Что такое датчики ABS и как они работают
Датчики ABS – глаза и уши системы торможения
Любой опытный водитель знает, что для эффективного торможения необходимо импульсное нажатие на педаль тормоза. Такая техника позволяет снизить скорость и не потерять при этом контроль над автомобилем. Но даже эта техника не всегда поможет выйти в из экстренной ситуации. В этом случае и приходит на помощь система ABS (антиблокировочная система).
Датчики вращения колес, стали органами чувств системы ABS, они позволяют зафиксировать момент блокировки, для того, чтобы гидромодуль своевременно снизил давление тормозной жидкости. С момента первого появления датчики заметно эволюционировали. На сегодняшний день существует несколько типов датчиков ABS, их принцип работы отличается, но функция осталась прежней.
В 1978 году немецкая фирма Bosch представила первую электронную антиблокировочную систему. Конструкция датчиков включала постоянный магнит, обмотанный катушкой. Учитывая, что в то время Bosch сотрудничала с компанией Daimler-Benz, первым автомобилем, оснащенным такой системой, стал Mercedes-Benz S-класса в 1978 года выпуска.
момента выхода первой системы, компания Bosch продолжала совершенствовать свою разработку. Новые датчики, которые устанавливаются на системы в наше время, основываются на физическом открытии ученого Эдвина Холла. Физик проводил свои эксперименты изучая электромагнитные поля и в 1879 году открыл так называемый Эффект Холла. Суть эффекта в том, что если через пластину пропустить ток и поместить ее в область действия магнитного поля, то на краях пластины появится напряжение. Направление напряжения будет зависеть от направления тока и от заряда электронов. Применение свойств магнитных полей в автомобилестроении задержалось на 75 лет, но в результате, датчики Холла прочно укрепили свои позиции не только в составе системы ABS, но и для измерения угла положения распределительного вала.
Таким образом, датчики поделились на два фронта – активные и пассивные.
Пассивные датчики ABS
Пассивные датчики имеют достаточно крупные размеры и отличаются меньшей точностью, по сравнению с активными. Но их главный недостаток в том, что они начинают функционировать только после достижения минимальной скорости вращения колеса. В то же время, они являются очень прочными и долговечными.
Конструктивно, датчик состоит из следующих деталей:
Импульсное кольцо датчика прочно закреплено к ступице колеса и вращается перед одним из концов постоянного магнита. Такая конструкция приводит к тому, что при каждом рассекании поля постоянного магнита в катушке возникает переменный ток. Частота и амплитуда переменного тока пропорциональны скорости вращения колеса автомобиля. Для возникновения читаемого блоком управления ABS импульса требуется скорость движения не менее 5-7 км/час, что является серьезным недостатком. С другой стороны у пассивных датчиков есть свои преимущества — они не подвергаются износу, а загрязнения не влияют на магнитное поле.
Активные датчики ABS
В конце 90-х годов появились датчики нового типа – активные. Их основное отличие от пассивных аналогов в том, что они нуждаются в источнике питания. Существует два типа активных датчиков с разным принципом действия.
Преимущество магниторезистивного датчика в том, что он может регистрировать скорость вращения колес с момента начала действия. Такие датчики используются не только для ABS, но и в системе курсовой устойчивости.
За основу работы датчика взято свойство полупроводника менять траекторию движения электронов в магнитном поле. Это явление называется магнетосопротивлением (магниторезистивный эффект).
Конструкция датчика представляет собой импульсное кольцо из чередующихся постоянных магнитов и полупроводник, на который подается напряжение. Импульсное кольцо крепится к ступице колеса автомобиля и вращается с его скоростью. При вращении колеса магнитное поле усиливается, что приводит к изменению траектории движения электронов постоянного тока. Изменение траектории движения увеличивает длину пути электронов. В состоянии покоя сопротивление равно одной постоянной величине, при вращении значение меняется. Именно эти изменения сигнала датчик передает блоку управления ABS.
Датчик, основанный на эффекте Холла
Такой датчик является самым точным на сегодняшний день. Конструкция датчика включает:
В корпус датчика помещается полупроводниковая пластина, и к ее граням подводят электрический ток. Кольцо постоянного магнита крепится к ступице колеса и вращается вместе с ним. В результате, изменения магнитного поля перемещает электроны на один из краев пластины, согласно эффекту Холла. Плотность электронов на одном из краев пластины будет обусловлена полярностью магнитного поля. Грубо говоря, при вращении колеса по часовой стрелке электроны будут скапливаться в верхнем крае пластины, против часовой – в нижнем. Микросхемы преобразуют сигнал, и на выходе возникает напряжение, которое передается блоку управления.
Главным плюсом такого датчика является постоянное напряжение, которое в отличие от магниторезистивного аналога не имеет импульсного характера, что повышает точность датчика. В то же время, наличие микросхемы делает его менее надежным и дорогим в производстве. Кроме того, такой датчик очень чувствителен к электромагнитным помехам.
Вопросы эксплуатации
И пассивные и активные датчики ABS работают при участии магнитного поля. В результате возникают сбои в работе системы. Другая проблема – место расположения датчиков. Учитывая, что при движении автомобиля колеса значительно вибрируют, возникает опасность сбоя работы датчиков антиблокировочной системы. И наконец, работа аккумулятора. При уменьшении напряжения между клеммами ниже 10,5 вольт система ABS может самостоятельно отключиться.
АБС не допускает полной блокировки колес при торможении. Это позволяет автомобилю сохранять устойчивость при движении, а на покрытиях с низким коэффициентом сцепления (гравий, мокрый асфальт, снег, лед) снижает тормозной путь. Кроме того, автомобиль, оснащенный АБС, даже при полностью выжатой педали тормоза остается управляемым.
АБС – это система датчиков, контролирующих скорости вращения колес и скорость автомобиля. Как только датчики распознают, что колеса (или одно из колес) стоит, а автомобиль движется – это означает блокировку колес (т.е. машина идет юзом). В этот момент в тормозную систему поступает сигнал на уменьшение тормозного усилия и колеса разблокируются. Вся работа АБС сводится к циклу торможение-анализ-растормаживание. Чем чаще этот цикл повторяется, тем эффективнее торможение.
В определенных ситуациях, например на сухом асфальте, сработавшая АБС может увеличивать тормозной путь автомобиля. Главным образом это зависит от настройки и чувствительности АБС и особенно проявляется при торможении с высоких скоростей (например, на трассе).
Еще важный нюанс – это вибрация на педали, которая свойственна практически всем автомобилям, при срабатывании АБС. У некоторых водителей (например, у моей жены) это вызывает некоторую растерянность, вследствие которой он машинально ослабляет усилие на педали тормоза или отпускает её вовсе! Разумеется, этого делать не следует! Поэтому если вы впервые садитесь за руль автомобиля оснащенного АБС, потренируйтесь где-нибудь на закрытых площадках.
Сформулировать назначение АБС просто — она препятствует блокировке колес при торможении. Слишком сильно нажата педаль тормоза? Не беда — электроника, сравнивая сигналы датчиков скорости вращения на каждом из колес, определяет момент внезапной остановки колеса и, открывая электромагнитный клапан, сбрасывает излишки давления из тормозной магистрали в специальный гидроаккумулятор. Тормозные колодки разжимаются, вращение колеса восстанавливается, клапан вновь подключает магистраль к давлению, которое с помощью вакуумного усилителя тормозов создает правая нога водителя. И если это давление все еще слишком велико, то цикл повторяется вновь и вновь. В салоне включение АБС проявляется треском при работе исполнительного блока и толчками на педали тормоза, более или менее заметными в зависимости от конструкции системы.
Фактически, АБС имитирует действия опытного водителя, который на скользкой дороге избегает блокировки колес, пользуясь прерывистым торможением. Но АБС делает это с недоступной человеку частотой и аккуратностью — до 15 раз в секунду. В результате АБС должна не только обеспечить автомобилю минимальный тормозной путь, но и заставить его слушаться руля — ведь колеса катятся и воспринимают боковую силу, насколько позволяет сцепление шин с покрытием. И это — основное преимущество АБС. Ведь в случае блокировки колес машина неуправляемо скользит прямо, даже когда баранка вывернута до упора.
Казалось бы, все уже ясно. Антиблокировочные системы признаны всем цивилизованным автомиром и уже стали стандартным оборудованием на автомобилях, начиная со среднего класса. Но часто раздаются и голоса недовольных.
«Никакая электроника не сравнится с опытным водителем, — говорят одни. — Дайте мне такую же машину без АБС, и я остановлюсь раньше!»
Другим не нравится то, что АБС, вмешиваясь в процесс торможения, начисто исключает участие человека. Как ни дави на педаль, она с малоприятной вибрацией будет выталкиваться обратно. Машина тормозит сама, повлиять на ход замедления нельзя никак, к тому же с АБС очень сложно рассчитать тормозной путь и спрогнозировать, где же остановится автомобиль. Остается только ждать… Нестерпимо для водителя, привыкшего владеть ситуацией!
А третьи кивают на раллистов. Мол, недаром те боятся АБС, как чумы! А им-то, спортсменам, виднее…
Для того, чтобы расставить все по местам, мы пошли на технологическое преступление. Нашли под капотом штекер, который подходит к исполнительному блоку АБС, и вытащили его из гнезда, заставив загореться желтую контрольку АБС и тревожно замигать красную лампочку тормозов в комбинации приборов. Так мы дезактивировали неотключаемую антиблокировочную систему.
Испытания проходили по такой схеме. Мы выбрали четыре основных упражнения: торможение на прямой — на однородном и смешанном покрытии (миксте), в повороте и во время объезда препятствия (то есть при выполнении маневра переставка). Passat оснастили регистрирующей аппаратурой, точно измеряющей скорость и тормозной путь. А за рулем находились наши эксперты-испытатели. Впрочем, некоторые из упражнений было предложено совершить и обычным водителям самой разной квалификации — от начинающего автолюбителя до опытного профессионала. Все могли потренироваться перед контрольными заездами, привыкнуть к автомобилю и «пристреляться» к очередному маневру.
Каждое упражнение выполняли в две серии. Сначала делали более десяти заездов с работающей АБС, потом отключали систему, и автомобиль вновь спешил к размеченной яркими вешками трассе очередного маневра.
Датчик скорости вращения колеса располагается в ступице
С антиблокировочной системой все просто: хочешь получить максимально возможное замедление — топи, недолго думая, педаль в пол. А как тормозить без АБС?
Сначала мы попробовали все делать «по теории» — тормозить на грани блокировки колес. Не выходит! Слишком чуткая фольксвагеновская педаль не позволяет точно дозировать тормозную силу — и мы ошибаемся, причем как в ту, так и в другую сторону. И это в спокойной обстановке. А попробуйте-ка это сделать в экстремальной ситуации, когда грозит авария!
Тогда мы применили испытанный способ — прерывистое торможение.
А для сравнения пробовали, не мудрствуя лукаво, тормозить «в пол», с блокировкой колес. В чем разница? На прямой главное отличие — в курсовой устойчивости. Особенно ярко это проявилось при торможении на миксте. Под левыми колесами был мокрый асфальт, а под правыми — заснеженная обочина.
С включенной АБС машину сперва начинает уводить в сторону покрытия с лучшим сцеплением, но электроника работает исправно: Passat мгновенно выравнивается и дальше тормозит по прямой, практически не требуя подруливаний. Во время прерывистого торможения без АБС водителю приходилось немного подруливать, да и тормозной путь оказался больше.
Зато с полной блокировкой колес автомобиль тормозил почти так же эффективно, как с АБС. Но при этом его резко разворачивало влево на опасный угол — до 40о!
Выигрыш АБС здесь очевиден.
Лед бывает гладким, как зеркало, и шершавым, как поверхность наждака. Снег бывает плотным, раскатанным, рыхлым, слипшимся, смерзшимся…
К чему это мы? А к тому, что каждое покрытие имеет свою специфику, и после наших испытаний дать однозначный ответ на интересующий всех вопрос — в каких условиях тормозной путь с АБС будет меньше, чем без нее — мы не можем!
Вариантов масса. К примеру, когда при неоднократных остановках на одной и той же прямой колеса нашего автомобиля накатали колею раскрошенного шипами шершавого льда, то тормозной путь с АБС и без нее с заблокированными колесами оказался почти одинаковым. Недаром наши спортсмены говорят, что самое «цепкое» покрытие — не асфальт, а исполосованный «гвоздями» ледяной трек.
А на снегу — вот так сюрприз! — машина с АБС останавливалась немного позже. Все дело в том, что на снежном покрытии коэффициент сцепления оказался ниже, чем на шероховатом льду — шипы здесь работают не столь эффективно. Для АБС, видимо, это оказалось невыгодным. Зато при «обычном» прерывистом торможении (нажал—отпустил—нажал) за период блокировки колес перед ними образуется снежный валик, который и помогает машине замедляться более интенсивно. Работа же АБС препятствует блокировке колеса — и валика не получается.
НЕ БОЙТЕСЬ КРУТИТЬ РУЛЬ!
Торможение в повороте (лед)
Представьте себе вполне реальную ситуацию: перед вами в скользком повороте внезапно заносит грузовик, и его разворачивает поперек дороги. Или другую: из бокового проезда на неширокую улицу прямо перед носом выскакивает машина и перегораживает вашу полосу, оставляя свободной лишь встречную.
На волне хлынувшего в кровь адреналина водитель панически, рефлекторно, что есть мочи нажмет на тормоз. Колеса заблокируются. А с заблокированными колесами машина в первой ситуации вылетит наружу поворота, а во второй — врежется в препятствие. Ибо без АБС избежать аварии поможет только прерывистое торможение, а тут от водителя требуется не только выдающееся хладнокровие и выдержка, но и незаурядное мастерство.
И вот наш пример. Опытнейшему эксперту понадобилось призвать на помощь все свое умение, чтобы, чередуя строго дозированные толчки по педали тормоза и точную работу рулем, повторить и даже чуть превзойти результаты тех же маневров с АБС.
Но что с того? Ведь даже испытателю понадобилось для этого сделать больше десяти пристрелочных заездов, а в реальной ситуации шанс будет только один! И электроника здесь сработает надежно и во благо.
При торможении в повороте задача водителя вообще была простейшей: нажал на тормоз, повернул руль — и автомобиль, четко отслеживая заданную траекторию, интенсивно замедляется. Это доступно любому. Важно только помнить, что во время торможения с АБС машиной можно и нужно управлять. Не оцепенело сжимать руль, а смело им действовать!
Антиблокировочная система ABS. Принцип работы.
Как ни странно, многие аварии происходят именно из-за высокой эффективности тормозов. На скользких дорогах — мокрых или покрытых ледяной коркой — экстренное задействование тормозов с целью быстро остановить автомобиль либо резко снизить его скорость приводит обычно к прямо противоположному результату. Колеса блокируются и теряют сцепление с дорожным покрытием, а автомобиль нисколько не уменьшает скорость и, более того, вовсе перестает слушаться руля.
Опытный водитель в таких случаях будет тормозить прерывисто, регулируя усилие на педаль тормоза таким образом, чтобы сохранить максимальное сцепление колес с дорогой и не допустить срыва автомобиля в занос. Однако далеко не все водители имеют достаточный опыт, чтобы точно оценить ситуацию, и уж совсем немногие обладают выдержкой и необходимыми навыками, чтобы отреагировать на изменение дорожной обстановки должным образом. Отсюда аварии и законное желание инженеров приставить к тормозам «пастуха», абсолютно беспристрастного, способного исправлять оплошности водителя и сохранять ему контроль над автомобилем в любых условиях движения.
История создания ABS
Итак, своим появлением антиблокировочные системы обязаны работам конструкторов над улучшением активной безопасности автомобиля. Первые варианты ABS были представлены еще в начале 70-х. Они вполне справлялись с возложенными обязанностями, но были построены на аналоговых процессорах, а потому оказались дорогостоящими в производстве и ненадежными в эксплуатации. Далее изготовления опытных образцов дело не продвинулось, хотя, в любом случае, это был, безусловно, шаг вперед.
Лед тронулся, и следующим шагом конструкторов стала замена аналогового процессора более надежными и недорогими цифровыми электронными блоками на интегральных схемах. В 1978 году ABS второго поколения увидела свет, и первым автомобилем, получившим ее (правда, не в базовой комплектации, а под заказ за дополнительную плату), стал Mercedes-Benz 450 SEL. А сегодня уже трудно подсчитать как количество поколений ABS, так и число автомобилей, на которые антиблокировочная система устанавливается серийно.
Общее устройство и принцип работы ABS
Антиблокировочная система состоит (см. схему ABS Mercedes W123) из трех основных элементов: электронного блока управления (4), гидравлического блока (3) и датчиков скорости колес (1, 2). ABS приводится в рабочее состояние после включения зажигания и достижения автомобилем некоторой скорости движения.
В основу работы колесных датчиков положен принцип электромагнитной индукции. При вращении колеса мимо датчика проходят зубцы и впадины специального ротора и наводят в обмотке датчика электрический сигнал, частота которого пропорциональна угловой скорости колеса и количеству зубцов на роторе.
При торможении, как только датчик определяет, что колесо начинает блокироваться, электронный блок, обрабатывающий сигналы от всех датчиков, отдает управляющий импульс электромагнитным клапанам гидравлического блока (см. принципиальную схему работы ABS). Гидравлический блок установлен в тормозной магистрали сразу после главного тормозного цилиндра, а его клапаны управляют давлением жидкости в контурах тормозной системы. Если заторможенное колесо начало скользить, клапаны гидроблока понижают или временно прекращают подачу жидкости к рабочему тормозному цилиндру. Этого может оказаться недостаточно, чтобы колесо разблокировалось, и тогда электромагнитный клапан направит тормозную жидкость в отводную магистраль, снижая тем самым давление в рабочем тормозном цилиндре. Когда колесо вновь начинает вращаться, по достижении им некоторой угловой скорости, электронный блок ABS снимает свою команду, клапаны открываются, и гидравлическое давление опять передается на тормозной механизм. Торможение и растормаживание колеса будут происходить периодически (этот процесс называется модуляцией, и гидроблок иногда называют модулятором тормозного давления), и водитель ощущает работу ABS частыми резкими толчками на педали тормоза, пока не исчезнет угроза блокирования или до полной остановки автомобиля.
При работе ABS эффективность замедления автомобиля, кроме того, что управление не выходит из-под контроля водителя, остается выше, чем при торможении юзом. Испытаниями установлено, что на скользком покрытии тормозной путь автомобиля, оснащенного ABS, может быть на 15% короче, чем у обычной автомашины. Кроме того, ходимость протектора покрышек при использовании ABS увеличивается на 5-7%.
И всё же ABS не панацея
В свое время страховые компании США провели анализ дорожно-транспортных происшествий, и оказалось, что автомобили с ABS чаще становятся участниками аварий, чем автомобили с обычной тормозной системой. Так, на сухом покрытии отмечено увеличение ДТП на 42%, а на влажном — даже на 65%. Согласитесь, в свете сказанного в предыдущей главе эти цифры обескураживают. Специалисты считают, что наличие в автомобиле ABS создает у водителя иллюзию безопасности, в результате чего он не учитывает, что ABS не создает сцепления с дорогой — это прерогатива протектора и размеров пятна контакта покрышек колес. Да, ABS предотвратит блокировку тормозов и позволит сохранить контроль над курсовой устойчивостью и поворачиваемостью, но она не гарантирует уменьшения тормозного пути. Когда речь идет о сухих и нескользких дорогах, бывает как раз наоборот — тормозной путь оказывается больше, чем у обычного автомобиля, но понимание этого приходит, к сожалению, слишком поздно.
Другой вопрос — могут ли ABS всегда достоверно распознавать ситуацию? Помнится, журналисты World Off Road во время испытаний внедорожников моделировали неудачный въезд на холм: потеря сцепления на полпути вверх, сильное нажатие на педаль тормоза, чтобы удержать машину на склоне, включение задней передачи — и мягкий спуск с горы, используя торможение двигателем.
Все шло нормально, пока не пришел черед Ford Explorer, а затем и Mitsubishi Pajero, оснащенных ABS. Джипы упрямо скатывались с холма, несмотря на то, что испытатели выжимали педаль тормоза до упора: система воспринимала небольшое скольжение вниз на сыпучем склоне и резкое нажатие на тормоз в этот момент как команду разблокировать колеса. В результате и Ford, и Mitsubishi не могли удержаться на склоне без применения «ручника». Нетрудно представить, чем чревата подобная ситуация в реальной жизни, если склон достаточно длинный, коллизия приключилась ближе к вершине, водитель растерялся (или не действует стояночный тормоз), а сзади уже пристроилась какая-нибудь машина. Словом, как бы ни была хороша ABS в плане улучшения активной безопасности автомобиля, главным по-прежнему остается водитель, который обязан критически осмысливать дорожную ситуацию и реальные возможности своего «железного друга».
Проблемы эксплуатации ABS
Будем считать предыдущую главу не более чем «лирическим» отступлением и вернемся к рассмотрению сугубо практических вещей, например, неисправностей, с которыми могут столкнуться владельцы автомобилей с ABS.
Заметим, что современные ABS обладают достаточно высокой надежностью и могут длительное время работать не выходя из строя. Электронные блоки ABS отказывают крайне редко, поскольку защищены специальными реле и предохранителями, и если такая неисправность все-таки случилась, то ее причина нередко бывает связана с нарушениями правил и рекомендаций, о которых упомянем чуть ниже. Самыми же уязвимыми в схеме ABS являются колесные датчики, располагаемые вблизи вращающихся деталей ступицы или полуосей.
Место расположения этих датчиков благополучным никак не назовешь: различные загрязнения или даже слишком большой люфт в подшипниках ступицы способны вызывать сбои в работе датчиков, которые и становятся чаще всего виновниками неполадок в работе ABS.
Кроме того, на работоспособность ABS влияет величина напряжения между клеммами аккумулятора. При уменьшении напряжения до 10,5 В и ниже ABS вообще может самостоятельно выключиться через предохранительный электронный блок.
Предохранительное реле может также сработать при недопустимых колебаниях и всплесках напряжения в сети автомобиля. Чтобы этого не случилось, вот обещанные рекомендации: нельзя разъединять электрические разъемы при включенном зажигании и работающем двигателе, не желательно заводить двигатель методом «прикуривания» от постороннего аккумулятора либо предоставлять для этой цели в качестве «донора» собственный автомобиль и, кроме того, необходимо строго следить за состоянием контактных соединений на генераторе. Что еще? Если автомобилю потребовался ремонт с применением сварки, то перед началом работ следует отсоединить проводку от электронного блока управления ABS. Кроме того, этот блок не рекомендуется подвергать нагреву свыше 85 градусов по Цельсию более двух часов. Это к тому, если автомобиль предполагается красить, а затем сушить горячим методом в специальной камере.
О том, что ABS неисправна, свидетельствует загорание контрольной лампы на панели приборов. Слишком нервно реагировать на это не следует, без тормозов автомобиль не останется, но при торможении будет вести себя как машина, в которой ABS отсутствует.
Если контрольная лампочка ABS загорелась во время движения, необходимо остановить автомобиль, заглушить двигатель и проверить напряжение между клеммами аккумулятора. Если оно окажется ниже 10,5 В, то можно продолжать движение, а при первой возможности зарядить аккумулятор. Если лампочка ABS периодически загорается и гаснет, то, скорее всего, барахлит какой-нибудь контакт в электрической цепи ABS. Автомобиль следует загнать на смотровую канаву, проверить все провода и зачистить электрические контакты. Если причина мигания лампы ABS не будет обнаружена, то дальнейшие поиски неисправности следует продолжить в специализированном автосервисе.
Существует ряд особенностей, связанных с обслуживанием или ремонтом тормозной системы с ABS. Например, перед заменой тормозной жидкости следует разрядить аккумулятор давления в гидроблоке ABS. Для этого при выключенном зажигании необходимо раз двадцать нажать на педаль тормоза. Следует помнить, что, включая зажигание, вы одновременно подключаете электронасос в гидроблоке ABS. Если система разгерметизирована, то жидкость из нее просто выгонит. Но этот же прием можно использовать при прокачке системы — зажигание включают ровно настолько, сколько из прозрачного шланга, надетого на штуцер для прокачки, будут выходить пузырьки воздуха.