201514688 Mehatronika Motornih Vozila Abs Sistem

UNIVERZITET U TUZLI – MAŠINSKI FAKULTET

SEMINARSKI RAD Tema:

ABS sistem

Predmet:

MEHATRONIKA MOTORNIH VOZILA

Ime i prezime: Broj indeksa: Odsjek: Datum:

Adin Softić III-267/10 Mehatronika 17.11.2013.

1. UVOD ABS (Anti-lock braking system) je elektronički sistem ugrađen u gotovo sva novija vozila, uključujudi i motore. U osnovi, funkcija ABS sistema je sprečavanje blokiranja točkova pri kočenju, što povedava stabilnost vozila te mu omogudava kradi zaustavni put (put kočenja) na vlažnim i klizavim putevima. Ipak, na “mekanim” površinama kao što su pijesak ili put prekriven snijegom, ABS značajno produžuje zaustavni put, ali time poboljšava upravljivost (kontrolu) nad vozilom. Time je ABS jedan od najvažnijih sigurnosnih sistema u automobile, koji spašava stotine hiljada vozača svakodnevno. Od početnih ABS sistema koji su se ugrađivali u vozila, današnji su mnogo napredniji. Moderni ABS sistemi kontroliraju i raspodjelu (ravnotežu) kočenja između prednjih i stražnjih točkova. Takva funkcija ovisno o sposobnosti sistema i podešenosti je poznatija pod nazivima kao što su: elektronska kontrola stabilnosti (ESC), elektronska raspodjela sila kočenja (EBD), itd.

2. HISTORIJSKI RAZVOJ ABS SISTEMA U svijetu generalno preovladava mišljenje da je ABS otkride novijeg datuma.Međutim, sve je počelo davne 1928. godine kada je Karl Wessels konstruisao prvi regulator kočione sile u svrhu sprečavanja blokiranja točkova kod kočenja, kojeg je 1936. razradio Robert Bosch. Prvi učinkoviti uređaj za sprečavanje blokiranja konstruisao je njemački inženjer Fritz Ostwald. Početkom 1940. godine prijavio je patent “pneumatsko-električnog regulatora kočenja”, kod kojeg se kočioni pritisak regulira pomodu elektromagnetnog ventila. Prvo operativno korištenje počelo je 1950. godine u vojnim avionima. Do serijske ugradnje u automobile prošlo je još dvadeset i osam godina, a prvi ABS uređaj tvrtke Bosch ugrađivan je u automobile marke Mercedes a nekoliko mjeseci kasnije i u BMW.

Slika 2.1. Historijat razvoja ABS-a

2

3. OSNOVNI DIJELOVI ABS SISTEMA Sistem se sastoji od sljededih komponenti: - Senzori za mjerenje brzine točkova; - Pumpa i razvodnici; - Ventili; - Kontroler (brzo računalo koje koordinira cijelim procesom). 3.1. SENZORI ABS sistem na neki način mora imati informaciju o brzini točkova. Ta informacija dobija se preko senzora. Senzori se nalaze na samim točkovima automobile, a u nekim izvedbama mogu se nalaziti i na diferencijalu automobila. Senzor se sastoji iz dva dijela: ozubljenog točka koji se još naziva senzorski točak i koji ima 100 ili više zubaca ovisno od izvedbe, i senzora koji kupi informacije da li se senzorski točak okrede ili ne, kao i brzinu njegovog okretanja. Na slici 3.1. prikazane su komponente senzora.

Slika 3.1. a) senzorski točak, b) sensor, c) kompletan sensor

Koriste se sljedede dvije izvedbe: - Induktivni sensor - Hallov sensor 3.1.1. Induktivni senzor Princip rada ovih senzora se zasniva na zavisnosti induktivnosti kalema od promjene magnetne otpornosti. Približavanjem predmeta senzoru raste induktivnost, udaljavanjem predmeta dešava se suprotno. Blok šema jednog induktivnog senzora data je na slici 3.2.

Slika 3.2. Struktura induktivnog senzora blizine

3

Priključenjem senzora na izvor napajanja električnom energijom dolazi do oscilacija na rezonantnoj frekvenciji. Ove oscilacije su uzrok stvaranja elektromagnetnog polja čiji je pravac prostiranja u smjeru ose senzora.

Slika 3.3. Induktivni sensor ugaonog zakretanja

Induktivni senzori ne trebaju magnetni silu da djeluje na njih. Oni osjete materijale kroz induktivne petlje u senzoru i njihov signal varira ovisno o količini induktivnog materijala koji je u blizini i njegovoj masivnosti. 3.1.2. Hallov senzor Ovaj senzor blizine osjeti magnetska polja kroz indukovanu Lorencovu silu i rezultiraju Hallov napon preko senzoru. Potreban je neki tip magnetskog polja da deluje na ili u blizini senzora za Hallov napona da varira. Zbog toga se koristi magnetski točak.

Slika 3.4. Princip rada Hallovog senzora

Djelovanjem magnetnog polja na poluprovodničku ploču p-tipa (gallium arsenide GaAs), linije magnetnog fluksa izazivaju silu na material te pomjeraju se šupljine i elektroni na suprotne strane. To razdvajanje sada se registruje kao potencijal na poluprovodniku kojeg nazivamo Hallov napon. I Hallov i Induktivni senzori su senzori blizine, odnosno brzine. Razlika je u tome kako oni osjete prisustvo njihovog pobuđivača. 4

3.1.3. Problematika sa niskim brojem obrtanja

Slika 3.5. Signal sa ABS-senzora

Kanal 1 (crvena) prikazuje signal sa ABS-senzora. Signal počinje s niskom amplitudom i učestalosti jer se točak rotira sporo. Na pola puta u toku mjerenja točak rotira brzinom koja se održava tijekom ostatka mjerenja. Amplituda signala mijenja se sa brzinom vrtnje točka: s višim brzinama rotacije amplituda se povedava. Prikazani primjer talasa ima amplitudu od 0,5 V na maksimumu. Ovo je prilično nisko, jer je točak okrenut rukom pri maloj brzini. Napon de biti vedi u vožnji, ali to je dovoljno da se testira ABS senzor. Tačana amplituda signala nije važna jer ECU koristi podizanja i padove rubova za određivanje brzine kotača ali ipak pri veoma maloj amplitudi očitavanje nede biti mogude. Također i zračni zazor pri očitavanju senzora ima velik uticaj tako da imamo da je sa povedanjem zračnog zazora signal na senzoru manji.

Slika 3.6. Zavisnost napona na senzoru od broja obrtanja i zračnog zazora

5

3.2. PUMPA I RAZVODNICI Pumpa i razvodnici predstavljaju najvažniji dio ABS-a, jer su oni davaoci energije za kočenje. Ovisno od izvedbe ABS-a (dvokanalni, trokanalni ili četverokanalni) zavisi tip pumpe i razvodnika. U današnje vrijeme se najčešde koristi četverokanalni sistem, pa se zbog toga moraju ugraditi pumpa i razvodnici jer čovjek ne može proizvesti dovoljnu silu pritiska, pritiskom na pedalu da bi zaustavio sva četiri točka. Na slici 3.7. prikazana je specijalna izvedba pumpe i razvodnika integriranih u sklop.

Slika 3.7. Pumpa i razvodnik

3.3. VENTILI Na svakom hidrauličkom ili pneumatskom vodu od glavnog cilindra do točka, postoji ventil koji je pod kontrolom ABS uređaja. Ventil može imati tri pozicije: -

U poziciji jedan, ventil je otvoren, pritisak se sa glavnog kočionog cilindra prenosi preko ventila na točak; U poziciji dva, ventil je zatvoren i kočnica je odvojena od kočionog cilindra. Ovo sprečava porasti pritiska, bez obzira da li vozač i dalje pritišde pedalu kočnice; U poziciji tri, ventil propušta dio pritiska na kočnice.

3.4. KONTROLER Kontroler je računar koji se nalazi u automobilu i on vrši analizu signala sa senzora i upravlja radom pumpe, odnosno reguliše pritisak u sistemu za kočenje, samim tim i silu kočenja. Kada sensor javi kontroleru da je točak stao, on u istom trenutku šalje signal na pumpu i smanjuje pritisak čime točak nastavlja da se okrede. Ovaj proces se dešava veoma brzo, tako da se točak nikada ne zaustavlja nego se krede brzinom približno jednakoj nuli. Neki ABS sistemi mogu da obave ovaj proces 15 puta u sekundi. To je razlog zbog čega se osjeda vibriranje kočnice prilikom rada ABS-a. Vibriranje tj. trzanje papučice je sasvim normalna pojava prilikom kočenja sa uključenim ABS sistemom. To je posljedica rada ABS-a, tačnije regulatora pritiska u kočionom sistemu, koji naglo smanjuje i povedava pritisak ulja što se prenosi na papučicu. Razvojem tehnologije ova pojava je u modernism ABS sistemima znatno manje izražena. Važno je da se vozač na to nauči i ne iznenadi te popusti pritisak. Naprotiv, kod automobile koji imaju ABS preporučljivo je kod naglog kočenja odlučno i snažno pritisnuti papučicu jer de ved, protupritisak od strane vozača pomodi ABS-u da bolje reguliše silu kočenja.

6

4. NAČIN FUNKCIONISANJA ABS SISTEMA

Slika 4.1. ABS sistem

ABS funkcioniše tako da se kočenje realizuje tačno na granici u kojoj se točak maksimalno usporava, ali još uvijek se okrede. Pošto je ova granica teško precizno odrediva i nije konstantna prilikom kočenja, broj obrtaja svakog točka se mjeri i šalje procesoru ABS-a. Procesor obrađuje dobijene informacije nezavisno za svaki točak i tačno obračunava vrijednosti broja obrtaja i klizanja. U trenutku koji prethodi blokiranju točkova ABS kontroler, koji dobija informacije od senzora, koji preko sklopa elektromagnetnih ventila snižava pritisak ulja u kočionom cilindru i opušta čeljusti sve dok se kočioni moment toliko ne smanji da točkovi normalno nastavljaju sa svojim obrtanjem. U tom trenutku aktiviraju se elektromagnetni ventili u suprotnom smjeru, pritisak ulja i intenzitet kočenja se opet povedava do granice blokiranja točkova gdje se ciklus ponovo vrada na početak. Ove promjene pritiska se dešavaju vrlo brzo (3-5 puta u sekundi)zahvaljujudi primjeni elektromagnetnih kontrolnih ventila. Opisani mehanizam se ponavlja dovoljno brzo tako da je točak stalno blizu granice blokiranja kako bi se ostvarila što viša efikasnost kočenja, a pritom ne smije da je dostigne. Iako se čitav proces dešava potpuno nezavisno od vozača, informacija o dejstvu sistema stiže i do njega u vidu ved spomenutog vibriranja papučice kočnice i paljenjem kontrolne lampice na instrument table. Na sljededoj slici je prikazana šema cjelokupnog sistema sa hidrauličnom instalacijom i princip njegovog rada.

7

Slika 4.2. Šema i način funkcionisanja ABS sistema

Neposredno pred tendenciju točka ka blokiranju na odgovarajudi elektromagnetni ventil djeluje se ograničenom strujom što prouzrokuje udaljavanje magnetnog klipa toliko da je prolaz za povrat ulja zatvoren. Pri tome se pritisak kočenja drži konstantan. U slučaju da se brzina određenog točka i dalje smanjuje, na odgovarajudi elektromagnetni ventil se djeluje jačom strujom i na taj način se magnetni klip tako pomjeri da oslobodi povratni kanal. U istom trenutku se pokrede i povratna uljna pumpa koja sprovodi kočiono ulje (bez obzira na pritisak u instalaciji) nazad u kočioni krug. Taj trenutak vozač osjeda kroz blage vibracije na pedali kočnice. Princip rada ABS sistema možemo objasniti i na šemi sa slike 4.3.

Slika 4.3. Šema ABS-a

Na šemi se vidi zatvoreno regulacijsko kolo, koje u svom sastavu ima sljedede osnovne elemente: davač broja obrtaja točka – sensor (1), koji daje upravljačkoj jednici (2) signal ugaone brzine, na osnovu čega se određuje ugaono usporenje ili klizanje točka. Na osnovu toga upravljačka jedinica upravlja regulacionim ventilom-modulatorom (3), tako da se u kočni cilindar (4) iz rezervoara 8

(5), a na osnovu komande saopštene kočnom ventilu (6), dovodi pritisak, usklađen s raspoloživim uslovima kočenja(prijanjanja). Na taj način se onemogudava da se sila aktiviranja dovede kočnici, što bi moglo uzrokovati blokiranje kočenog točka. 4.1. KOČENJE SA I BEZ ABS-a

Slika 4.4. Kočenje sa ABS-om

Na gornjoj slici se vidi primjer kočenja i izbjegavanja prepreke na klizavoj putnoj površini korištenjem ABS-a. Kada vozilo ima ugrađen ABS, vozač može uz intenzivno kočenje i upravljati vozilom.

Slika 4.5. Kočenje bez ABS-a

Kao što je vidljivo sa slike, bez ABS-a postoji veda mogudnost proklizavanja (podupravljanje) prilikom kočenja i skretanja (izbjegavanje prepreke). 4.2. RAZLIČITE SHEME ABS SISTEMA ABS sistemi koriste različite sheme, ovisno o tipu kočnice u upotrebi. Oni se mogu diferencirati po broju kanala: to jest, koliko ventila koji su individualno kontrolirani-i broja senzora brzine. -

Četiri-kanalni, četiri senzora

Ovo je najbolje shema. Tu je i senzor brzine na sva četiri točka i poseban ventil za sva četiri točka. Uz ovo podešavanje, kontroler prati svaki točak pojedinačno kako bi bili sigurni da se postižu maksimalne sile kočenja.

9

-

Tri-kanalni, tri senzora

Prednji točkovi imaju svaki senzor i ventil. Postoji jedan ventil i jedan senzor i za zadnje točkove. Kada se jedan od prednjih točkova zaključava, on impulsa nezavisno od ostalih točkova. Kada se jedan od zadnjih točkova zaključava, on pulsirala zajedno sa ostalim zadnjim točkovima, slično vrlo brzo povlačenje i puštanju ručne kočnice. -

Dvo-kanalni, četiri senzora

Sastoji se od 4 senzora (jedan na svakom točku) i dva ABS kanala uređena unakrsno (lijevog prednjeg i desnog stražnjeg, desnog prednjeg i lijevog stražnjeg). Kada se desni stražnji točak zaključava, lijevi prednji točak i desni stražnji točak pulsirala zajedno. -

Jedno-kanalni, jedan sensor

Ovaj sistem je opremljena sa samo jednim kočnim ventilom za kontrolu pritiska na zadnje točkove, kao i jedan senzor brzine koje se nalazi u blizini zadnje osovine vozila 4.3. ABS SISTEMI KOD VOZILA SA TRI OSOVINE Da bi se stekla potrebna orijntacija o izvodjenju protivblokirajudih uredjaja kod drugih vrsta vozila na slededoj slici demo prikazati dvije tipične instalacije kod vozila sa tri osovine, i to kod jednog zglobnog autobusa (a) i troosovinske prikolice (b). Regulisanje ovih izvedbi se obavlja pomodu senzora broja obrtaja (1) koji su smješteni uz točkove, potom upravljačke jedinice (3) sa šest kanala za slučaj a) i četiri kanala za b) i regulacionih ventila (2). Važno je samo naglasiti da postoje i mnoga druga rešenja i kombinacije, kako u pogledu broja senzora i broja regulacionih ventila, tako i u odnosu na broj kanala, tj. princip regulisanja.

Slika 4.6. Konstruktivna rešenja ABS-a kod vozila sa tri osovine

10

5. STABILNOST, UPRAVLJIVOST I ZAUSTAVNI PUT VOZILA Blokiranjem točkova pri kočenju, tj. njihovim klizanjem znatno se smanjuje koeficijent trenja, posebno u poprečnom smjeru. Zbog toga se produžava zaustavni put, a automobile postaje potpuno neupravljiv. Na vlažnom putu brže se dostiže maksimalna vrijednost koeficijentra prijanjanja, nakon čega slijedi klizanje, odnosno zanošenje vozila. Do klizanja točkova pri kočenju dolazi pod uslovom da je brzina centra točka različita od nule, a ugaona brzina jednaka nuli. Tada kažemo da je točak blokirao. Nasuprot vjerovanju da je primarna namjena ABS-a skradivanje zaustavnog puta, zadatak sistema je da obezbijedi upravljivost vozila u kritičnim situacijama. Vozilo sa klasičnim kočionim sistemom ima osobinu gubitka kontrole upravljanja prilikom snažnog aktiviranja kočnice koje bi onemogudilo okretanje točkova. U trenutku blokiranja točkova vozilo počinje da klizi na podlozi, pa zakrentanje točkova nema važnost, tj. ne mijenja pravac njegovog kretanja. Pri malim brzinama ova pojava je u suštini zanemarujuda, a problem se javljaju prilikom vedih brzina gdje situacija postaje kritična. Škripa točkova i instiktivno okretanje točka upravljača s ciljem da se izbjegne udar vozila u prepreku česta su uvertira u saobradajnu nesredu. Treba naglasiti i to da je u ovakvim situacijama zbog nejednake sile kočenja na pojedinim točkovima i različitog koeficijenta prijanjanja pri kočenju mogude i zanošenje vozila što povečava mogudnost nastajanja saobradajne nesrede. Za razliku od navedenog primjera, odnosno osvrta na kočenje voziila bez ABS-a, kod ABS sistema svaki točak koči nezavisno, tj. vozilo je stabilno i kada točkovi nisu na istoj podlozi (npr. dva na suhom, dva na mokrom). Ove situacije su veoma rizične, a to je još jedna dobra strana ABS-a, jer nijedan vozač ne može da odreaguje kao elektronika. ABS je manje efikasan na mekanim ili nestabilnim terenima, tj. na klizavim i rastresitim podlogama. Površine koje nisu poželjne za ABS su: snijeg, tucanik, blato na putu, itd., jer tada neblokirani točkovi ne mogu da “razgrnu” loš sloj kao što su prethodne vrste podloge, tj. da dođu do podloge koja može da koči. U uslovima kočenja na mekanim, tj. rastresitim podlogama blokirani se točkovi ukopavaju, stvarajudi nanos ispred sebe i brže zaustavljaju vozilo od onih koji se okredu. Iako je uoptrebom naprednih tehnika kočenja mogude postidi slične rezultate i bez ABS-a, to iziskuje veliku vještinu vozačal. S druge strane upotreba ABS sistema je veoma komforna, jer vozač jednostavno maksimalno pritisne pedalu kočnice, a računar se brine da kočnice svojim čeljustima ne zaključaju točkove. Za razliku od toga ukoliko je podloga klizava, do blokiranja dolazi lako pa de i usporenje točkova biti malo, tj. zaustavni put de biti duži. Po pljusku ili snijegu ABS produžava zaustavni put, ali ipak sa najvedeom razlikom ABS gubi na ledu, gdje se točkovi veoma lako blokiraju pa sistem mnogo češde dozvoljava okretanje točkova te se zaustavni put produžava.

6. KONSTRUKTIVNE MOGUDNOSTI IZVODJENJA ABS SISTEMA Protivblokirajudi uređaj je mogude ugraditi prenosni mehanizam kočnog sistema na različite načine, tako da se reguliše pritisak koji se dovodi u kočni cilindar jednog ili više točkova. U tom smislu se postižu i veoma različiti efekti u pogledu stabilnosti kočenog vozila i perfomansi kočnog sistema. Takodje je potrebno naglasiti da pojedini točkovi mogu da se regulišu direktno ili indirektno (skradenice su DR ili IDR). Direktno je regulisan senzor na kome se nalazi sopstveni senzor, a indirektno ako se koristi senzor sa drugog točka. Uz sve ovo treba da se skrene pažnja na to da su vozila koja su opremljena ABS-om skuplja za odredjenu vrijednost, što zavisi od konstruktivne izvedbe kao i od performansi samog sistema,tj. cijena je utoliko veda ukoliko je sistem složeniji i ukoliko se reguliše više točkova pomodu više izdvojenih kanala. Ukoliko su regulisani samo neki od točkova, npr. na jednoj osovini, ili čak i samo jednog točka na jednoj od osovina, utoliko se radi o jednostavnijem rješenju, a samim tim i nižoj cijeni koja podrazumijeva i manji broj performansi. Ovo se naročito manifestuje u produženom putu kočenja na putevima sa malim prijanjanjem, kao i u lošem ponašanju vozila pri kočenju na putu na kome postoji znatna razlika u prijanjanju na lijevim i 11

desnim točkovima. Ovaj slučaj je poznat pod nazivom „razdvojeno prijanjanje” i ono se često srede, pogotovo u zimskim uslovima, jer se tada često sredu putevi koji su po sredini suhi, a ivice su im pokrivene snijegom. Pored navedenog primjera, kritičan slučaj u pogledu stabilnosti prestavlja kočenje u krivini kao i na klizavim putevima. Ovakvi jednostavniji protivblokirajudi uredjaji obično stvaraju probleme i u pogledu brzine reagovanja, što se posebno izražava pri prelaženju sa klizavog puta na put na kome je prijanjanje dobro. Zbog zakašnjelog djelovanja ABS uredjaja i poslije prelaska na dobar put vozilo ne može da ostvari usporenje u skladu sa raspoloživim prijanjanjem. To može značajno da produži put kočenja,kao i da ugrozi bezbjednost vozila u saobradaju.

7. SISTEMATSKE I SLUČAJNE GREŠKE U RADU ABS SISTEMA Najčešdi uzroci neuspjeha ABS sistema podrazumjeva senzora brzine točka. Broj jedan uzrok greške na ABSu je kontaminirani senzor brzine točka. Pošto je senzor magnetski, privlači metalne čestice u kočione pločice. Ove čestice se lijepe za senzor i prigušuju signal. Čišdenje senzora obično vrada pravilnu funkciju. Ako je nakupljanje metala ozbiljno, čestice se mogu provudi između senzora i kudišta u kome je sensor i slomiti senzor. Kada se to dogodi, voda i šljunak ubrzo ošteduju ožičenje i uništavaju senzor. Još jedan čest uzrok kvara ABS je korozija u sklopu. Ovo je uzrokovano propustom za promjenu kočione tekudine. Kako tekudina upija vlagu do tačke zasidenja, voda napada metalne dijelove u sklopu ventila, to uzrokuje da se ventil drži otvoren ili zatvoren. Problemi vezani za preuranjeno kočenjem ili bez ABS-akcije može se pratiti na pogrešan prečnik točka ili loše sparen prečnik tocka. Trend zamjene tvorničkih točkova i guma s vedeim promjerom točka može uzrokovati probleme, ne samo sa ABSom nego i sa mjeračem brzine i drugim sistemima. Postoje dva rješenja. Prvi je da se koristite gume s ispravnim vanjskim promjerom. Sve dok je guma pravog promjera, točak može biti bilo kojeg promjera. Drugo rješenje je kalibracije kompjutera vozila da nadoknadi promjenu promjera. Automobili i kamioni koriste CAN kompjuterski protocol koji ima ovu funkciju.

12

SADRŽAJ 1. 2. 3.

UVOD ............................................................................................................................................... 2 HISTORIJSKI RAZVOJ ABS SISTEMA ................................................................................................. 2 OSNOVNI DIJELOVI ABS SISTEMA ................................................................................................... 3 3.1. SENZORI .................................................................................................................................. 3 3.1.1. Induktivni senzor ............................................................................................................. 3 3.1.2. Hallov senzor ................................................................................................................... 4 3.1.3. Problematika sa niskim brojem obrtanja ........................................................................ 5 3.2. PUMPA I RAZVODNICI ............................................................................................................. 6 3.3. VENTILI .................................................................................................................................... 6 3.4. KONTROLER............................................................................................................................. 6 4. NAČIN FUNKCIONISANJA ABS SISTEMA .......................................................................................... 7 4.1. KOČENJE SA I BEZ ABS-a .......................................................................................................... 9 4.2. RAZLIČITE SHEME ABS SISTEMA.............................................................................................. 9 4.3. ABS SISTEMI KOD VOZILA SA TRI OSOVINE ........................................................................... 10 5. STABILNOST, UPRAVLJIVOST I ZAUSTAVNI PUT VOZILA ............................................................... 11 6. KONSTRUKTIVNE MOGUDNOSTI IZVODJENJA ABS SISTEMA ........................................................ 11 7. SISTEMATSKE I SLUČAJNE GREŠKE U RADU ABS SISTEMA ............................................................ 12

13