Автоматизация управления автомобилей и отдельных агрегатов как метод повышения активной безопасности автомобиля

 

Основным предназначением  систем активной безопасности автомобиля является предотвращение аварийной  ситуации.

 Применение систем  активной безопасности позволяет  в различных критических ситуациях  сохранять контроль над автомобилем  или, другими словами, сохранить  курсовую устойчивость и управляемость  автомобиля.

Наиболее известными и  востребованными системами активной безопасности являются:

- антиблокировочная система тормозов;

- антипробуксовочная система;

- система курсовой устойчивости;

- система распределения тормозных усилий;

- система экстренного  торможения.

Тормозные системы. Самая  важная система для обеспечения  безопасности водителя и пассажиров. Непрерывно совершенствуется. Двадцать лет назад появились первые варианты антиблокировочной системы тормозов или АБС (Antilock Brakes System, ABS), обеспечивающие эффективное и надёжное торможение в экстренных ситуациях. ABS предотвращает  колёса от блокировки во время торможения. Когда водитель нажимает на педаль тормоза, электронные датчики определяют, какое колесо теряет сцепление, и  уменьшают давление тормозных колодок  на это колесо. Машина остаётся управляемой. Чтобы от действия системы был  значительный эффект, водителю необходимо отучиться резко и импульсивно  давить на тормозную педаль. На скользкой  дороге, на машине с тормозами системы ABC, нажав на педаль, не следует сразу  отпускать её вверх. Однако на рыхлом снегу или мелком гравии тормозной  путь может несколько увеличиться  в сравнении с обычными дисковыми  тормозами.

Система АБС устанавливается  в штатную тормозную систему  автомобиля без изменения ее конструкции.

 Наиболее перспективной  является антиблокировочная система  томозов с индивидуальным регулированием  скольжения колеса. Индивидуальное  регулирование позволяет получить  оптимальный тормозной момент  на каждом колесе в соответствии  с дорожными условиями и, как  следствие, минимальный тормозной  путь.

 Антиблокировочная система  имеет следующее устройство:

- датчики угловой скорости колёс;

- датчик давления в тормозной системе;

- блок управления;

- гидравлический блок;

- контрольная лампа на панели приборов.

 

  Датчик угловой скорости устанавливается на каждое колесо. Он фиксирует текущее значение частоты вращения колеса и преобразует его в электрический сигнал.

 На основании сигналов  датчиков блок управления выявляет  ситуацию блокирования колеса. В  соответствии с установленным  программным обеспечением блок  формирует управляющие воздействия  на испольнительные устройства - электромагнитные клапаны и электродвигатель  насоса обратной подачи гидравлического  блока системы.

  Гидравлический блок обединяет следующие конструктивные элементы:

- впускные и выпускные электромагнитные клапаны;

- аккумуляторы давления;

- насос обратной подачи с электродвигателем;

- демпфирующие камеры.

 В гидравлическом блоке  каждому тормозному цилиндру  колеса соответствует один впускной  и один выпускной клапаны, которые  управляют торможением в пределах  своего контура. 

  Аккумулятор давления предназначен для приема тормозной жидкости при сбросе давления в тормозном контуре.

  Насос обратной подачи подключается, когда емкости аккумуляторов давления недостаточно. Он увеличивает скорость сброса давления.

  Демпфирующие камеры принимают тормозную жидкость от насоса обратной подачи и гасят ее колебания.

  В гидравлическом блоке устанавливается два аккумулятора давления и две демпфирующие камеры по числу контуров гидропривода тормозов.

 Контрольная лампа  на панели приборов сигнализирует  о неисправности системы. 

 Работа антиблокировочной  системы тормозов носит цикличный  характер. Цикл работы системы  включает три фазы :

- удержание давления;

- сброс давления;

- увеличение давления.

 На основании электрических  сигналов, поступающих от датчиков  угловой скорости, блок управления ABS сравнивает угловые скорости  колёс. При возникновении опасности  блокирования одного из колёс,  блок управления закрывает соответствующий  впускной клапан. Выпускной клапан  при этом также закрыт. Происходит  удержание давления в контуре  тормозного цилиндра колеса. При  дальнейшем нажатии на педаль  тормоза давление в тормозном  цилиндре колеса не увеличивается. 

  При продолжающейся блокировке колеса, блок управления открывает соответствующий выпускной клапан. Впускной клапан при этом остается закрытым. Тормозная жидкость перепускается в аккумулятор давления. Происходит сброс давления в контуре, при этом скорость вращения колеса увеличивается. При недостаточной емкости аккумулятора давления, блок управления ABS подключает к работе насос обратной подачи. Насос обратной подачи перекачивает тормозную жидкость в демпфирующую камеру, уменьшая давление в контуре. Водитель при этом ощущает пульсацию педали тормоза.

  Как только угловая скорость колеса превысит определённое значение, блок управления закрывает выпускной клапан и открывает впускной. Происходит увеличение давления в контуре тормозного цилиндра колеса.

  Цикл работы антиблокировочной системы тормозов повторяется до завершения торможения или прекращения блокирования.

Антипробуксовочная система (другое наименование – противобуксовочная система) предназначена для предотвращения пробуксовки ведущих колёс.

 В зависимости от  производителя антипробуксовочная  система имеет следующие торговые  наименования:

 - cистема ASR (Automatic Slip Regulation, Acceleration Slip Regulation) на автомобилях Mercedes, Volkswagen, Audi и др.;

 - система ASC (Anti-Slip Control) на автомобилях BMW;

- система A-TRAC (Active Traction Control) на автомобилях Toyota;

 - система DSA (Dynamic Safety) на автомобилях Opel;

- система DTC (Dynamic Traction Control) на автомобилях BMW;

 - система ETC (Electronic Traction Control) на автомобилях Range Rover;

 - система ETS ( Electronic Traction System) на автомобилях Mercedes;

 - система STC (System Traction Control) на автомобилях Volvo;

 - система TCS (Traction Control System) на автомобилях Honda;

 - система TRC (Traking Control) на автомобилях Toyota.

 Несмотря на многообразие названий, конструкция и принцип работы данных противобуксовочных систем во многом похожи, поэтому рассмотрены на примере одной из самых распространенных систем - системы ASR.

  Антипробуксовочная система построена на конструктивной основе антиблокировочной системы тормозов В системе ASR реализованы две функции:

- электронная блокировка дифференциала;

- управление крутящим моментом двигателя.

  Для реализации противобуксовочных функций в системе используется насос обратной подачи и дополнительные электромагнитные клапаны на каждое из ведущих колес в гидравлическом блоке ABS:

- переключающий клапан;

- клапан высокого давления.

  Управление системой ASR осуществляется за счет соответствующего программного обеспечения, включенного в блок управления ABS.

  В своей работе блок управления ABS/ASR взаимодействует с блоком управления системы управления двигателем.

Принцип работы антипробуксовочной системы 

  Система ASR предупреждает пробуксовку колес во всём диапазоне скоростей автомобиля:

 - при низких скоростях движения (от 0 до 80 км/ч) система обеспечивает передачу крутящего момента за счёт подтормаживания ведущих колёс;

- при скорости выше 80 км/ч усилия регулируются за счёт уменьшения передаваемого от двигателя крутящего момента.

 На основании сигналов  датчиков угловых скоростей колёс  блок управления ABS/ASR определяет  следующие характеристики:

- угловое ускорение ведущих колёс;

- скорость движения автомобиля (на основании угловой скорости неведущих колёс);

- характер движения автомобиля - прямолинейное или криволинейное (на основании сравнения угловых скоростей неведущих колёс);

- величину проскальзывания ведущих колёс (на основании разницы угловых скоростей ведущих и неведущих колёс).

  В зависимости от текущего значения эксплуатационных характеристик производится управление тормозным давлением или управление крутящим моментом двигателя.

 Управление тормозным  давлением осуществляется циклически. Рабочий цикл имеет три фазы - увеличение давления, удержание  давления и сброс давления. Увеличение  давления тормозной жидкости  в контуре обеспечивает торможение  ведущего колеса. Оно производится  за счет включения насоса обратной  подачи, закрытия переключающего  клапана и открытия клапана  высокого давления. Удержание давления  достигается за счет отключения  насоса обратной подачи. Сброс  давления производится по окончании  пробуксовки при открытых впускном  и переключающем клапанах. При  необходимости цикл работы повторяется. 

  Управление крутящим моментом двигателя осуществляется во взаимодействии с системой управления двигателем. На основании информации о проскальзовании ведущих колес, получаемой от датчиков угловой скорости колес, и фактической величине крутящего момента, получаемой от блока управления двигателем, блок управления противобуксовочной системы вычисляет величину необходимого крутящего момента. Данная информация передается в блок управления системы управления двигателем и реализуется с помощью следующих действий:

- изменения положения дроссельной заслонки;

- пропуска впрыскиваний топлива в системе вспрыска;

- пропуска импульсов зажигания или изменения угла опережения зажигания в системе зажигания;

- отмены переключения передачи в автомобилях с автоматической коробкой передач.

  Следующий шаг — разработка электронной схемы управления торможением. При нажатии на педаль тормоза микрокомпьютер, специальные датчики которого сигнализируют о характере и состоянии дорожного покрытия, скорости и нагруженности автомобиля, оценивает силу, с которой нога давит на педаль и обеспечивает оптимальное тормозное усилие на каждое колесо. При изменении отслеживаемых параметров тормозные усилия мгновенно перераспределяются. Таким образом, автомобиль может эффективно и безопасно затормозить даже при резком повороте на мокрой дороге. Такие системы (фирменные названия Sensotronic Brake Control, Brake Assistance) устанавливаются на спорт-седанах и люкс (Mercedes-Benz, BMW, Land Rover Discovery и др).

Большинство легковых моделей  и траков образца 2004 г. имеет тормозной  путь при торможении на сухом покрытии со скорости 60 миль/час до полной остановки  — 40-44 м. У некотoрых (Audi A6, Land Rover Freelander) — 39 м. У тяжёлых пикапов и больших  спорт-универсалов, например, Ford Excursion, Dodge Durango, Dodge Ram 1500 — это 47-51 м.

Противобуксовочная система (Traction Control). Перераспределяет крутящий момент двигателя между ведущими колёсами таким образом, чтобы увеличить  нагрузку на тот диск, у которого в данный момент выше сцепление с  дорогой. Система притормаживает вращение колеса, которое проскальзывает (буксует). Впервые была создана известной  немецкой фирмой Bosch и установлена  на автомобилях Mercedes-Benz. Особенно эффективно работает на полноприводных моделях  и при наличии антиблокировки колёс.

Противозаносная или система  динамической устойчивости (Dynamic Stability Control). При прохождении крутых поворотов  на большой скорости на мокрой, обледенелой  или заснеженной дороге, когда  начинается скольжение передних колёс, система самостоятельно сбрасывает газ и подтормаживает задние колёса, удерживая тем самым автомобиль от сноса в кювет. Если возникает  при крутом повороте руля проскальзывание  задних колёс, система подтормаживает передние колёса и стабилизирует  автомобиль. Oсобенно эффективна на полноприводных моделях.

Исследования на специальном  автомобильном тренажёре (National Advanced Driving Simulator) показали, что при наличии  системы динамической устойчивости количество водителей, сумевших в предаварийной  ситуации сохранить контроль над  автомобилем возрастает от 34% до 88%.

В 2004 г. у многих массовых моделей за 13-20 тыс. дол. антиблокировка колёс имеется в стандартной  комплектации одновременно с противобуксовочной системой в опциях (Ford Taurus, Chevrolet Impala, Chrysler PT Cruiser). У некоторых недорогих  моделей в стандартной комплектации также только антиблокировка колёс, а в опциях предлагаются противобуксовочная и противозаносная системы. Среди  них есть и массовые модели с базовой  стоимостью 15-19 тыс. дол.: Мini Cooper, Volkswagen Golf, Jetta и New Beetle, Subaru Legacy/Outback, а также  пикап Nissan Frontier за 13 тыс. дол. У нескольких моделей семейных седанов стоимостью до 25 тыс. дол. (Toyota Camry, Mazda 6, Pontiac Grand Prix) и небольшого Ford Foсus Traction и Stability Control также только в опциях. Антиблокировку колёс (АBS) и противобуксовочную систему  в стандартной комплектации и  противозаносную в опциях предлагают для седанов Аcura TL, Cadillac CTS, Infiniti I35, Lexus IS300, Volkswagen Passat и Volvo S60, купе Acura CL и  минивэна Nissan Quest. В 2004 г. названные системы  одновременно имеются в стандартной  комплектации всех моделей Audi, BMW 3-Series и Mercedes-Benz C-Class, минивэне Volkswagen EuroVan, новом  купе Chrysler Crossfire и японских Infiniti G35, Mazda RX-8 и Toyota 4Runner.