مقدمه
متوقف ساختن خودرو مهم تر از به حرکت در آوردن آن است .
خودرویی که روشن نشود ممکن است راننده اش را خشمگین سازد ولی وقتی براه افتاد و در مسیر عبور و مرور قرار گرفت ، اگر ترمز آن معیوب بوده و یا راننده نتواند بدرستی از ترمز آن استفاده نماید ، چه بسا ممکن است بصورت دام مرگ درآید ..
ترمز ناگهانی و قفل شدن چرخها مهمترین خطریست که خودرو را تهدید مینماید .
قفل شدن چرخها از دو جهت برای خودرو خطرناک است ، این وضعیت در بسیاری از مواقع فاصله ترمزگیری را افزایش داده و مهمتر از آن کنترل فرمان چرخها نیز از اختیار خارج می شود ، خصوصاً در جاده های خیس و برفی یا یخ زده که خطر قفل شدن چرخها بیشتر وجود دارد ، نیاز به سیستمی که بتواند ترمز چرخها را کنترل کرده و از لیز خوردن چرخها جلوگیری نماید ، بیش از پیش احساس می شود .
تاریخچه سیستم ABS
در ابتدای دهه 1970 کمپانی دایملر بنز ، گروهی از مهندسین و کارشناسان خود را مامور بررسی و آزمایش سیستمی نمود که از سال 1959 پیشنهاد گردیده و بطور قطعی بر روی آن کار شده بود .
گروه مهندسی دایملر بنز برای پیشبرد کار خود با کمپانی تلدیکس وارد عمل شد و مدتها بر روی آن کار شد اما نتیجه مطلوبی نداد و گروه مهندسی مجبور گشتند قرارداد خود را با کمپانی فوق لغو کرده و یک قرارداد جدید با کمپانی بوش ببندند .
این گروه پس از ماهها فعالیت موفق گردیدند سیستم ضد بلوکه ترمز (ABS) را در اواسط دهه هفتاد عرضه کنند .
بدین ترتیب کمپانی دایملر بنز اولین کمپانی بود که توانست این سیستم را به صورت گسترده در خودروهای خود بکار گیرد.
کمپانیهای بی‌ام و و تویوتا در ادامه ، فعالیت خود را در این زمینه آغاز کردند .
از اواسط دهه هشتاد تعداد بیشتری از کمپانی های سازنده شروع به نصب سیستم ضد بلوکه ترمز نمودند ، مثل کمپانیهای پژو ، رنو ، سیتروئن ، لانچیا و خصوصاً هوندا که موفق گردید سیستو ضد بلوکه پیشرفته‌تری نسبت به سایر کمپانیها به روی خودروهایش نصب نماید.
سیستمهای اولیه ABS فقط چرخهای عقب را کنترل می کردند ، با این هدف که پایداری خودرو در هنگام عمل ترمزگیری بر روی سطوح لغزنده حفظ شده و خودرو ثبات بیشتری داشته باشد .
به تدریج این سیستم پیشرفته‌تر شد به شکلی که در دهه هشتاد سیستمهای ABS که ترمز چهار چرخ را کنترل میکردند بر روی خودروها نصب گردید.
سیستم ABS امروزه در اکثر تولیدات کمپانیهای بزرگ خودروساز بصورت استاندارد بر روی خودروهای شخصی و کامیونهای سبک نصب می شود و یا در برخی از خودروها بصورت انتخاب برای مشتری قرار داده می شود .
سیستم ABS چیست ؟
ترمزهای معمولی با ایجاد این دو نوع مقاومت باعث توقف و یا کاهش سرعت خودرو می شوند .
یک مقاومت ناشی از اصطکاک بین صفحات لنت و دیسک (و یا لنت های کفشکی و کاسه چرخ) و مقاومت دیگر ناشی از اصطکاک بین تایرهای خودرو و سطح جاده می باشد .
عمل ترمزگیری در صورتی با ثبات و کنترل شده انجام می شود که رابطه زیر بین مقاومت ایجاد شده توسط سیستم ترمز و مقاومت ایجاد شده توسط تایرها و سطح جاده برقرار باشد :
مقاومت بین سطح جاده و تایرها < مقاومت="" سیستم="">
با این وصف اگر رابطه قبل عکس شود ، چرخها قفل شده و خودرو شروع به سرخوردن می کند :
نیروی اصطکاک بین تایرها و سطح جاده > مقاومت سیستم ترمز
در نتیجه اگر چرخهای جلوی خودرو قفل شوند ، کنترل فرمان خودرو از دست خارج می شود ، و اگر چرخهای عقب قفل شوند ، باعث می شود که خودرو روی جاده سر خورده و دور خود بچرخد .
سیستم ABS ، فشار هیدرولیکی را که به سیلندر چرخها وارد می شود به گونه ای کنترل می کند که از قفل شدن چرخها در روی جاده های لغزنده و یا هنگام ترمزهای شدید جلوگیری شود .
همچنین پایداری کنترل فرمان خودرو هنگام ترمز گرفتن حفظ شود .
در یک سیستم ترمز معمولی (بدون سیستم ABS) اگر عمل ترمز گیری در یک جاده لغزنده صورت گیرد ، راننده برای جلوگیری از عدم کنترل خودرو ، می بایست به صوورت تلمبه زدن (فشار دادن و رها کردن متناوب پدال ترمز) پدال ترمز را فشار دهد تا خودرو متوقف شود .
در خودروهایی که مجهز به سیستم ABS هستند این عمل به طور اتوماتیک انجام می شود ، با این تفاوت که کنترل ترمز در این حالت بسیار دقیقتر و صحیح تر می باشد .
اصول کارکرد سیستم ABS
وقتی که یک خودرو با سرعت ثابت حرکت می کند ، سرعت حرکت خودرو با سرعت چرخهای آن متناسب است ، به عبارت دیگر لغزش تایرها وجود ندارد .
اما وقتی راننده به منظور کم کردن سرعت خودرو ، بر روی پدال ترمز فشار می آورد ، سرعت چرخها به تدریج کم شده و تناسب چرخها با بدنه خودرو نیز از بین می رود ، باید توجه داشت که بدنه خودرو به سبب نیروی اینرسی تمایل به حرکت دارد ، در این حالت یک لغزش کوچک بین چرخها و سطح جاده ایجاد می شود .
اختلاف بین سرعت بدنه خودرو و سرعت چرخها توسط نرخ لغزش شناخته می شود .
نرخ لغزش توسط عبارت زیر محاسبه می گردد :
100% =
سرعت چرخ سرعت خودرو
= نرخ لغزش
سرعت خودرو
نرخ لغزش حالتی را نشان می دهد که چرخ به طور آزاد حرکت کرده و با هیچ نوع مقاومتی مواجه نیست .
همچنین نرخ لغزش 100% نیز مبین است که چرخ کاملاً قفل شده است و تایر کاملا بر روی جاده می لغزد .
وقتی اختلاف بین سرعت چرخ و سرعت خودرو زیاد می شود ، لغزش بین تایر و سطح جاده زیاد شده و این خود باعث ایجاد اصطکاک شده که نیروی ترمزی را تولید می کند و نهایتاً سرعت خودرو کم می شود .
ارتباط بین نیروی ترمزی و نرخ لغزش در نمودار زیر نشان داده شده است .
نیروی ترمزی ضرور تا با نرخ لغزش همیشه مرتبط نیست ، اما بیشترین مقدار نیروی ترمزی اتفاق می افتد که نرخ لغزش بین 10% تا 30% شود و نیروی ترمزی در نرخ لغزش بالاتر از 30% به تدریج کاهش می یابد ، بنابرایی به منظور در اختیار داشتن ماکزیمم نیروی ترمزی در تمام مواقع ، همواره لازم است که نرخ لغزش بین 10% تا 30% قرار داشته باشد .
به علاوه لازم است که پایداری خودرو در بیشترین سطح خود در حالت ترمزگیری حفظ گردد .
به این منظور نرخ لغزش در حد 30% 10% برای ایجاد بیشترین کارآیی ترمز بدون توجه به وضعیت سطح جاده قرار داشته ، ضمن اینکه پایداری فرمان پذیری خودرو در این حالت حفظ شده و مشکلی برای آن به وجود نخواهد آمد .
به علاوه لازم است که پایداری خودرو در بیشترین سطح خود در حالت ترمزگیری حفظ گردد .
به این منظور نرخ لغزش در حد 30% ـ 10% برای ایجاد بیشترین کارآیی ترمز بدون توجه به وضعیت سطح جاده قرار داشته ، ضمن اینکه پایداری فرمان پذیری خودرو در این حالت حفظ شده و مشکلی برای آن به وجود نخواهد آمد .
توجه : 1- در جاده هایی با سطح لغزنده که ضریب اصطکاک ( µ )پایینی دارند ، فاصله ترمزگیری در مقایسه با سطوح جاده با ضریب اصطکاک بالا ، افزایش می یابد .
حتی در صورت فعال بودن سیستم ترمز ABS ، به همین دلیل با وجود سیستم ترمز ضد قفل ، اکیداً توصیه می شود که بر روی جاده های لغزنده با سرعت پایین رانندگی شود .
2- در جاده های شنی ، یخی و یا پوشیده از برف که سطح جاده به شدت لغزنده می باشد ، وجود سیستم ABS باعث می شود که فاصله ترمزگیری نسبت به ترمز عادی بیشتر گردد .
عملکرد کلی سیستم ABS سنسورهای سرعت با تشخیص سرعت چرخش چرخها ، اطلاعات مربوطه را به صورت سیگنال به ECU مربوط به ترمز ABS ارسال می نمایند ECU وضعیت چرخها را (با محاسباتی که اطلاعات اولیه آن را سرعت خودرو و تغییرات سرعت چرخشی چرخها تشکیل میدهد) به دست می آورد .
در وضعیت ترمزگیری شدید ، ECU به گونه ای به فعال کننده سیستم فرمان می دهد که فشار بهینه را بر هر کدام از ترمزها اعمال نماید .
واحدهای کنترل فشار هیدرولیک ترمز براساس فرمانی که از ECU می گیرد ، فشار هیدرولیک را کاهش یا افزایش داده و یا فشار هیدرولیک را براساس نیاز ثابت نگه می دارد ، تا اینکه نرخ لغزش مورد نیاز (30% ـ 10%) برای جلوگیری از قفل شدن چرخها ایجاد شود .
سنسورهای سرعت چرخ سنسورهای سرعت چرخ های عقب و جلو شامل یک آهنربای دائم ، کویل و یک هسته می باشند .محل نصب سنسورهای سرعت و نیز روتور سنسور همانند تعداد دنده های روتور سنسور بسته به مدلهای مختلف خودرو متفاوت است .
عملکرد سنسور سرعت چرخ دنده هایی که دور تا دور روتور قرار گرفته اند ، هنگام چرخش روتور یک ولتاژ AC را که فرکانس آن با سرعت چرخشی روتور متناسب است ، تولید می کنند .
این ولتاژ AC در ECU برای دریافت اطلاعات مورد نیاز سرعت چرخها مورد استفاده قرار می گیرد .
سنسور شتاب استفاده از سنسور شتاب ECU سیستم ABS را قادر می سازد تا مقدار شتاب منفی خودرو (شتاب هنگام توقف یا کم شدن سرعت) را اندازه گیری کرده و بدین ترتیب از شرایط و وضعیت سطح جاده بهتر مطلع شود ، در نتیجه دقت ترمزگیری برای جلوگیری از قفل شدن چرخها افزایش می یابد .
به سنسور شتاب ، سنسور G نیز گفته می شود .
ساختار سنسور شتاب سنسور شتاب از دو دیود نوری ، یک صفحه شکاف دار و یک مدار تبدیل سیگنال تشکیل شده است .
سنسور شتاب نرخ شتاب خودرو را حس کرده و آن را به صورت سیگنال به ECU میفرستد .
ECU با استفاده از این سیگنال ها وضعیت و مشخصات دقیقتر سطح جاده را برای تصمیم گیری مناسب تر به دست می آورد .
در بعضی از خودروها ، شتاب جانبی خودرو نیز تشخیص داده شده تا مشخص گردد آیا خودرو در سر پیچ جاده در حال گردش است یا خیر .
در حین گردش ، چرخهای داخلی (نزدیک به مرکز گردش) تمایل به هرز چرخیدن داشته در حالیکه چرخهای داخلی به سبب نیروی جانب مرکز ، محکم به سطح جاده فشرده می شوند ، به عبارت دیگر ، چرخهای داخلی در حین گردش خودرو براحتی قابل قفل شدن بوده ، در حالیکه چرخهای خروجی در برابر قفل شده مقاوم میباشند .
در سیستم کنترل شتاب جانبی ، پس از تععین اینکه خودرو در حال گردش است یا خیر ، فشار هیدرولیک وارد بر چرخ عقب و خارجی مسیر گردش نسبت به چرخ داخلی افزایش پیدا می کند .
یک سنسور ترانزیستوری نوری (مشابه آنچه در قبل توضیح داده شده) بصورت جانبی نصب شده است ، که شتاب جانبی را تعیین می کند .
سنسور دیگری که برای تعیین شتاب جانبی کاربرد دارد ، سنسور نوع نیمه هادی می باشد .
مزیتی که این نوع سنسور نسبت به سنسور ترانزیستوری نوری دارد این است که با یک واحد از این نوع سنسور شتاب سنج ، هم شتاب منفی خطی خودرو و هم شتاب جانبی تشخیص داده می شود .
عملکرد سنسور شتاب وقتی نرخ شتاب خودرو تغییر می کند ، صفحه شکاف دار مربوطه در جهت شتاب منفی خودرو و متناسب با نرخ شتاب حول محور خود می چرخد .
با چرخیدن صفحه ، شیارها از مقابل دیود نوری عبور نموده و باعث قطع شدن نور دیود می شوند ، در نتیجه ترانزیستور گیرنده نیز با قطع و وصل شدن نور دیود ، از حالت روشن به حالت خاموش تغییر وضعیت می دهد .
اگر در یک شتاب سنج دو جفت دیود نوری و ترانزیستور استفاده شود ، با حرکت صفحه شکاف دار چهار حالت برای خاموش و روشن شدن گیرنده نوری ایجاد میشود ، که با این وصف نرخ شتاب به چهار مقدار تقسیم شده و به صورت سیگنال برای ECU فرستاده می شود .
فعال کننده ABS (ABS ACTUATOR) فعال کننده ABS با توجه به سیگنالهای ارتباطی که از ECU دریافت می کند ، به شکلی فشار روغن هیدرولیک هر کدام از ترمزها را کنترل می کند تا مقدار بهینه فشار روغن بر هر کدام از ترمزها اعمال شود .
بطور خلاصه یک سیستم فعال کننده را می توان به دو بخش مجزا تقسیم بندی نمود : عملکرد فعال کننده ECU (عملکردی که در زیر تشریح می شود برای خودروهای دیفرانسیل جلو کاربرد دارد).
وضعیت ترمز معمولی : (ABS فعال نیست) در مدتی که ترمز گیری معمولی انجام می گیرد ، سیستم ABS فعال نبوده و ECU هیچ پیام الکترونیکی را برای سیم پیچ های الکترونیکی ارسال نمی کند .
بنابراین شیر سلونوئیدی توسط برگشت فنر بسته شده و دریچه A در هنگامی که دریچه B توسط فنر برگشتی بسته می شود ، باز می ماند .
وقتی که پدال ترمز فشرده می شود ، فشار روغن سیلندر اصلی بالا می رود و روغن ترمز از دریچه A عبور کرده و به دریچه C رسیده و با عبور از دریچه C به سیلندر ترمز فرستاده می شود .
شیر یک طرفه شماره 1 که بالای پمپ نصب شده است از ورود روغن به پمپ جلوگیری می کند .
وقتی پدال ترمز رها می شود ، روغن ترمز از طریق دریچه C و سپس دریچه A و همچنین شیر یک طرفه شماره 3 که در شیر سلونوئیدی قرار دارند به سیلندر اصلی بر می گردد .
وضعیت ترمز اضطراری (ABS فعال است) وقتی که یکی از چرخها در یک ترمز ناگهانی در حال قفل شدن است فعال کننده ABS فشار روغن وارد بر ترمز مربوط به چرخ را با استفاده از سیگنالهای دریافتی از ECU کنترل کرده ، در نتیجه از قفل شدن چرخ جلوگیری می شود .
1ـ حالت کاهش فشار : وقتی یکی از چرخها در حال قفل شدن است ، ECU جریانی (حدود 5 آمپر) را به سیم پیچ سلونوئیدی میفرستد و یک نیروی مغناطیسی قوی تولید می شود شیر سه وضعیته کاملا به طرف بالا حرکت کرده و بدین وسیله دریچه A بسته شده و دریچه B باز می شود .
با انجام گرفتن فرآیند فوق ، روغن ترمز از سیلندر چرخ خارج شده و بعد از عبور از دریچه های B و C در سلونوئیدی سه وضعیته به مخزن می رسد در همین هنگام ، موتور پمپ توسط سیگنالهای دریافتی از ECU شروع بکار می کند و روغن موتور از مخزن به سیلندر اصلی برگشت داده می شود .
از سوی دیگر با بسته شدن دریچه A از وارد شدن روغن به شیر سه وضعیته جلوگیری می شود .
شیرهای تنظیم شماره 3 و 1 نیز از برگشت روغن به سلونوئید و پمپ جلوگیری می کنند ، در نتیجه فشار روغن هیدرولیک کاهش یافته و از قفل شدن چرخ جلوگیری می شود .
2- وضعیت ثابت نگهداشتن فشار وقتی فشار وارده بر سیلندر ترمز با کاهش و یا افزایش سافتن به مقدار مناسب خود رسید ، سنسورهای سرعت سنج با فرستادن سیگنالهای مربوطه به ECU اعلام می نماید که سرعت چرخ مناسب است و نیاز به تغییر ندارد ، سپس ECU جریان 2 آمپری را به کویل سلونوئید جهت ثابت نگهداشتن فشار روغن می فرستد .
وقتی جریان 2 آمپری به کویل سلونوئید میرسد (توجه شود که در حالت کاهش فشار ، جریان 5 آمپری که به کویل سلونوئید فرستاده می شود) شیر سه وضعیته توسط نیروی مغناطیسی ایجاد شده به وسیله جریان 2 آمپری (که از نیروی مغناطیسی ایجاد شده به وسیله جریان 5 آمپری کمتر است) در وسط قرار گرفته و در نتیجه هر دو دریچه A و B بسته می شود .
3- وضعیت افزایش فشار : وقتی فشار وارد بر سیلندر ترمز نیاز می شود که افزایش یابد ، ECU هیچ جریانی برای کوئل سلونوئید نمی فرستد .
این کار باعث می شود که دریچه A باز شده و دریچه B بسته بماند .
در نتیجه روغن سیلندر اصلی از دریچه C عبور کرده و به سیلندر ترمز می رسد .
میزان افزایش فشار هیدرولیک ترمز با تکرار عملیات کاهش فشار یا ثابت ماندن فشار قابل کنترل می باشد .
فعال کننده ABS با شیر سلونوئیدی دو وضعیته اگر چه شیر سلونوئیدی سه وضعیته در گذشته عموماً مورد استفاده قرار می گرفت ، اما اخیراً از شیرسلونوئیدی دو وضعیته در بیشتر مدل خودروها استفاده می شود .
اصول کارکرد فعال کننده ABS همان است که بیشتر توضیح داده شد .
فقط شیرسلونوئیدی آنها متفاوت است .
وضعیت شیرها و موتور پمپ در یک فعال کننده با شیر سلونوئیدی دو وضعیته : ABS ECU براساس سیگنالهای ارسالی از طرف سنسورهای سرعت چرخها ، ABS ECU سرعت دورانی چرخها و در نتیجه سرعت خودرو را دریافت می کند .
هنگام ترمز گرفتن ، اگرچه سرعت چرخها کاهش می یابد ، اما مقدار شتاب منفی خودرو به سرعت چرخها در حین ترمز گیری و همچنین به وضعیت سطح جاده (خشک بودن ، خیس بودن ، یخی بودن و …) بستگی دارد .
ECU براساس تغییر سرعت چرخها ، مقدار لغزش چرخها را بر روی سطح جاده تشخیص داده و مقدار فشار تقسیم شده فعال کننده را کنترل می نماید و به این طریق فشار بهینه هیدرولیک بر ترمز چرخها وارد شده تا از قفل شدن چرخها جلوگیری شود .
کنترل سرعت چرخها ECU به طور مداوم سرعت چهار چرخ را از سنسور چرخها به صورت سیگنال دریافت کرده و سرعت خودرو را نیز با استفاده از اختلاف سرعت چرخها و شتاب خودرو تخمین می زند .
وقتی پدال ترمز فشار داده می شود ، فشار هیدرولیک وارد بر چرخ افزایش یافته و سرعت چرخ شروع به کاهش یافتن می کند .
اگر هر کدام از چرخها شروع به قفل شدن نماید ، فشار هیدرولیک وارد بر سیلندر چرخ مربوطه کاهش یافته و از قفل شدن چرخ جلوگیری می شود .
بخش A : ECU شیر سه وضعیته را در وضعیت کاهش فشار قرار می دهد ، این تصمیم گیری براساس کاهش سرعت و کاهش فشار انجام می شود .
بر این اساس فشار هیدرولیک چرخ نیز کاهش می یابد .
بعد از کاهش فشار ، ECU شیر سه وضعیته را در وضعیت ثابت نگهداشتن فشار قرار می دهد ، اگر ECU تشخیص دهد که فشار هیدرولیک وارد بر سیلندر بیشتر باید کاهش یابد ، این کار انجام شود .
بخش B : وقتی فشار هیدرولیک مدار کاهش می یابد (بخشA ) ، فشار هیدرولیک وارد بر سیلندر چرخ نیز افت پیدا می کند .
این کار باعث دور شدن وضعیت چرخ از حالت قفل شدگی می شود ، به هر حال اگر کاهش فشار ادامه پیدا کند ، نیروی لازم جهت ترمز گیری افت پیدا کرده به این جهت ECU اقدام به تغییر وضعیت شیر سه مرحله ای می نماید و آن را در وضعیت افزایش فشار و یا ثابت نگهداشتن فشار قرار می دهد .
این وضعیت در حالتی ایجاد می شود که چرخ از خطر قفل شدگی دور شده باشد .
بخش C : وقتی فشار هیدرولیک به تدریج افزایش می یابد (بخش B ) چرخ مربوطه تمایل به قفل شدن پیدا می کند .
بنابراینECU دوباره سلونوئید شیر سه وضعیته را در حالت کاهش فشار قرار داده تا فشار هیدرولیک وارد بر سیلندر کاهش یابد .
بخش D : چون فشار هیدرولیک دوباره کاهش پیدا می کند ، (بخش C )، ECU همانند بخش B اقدام به افزایش فشار هیدرولیک می نماید .
توجه : اگرچه ممکن است سیگنالهای ارسالی از ECU به شیر سلونوئیدی در مدلهای مختلف خودرو تفاوت داشته باشد ، اما کنترل سرعت چرخها در تمامی مدلها مشابه مطالبی است که در بالا توضیح داده شد .
100% =سرعت چرخ ـ سرعت خودرو= نرخ لغزش100% =سرعت خودرو= نرخ لغزش جزءکارکردکارکردشیر سلونوئیدی (واحد کنترل)در مدت فعالیت سیستم ترمز ضد قفل ECUیکی از سه حالت افزایش فشار هیدرولیک،ثابت ماندن فشار یا کاهش فشار هیدرولیک را بر اساس سیگنالهای دریافتی انتخاب می نماید .مخزن و پمپ(واحد کاهش فشار)در هنگام کاهش فشار ، روغن ترمز از سیلندرهای ترمز توسط پمپ به سیلندر اصلی برگشته و مخزنهای نیز پر می شوند.
پمپ فعال کننده از نوع پمپ پیستونی می باشد نام قسمتعملکردشیر سلونوئیدیدریچه A باز دریچه B بستهموتور پمپکار نمی کند نام قسمتعملکردشیر سلونوئیدیدریچه A بسته دریچه B بازموتور پمپکار می کند نام قسمتعملکردشیر سلونوئیدیدریچه A بسته دریچه B بستهموتور پمپکار می کند نام قسمتعملکردشیر سلونوئیدیدریچه A باز دریچه B بستهموتور پمپکار می کند عملکردعملکردشیر ثابت نگهدارندهشیر کاهش فشارموتور پمپدرهنگام ترمز معمولی (ABS غیر فعال)درهنگام ترمز معمولی (ABS غیر فعال)دریچه A بازدریچه B بستهخاموشدر هنگام ترمز اضطراری (ABS فعال)کاهش فشاردریچه A بستهدریچه B بازروشندر هنگام ترمز اضطراری (ABS فعال)فشار ثابتدریچه A بستهدریچه B بستهروشندر هنگام ترمز اضطراری (ABS فعال)افزایش فشاردریچه A بازدریچه B بستهروشن