea roților în timpul frânării și prin acesta evitarea obstacolelor- ajută la menținerea controlului automobilului în timpul frânării pe un carosabil cu aderență scăzută- reduce distanța de frânare datorită evitării blocării roților

ESPElectronic Stability Program

- menține stabilitatea automobilului în situațiile critice (evitarea obstacolelor, viraje)- intervine asupra sistemului de management al motorului (reducerea cuplului) și a sistemului de frânare pentru păstratea direcție de deplasarea dorită- reduce riscul de impact lateral al automobilului

TCSTraction Control System

- intervenție rapidă asupra sistemului de management al motorului (reducerea cuplului) și a sistemului de frânare pentru prevenirea patinării roților motoare în timpul demarării automobilului- face posibilă rularea/demararea pe carosabil cu aderență scăzută- previne patinarea roților motoare în timpul accelerării automobilului în viraje

    Toate aceste sisteme de control utilizează aceleași componente al automobilului (sistem de frânare, senzori, etc.) dar se activează în situații diferite.

Foto: Componentele sistemului ESP

1. bloc electrohidraulic cu modul electronic de control integrat2. senzori viteză roți3. senzor unghi volan4. senzor girație și accelerație transversală5. calculator injecție

Dacă privim cele trei axe ale automobilului putem spune că sistemul ESP monitorizează și corectează momentul de girație al automobilului (rotația în jurul axei verticale).

Foto: Axele în jurul cărora se poate roti automobilul

Ruliu – rotația în jurul axei x (longitudinală)Tangaj – rotația în jurul axei y (transversală)Girație – rotația în jurul axei z (verticală)

Sistemul ESP este activ odată cu pornirea motorului. Modul de funcționare este relativ simplu și se bazează pe informațiile venite de la senzori. Pe scurt, sistemul ESP compară direcția dorită de rulare a automobilului cu direcția efectivă a acestuia. Direcția dorită de rulare a automobilului și intenția conducătorului auto este determinată pe baza informațiilor de: poziție a volanului, viteză ale roților, poziție pedală de accelerație și presiune circuit hidraulic de frânare. O parte a acestor informații vine direct de la senzori, restul sunt primiți prin magistrala de comunicație CAN. Astfel, sistemul ESP știe încotro conducătorul auto dorește să ruleze automobilul.

Direcția efectivă de rulare a automobilului este calculată pe baza informațiilor venite de la senzorul de girație (rotire în jurul axei verticale) și accelerație laterală.

Componentele și schimbul de informații al sistemului ESP

1. senzor de girație (girometru) și accelerație laterală 2. senzor poziție volan3. senzor presiune lichid de frână 4. senzor viteză roți5. modulul electronic de control 6. bloc hidraulic (supape)

7. sistem frânare roți 8. calculator injecție 9. injector 10. bujie 11. clapetă obturatoare Pe baza informațiilor de la senzori, sistemul ESP identifică situațiile critice în care direcția de deplasare efectivă a automobilului nu este aceeași cu direcția dorită de conducătorul auto, impusă prin poziția volanului. Astfel, sistemul ESP intervine simultan asupra sistemului de frînare și a sistemului de management al motorului.

Prin frânarea individuală a roților, combinată cu reducerea cuplului motor, sistemul ESP reușeste să aducă automobilul pe direcția de deplasare dorită de conducătorul auto. Intervenția sistemului ESP este foarte rapidă și are loc înainte de conștientizarea situației critice de către conducătorul auto.

Foto: Circuitul hidraulic al sistemului de frânare pentru un automobil echipat cu ESP

HZ – cilindru principal frânăHSV – supapă de comutare presiune înaltăSV – supapă de comutarePE – pompăIV – supapă admisieM – motor pompăAC – rezervor de joasă presiune (acumulator)OV – supapă refulareRZ – piston etrier frânăHL – roată spate stângaHR – roată spate dreaptaVL – roată față stângaVR – roată față dreapta

Spre deosebire de sistemul ABS, care este activ doar în momentul în care conducătorul auto apasă pedala de frână, sistemul ESP poate frâna roțile individual, indiferent dacă conducătorul auto apasă sau nu asupra pedalei de frână. Evitarea unui obstacol iminent în timpul rulării poate conduce la apariția supravirării. Sistemul ESP corectează efectul supravirator al automobilului prin frânarea unei roți, combinată cu reducerea cuplului motor (pentru restabilirea aderenței).

Foto: Corectarea supravirării cu ajutorul sistemului ESP

În acest caz sistemul ESP frânează roata stângă a punții față și creează un contra-moment de girație (rotire în jurul axei verticale) care readuce automobilul pe direcția de rulare dorită.

De asemenea, la deplasarea cu viteză în timpul virajelor, mai ales în cazul în care suprafața de rulare are aderență scăzută, automobilul poate subvira și părăsi calea de rulare.

Foto: Corectarea subvirării cu ajutorul sistemului ESP

Pentru corectarea subvirării sistemul ESP frânează roata dreapta spate. Astfel se creează un moment de girație suplimentar care aduce automobilul pe direcția de virare dorită.

Prin simpla frânare individuală a roților, sistemul ESP controlează momentul de girație al automobilului și corectează stabilitatea acestuia. Prin modul de acționare, putem spune că sistemul ESP acționează ca un sistem de direcție suplimentar. În același timp, controlează cuplul motor (prin reducerea acestuia) pentru a nu perturba procesul de frânare al roților motoare și pentru îmbunătățirea aderenței laterale.

Componentele sistemului ESP

1. bloc electrohiraulic cu modul electronic de control integrat2. senzor de poziție volan3. senzor moment de girație (girometru) și accelerație laterală4. senzori viteză roți

Principiul de funcționare al senzorul de poziție volan (2) se bazează pe efectul Hall sau pe cel magnetorezistiv. Idiferent de tipul senzorului acesta trebuie să citească poziția volanului în orice monent și pe toată cursa acestuia.

Senzor poziție volan sistem ESP Senzor moment de girație și accelerație laterală

Senzorul de girație și cel de accelerație laterală sunt integrați în aceeași unitate (3). Girometrul este de tip micromecanic și detectează rotirea automobilului în jurul axei verticale în condițiile pierderii stabilității. Senzorul de accelerație laterală este cu efect Hall și informează unitatea electronică de control asupra intesității accelerației laterale.

Senzorii de viteză roți (4) sunt similari cu cei utilizați pentru un sistem de frânare cu ABS și modul lor de funcționare este descris în articolul Senzorul de viteză al roții (ABS/ESP) - mod de funcționare și diagnoză.

Componentele bloculul electrohidraulic al sistemului ESP

1. motor electric acționare pompă2. bloc hidraulic3. solenoizi supape4. modul electronic de control integrat5. carcasă

Blocul hidraulic (2) conține întregul circuit hidraulic, supapele (3) și pompa acționată electric (1). Acesta are două orificii prin care este alimentat cu lichid de frână de la pompa centrală și patru orificii prin care controlează presiune de frânare pentru fiecare roată.

Modulul electronic de control (4) este "creierul" sistemului, primește informații de la senzori și prin magistrala CAN și acționează asupra supapelor și a pompei electrice. Sistemul ESP schimbă informații cu majoritatea calculatoarelor/modulelor conectate pe magistrala CAN. În timpul intervenției, controlează cuplul motor, prin intermediul calculatorului de injecție, și interzice cutiei de viteze (automată) să efectueze schimbării de trepte.

Modul de control electronic ESP cu senzori integrați (girometru și accelerație laterală)

Sistemul ESP este activ tot timpul și monitorizează dinamica automobilului. Chiar dacă acesta nu intervine, schimbă informații cu restul modulelor în mod continuu, informând asupra vitezei automobilului, al accelerației laterale și a stării în care se află (cu/fără intervenție, stare nominală, defect, etc.).

De la primele modele până în prezent, sistemele ESP au evoluat continuu. Acestea au devenit mai „inteligente”, cu algoritmi de control mai complecși și o putere de calcul mai mare. În același timp, masa și dimensiunea sistemului a scăzut considerabil.

În unele situații, mai ales pe automobilele sportive, se dorește pierderea aderenței roților, pentru a putea controla alunecarea automobilului în viraje (drift). Pentru acesta, automobilul este echipat cu un buton care dezactivează sistemul ESP. De ținut cont că nu toți producătorii auto permit dezactivarea totală a sistemului, în unele cazuri doar se limitează intervenția acestuia. Prezența sistemului ESP pe automobil poate determina unii conducători auto să conducă mai agresiv, la limita stabilității, bazându-se pe intervenția sistemului în situații limită. Din acest motiv, pentru a atenționa conducătorul auto de pierderea stabilității automobilului, cand sistemul ESP intervine, un martor luminos se aprinde în bordul automobilului, combinat cu o avertizare sonoră.

Martor bord intervenție sistem ESP Buton dezactivare sistem ESP

Aproximativ 28% din accidentele cu vătămare corporală se datorează pierderii stabilității automobilului urmată de impactul cu un alt automobil sau un corp fix. De asemenea, aproximativ 60% din accidentele care implică vatămări corporale se datorează impactului lateral al automobilului.

Datorită modului de funcționare sistemul ESP contribuie semnificativ la reducerea numărului de accidente, mai ales a celor grave, cu vătămări corporale și deces. Acest sistem ajută decisiv la îmbunătățirea siguranței active a automobilelor și trebuie luat în considerare la achiziționarea unui automobil.