część 2 Kompendium praktycznej wiedzy Autor: mgr inż. Stefan Myszkowski Dodatek techniczny do WIADOMOŚCI Inter Cars SA nr 48/Marzec 2013 Spis treści Dodatki techniczne dostępne w wersji elektronicznej na www.intercars.com.pl Układ ABS 6. 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. Od autora 2 7. Zadania układów ABS 13 Zachowanie się samochodu 2 8. Schemat układu ABS 14 podczas hamowania Hamowanie samochodu poruszającego się po linii prostej Hamowanie samochodu poruszającego się po łuku Hamowanie samochodu poruszającego się po linii prostej, na nawierzchni o różnej przyczepności po jego obu stronach Zmiana nacisku kół na nawierzchnię drogi, a wartość siły hamowania Amortyzatory a wartość siły hamowania 9. Układ ABS jako układ regulacji 16 10. Zakresy wartości poślizgu koła, 18 regulowane przez układ ABS 11. Zasada regulacji ciśnienia płynu hamulcowego przez układ ABS 11.1. Ustawienia rozdzielaczy hydraulicznych modulatora ciśnienia układu ABS 18
Szanowni czytelnicy, Od autora przepraszam, że w poprzednim i częściowo w tym Dodatku Technicznym poszedłem na działkę naukową (trzeba czasami spojrzeć w lustro). Ja ją lubię, ale wiem, że trudno z niej o chleb w serwisie samochodowym. W następnych, Dodatkach Technicznych będzie zdecydowanie więcej informacji praktycznych. Dużą część tego Dodatku technicznego poświęcam zachowaniu się samochodu podczas hamowania. Tę wiedzę traktuję jako podstawę do prezentacji i oceny układów ABS - kiedy są pomocne kierowcy, a kiedy mogą mu przeszkadzać w skutecznym hamowaniu. Często, w czasopismach motoryzacyjnych, jest wiele błędnych informacji i niesprawiedliwych opinii o układach ABS. Ja też wolałbym być Panem swojego samochodu, również hamując, a tu jest konkurencja, czyli ABS. Spójżmy jednak krytycznie. Ilu zwykłych kierowców trenuje jazdę w zakresie bezpieczeństwa (nie mówię o jeździe sportowej, bo to coś innego)? Statystycznie, układy ABS złagodziły skutki wielu wypadków i uratowały wiele ludzkich żyć. Sądzę, że niesprawiedliwe oceny układów ABS wynikają częściowo z niewiedzy lub niezrozumienia zasad ich pracy. Gdy czytam zdanie, że układ ABS nie sprawdza się na lodzie to znaczy, że autor nie wie o ograniczeniach układu ABS - można tu sparafrazować popularne powiedzenie wyżej praw fizyki nie podskoczysz, sam Pan wisz. Są wprawdzie sytuacje, w których bez ingerencji układu ABS, można by skrócić drogę hamowania, ale jest ich niewiele i zdarzają się rzadko. Powinny o nich informować instrukcje obsługi samochodów. Inną sprawa to sport samochodowy, ale tu niespodzianka... firma Bosch produkuje tzw. sportowy ABS, do samochodów wyczynowych. Prawie 12 lat temu kupiłem samochód z ABS. Przyznam, że szukałem najpierw wersji bez ABS-u, ale wybrana wersja silnikowa miała go standardowo. W przekonaniu się do tego układu pomogły mi zajęcia z zakresu bezpieczeństwa techniki jazdy w Mercedesie i BMW. Dzisiaj, postrzegam układ ABS, jako bardzo potrzebny w samochodzie. Na koniec jeszcze informacja - będzie jeszcze cz.3 Dodatku Technicznego o układach ABS. 6. Zachowanie się samochodu podczas hamowania Jest wiele okoliczności, które mogą zaskoczyć kierowcę podczas hamowania. O wielu, przeciętny kierowca nie wie, lub zapomina o ich istnieniu w chwili zagrożenia. A te chwile trwają ułamki sekund i mogą być brzemienne w skutkach. Celem tego rozdziału jest pokazanie przykładowych niespodzianek, które mogą zaskoczyć kierowcę podczas hamowania lub uczynić to hamowanie mniej skutecznym. Opisy przedstawione w tym rozdziale odnoszą się do samochodów bez układów ABS. Będą opisywane w kolejnych rozdziałach. Pozwalają one uniknąćć niebezpiecznych zachowań się samochodu podczas hamowania lub uczynić ich przebieg takim, by mniej zaskakiwał kierowcę nagłym przebiegiem. Stefan Myszkowski stefan.myszkowski@skk.auto.pl Zdjęcie na okładce - hydrauliczny modulator i sterownik układu ABS (Źródło: Continental AG) Rys.30 Warunki idealnego hamowania. Oznaczenia na rysunku: F H1 do F H4 - siły hamowania działające na niezablokowane koła samochodu; F BZ - siła bezwładności, występująca podczas hamowania samochodu; F ZAK - siła zakłócająca, która stara się zmienić tor ruchu samochodu. Opis rysunku w podrozdziale 6.1. 2 Dodatek techniczny
6.1. Hamowanie samochodu poruszającego się po linii prostej Teoretycznie najlepiej, aby każde hamowanie samochodu poruszającego się po linii prostej, przebiegało w warunkach idealnych, czyli w następujących warunkach: suma sił hamowania po lewej stronie samochodu (F H1 + F H3 ) była równa sumie sił hamowania po jego prawej stronie (F H2 + F H4 ) - patrz rys.30a; na samochód nie działają żadne siły zakłócające (F ZAK, rys.30a), które mogą być powodowane przez np. boczny wiatr, nierówności na drodze, przebiegało na drodze bez bocznego pochylenia (rys.30b). Jeśli powyższe warunki są spełnione, to na koła samochodu działają tylko siły hamowania, które równoważy siła bezwładności (F BZ ), działająca na samochód w środku ciężkości (umownie). Na pojazd nie działają wówczas żadne siły lub momenty obrotowe, które mogą zmienić kierunek jego ruchu. W warunkach rzeczywistych, nawet hamowanie samochodu poruszającego się po linii prostej, nie przebiega często w warunkach idealnych. Hamowanie samochodu poruszającego się po linii prostej, może być trudne dla kierowców, ponieważ wówczas: koncentrują się głównie na hamowaniu; zakładają, że gdy będą chcieli zmienić tor ruchu samochodu, bez przerywania hamowania, samochód podda się ich woli; nie spodziewają się, że samochód może sam zmienić tor ruchu. Podczas hamowania, samochód może nie zmienić toru ruchu, zgodnie z wolą kierowcy, lub uczynić to samowolnie, jeśli jedno lub więcej kół ulegnie zablokowaniu. Nawet w starszych konstrukcyjnie pojazdach umiejętność rozpoznawania momentu zablokowania koła była rzeczą trudną, wymagającą treningu. Wiem to z osobistego doświadczenia. W ramach treningów związanych z rajdami samochodowymi trenowałem ten element jazdy na różnych nawierzchniach (jest to podstawa tzw. techniki sportowego hamowania) i wiele, wiele godzin zajęło mi jego opanowanie, co później nie ustrzegło mnie przed błędami (zablokowanie kół podczas hamowania, a konsekwencji późniejsze kłopoty z utrzymaniem zaplanowanego toru jazdy). W mojej ocenie jeszcze trudniej jest wyczuć ten moment, we współczesnych samochodach. Różne elementy tłumiące skutecznie oddzielają kierowcę od drgań i dźwięków, które są związane z pracą mechanizmów podwozia, w tym szczególnie tych, które generują opony współpracujące z nawierzchnią drogi. Przejdźmy do prezentacji typowych zachować hamowanego samochodu, poruszającego się po linii prostej, gdy koła osi przedniej, tylnej lub wszystkie ulegną zablokowaniu. Jeśli samochód porusza się po linii prostej i jest hamowany (rys.31a-1), to kierowca bez przerywania hamowania może wykonać skręt, np. aby ominąć przeszkodę na drodze. Warunkiem wykonania tego manewru jest to, aby: obok sił hamowania (F H1 i F H2, rys.31a-2) powstały siły boczne (F B1 i F B2 ) kół przednich; siły boczne (F B1 i F B2 ) umożliwią wykonanie skrętu, który planuje kierowca, pod warunkiem, że ich wartość będzie w danych warunkach wystarczająca by zmienić tor ruchu samochodu (wartość siły bocznej zależy od siły nacisku koła na nawierzchnię drogi i od współczynnika tarcia bocznego opony. Rys.31 Hamowanie samochodu poruszającego się po linii prostej bez (rys.a-1 i a-2) lub z utratą kierowalności samochodu (rys.b-1 i b-2). Oznaczenia na rysunku: F H1 do F H4 - siły hamowania działające na niezablokowane koła samochodu; F H5 i F H6 - siły hamowania działające na przednie, zablokowane koła samochodu; F B1 i F B4 - siły boczne działające na niezablokowane koła samochodu; F B5 i F B6 - siły boczne działające na przednie, zablokowane koła samochodu, o wartości bliskiej zeru. Opis rysunku w podrozdziale 6.1. Jeśli podczas hamowania nastąpi zablokowanie kół przednich samochodu (rys.31b-1), wówczas siły hamowania zablokowanych kół przednich (F H5 i F H6, rys.31b-1) będą mieć wartość mniejszą od maksymalnej, możliwej do uzyskania w danych warunkach. Jednak, gdy kierowca będzie próbował skręcić, to okaże się, że samochód nie wykona tego polecenia. Dodatek techniczny 3
Powodem jest to, że siły boczne zablokowanych kół przednich (F B5 i F B6) ), mają wartość bliską zeru. Samochód pojedzie prosto bez zmiany kierunku ruchu. Takie zachowanie samochodu nazywamy utratą kierowalności ruchu samochodu. Inna niebezpieczna sytuacja wystąpi wówczas, gdy w samochodzie jadącym po linii prostej, podczas hamowania, nastąpi zablokowanie kół tylnych (rys.32a). Powstaną siły hamowania (F H1 i F H4 ) wszystkich kół. Dla kół tylnych, wskutek ich zablokowania, wartości sił hamowania (F H3 do F H4 ) będą mniejsze od maksymalnych, możliwych do uzyskania w danych warunkach. Również z powodu zablokowania kół tylnych, wartości ich sił bocznych (F B3 i F B4 ) są bliskie zeru. Jeśli np. lewe przednie koło samochodu najedzie na wzniesienie na nawierzchni drogi (rys.32a) wówczas powstaje moment obrotowy (M O ), który rozpoczyna obrót samochodu wokół jego osi pionowej. Siły boczne zablokowanych kół tylnych (F B3 i F B4 ), o blisko zerowej wartości, nie są w stanie zahamować tego obrotu (rys.32b). Odchylenie od prostoliniowego toru ruchu szybko rośnie. Jeśli kierowca nie będzie jemu przeciwdziałał, to samochód może się obrócić o znaczny kąt wokół swojej osi pionowej. Nastąpi wówczas niezamierzona zmiana kierunku ruchu. Jedynym ratunkiem dla kierowcy jest skręt kierownicy, zwany popularnie kontrą, dla zrównoważenia momentu obrotowego (M O ). W sytuacji przedstawionej na rys.32 - powinien być to skręt kierownicą w prawo. Takie zachowanie samochodu nazywamy utratą stateczności ruchu samochodu. Takie samo zachowanie samochodu, w przypadku zablokowania tylnych kół podczas hamowania, może spowodować wiatr boczny, który wieje z siłą F WB (rys.33). Taka sytuacja może zaskoczyć kierowcę, gdy np. hamuje a jednocześnie wyjeżdża zza ściany lasu. Tu również osobista uwaga Jeśli ktoś wcześniej, w bezpiecznych warunkach, np. na parkingu, blokując tylne koła hamulcem ręcznym, nie próbował: Rys.32 Jeśli podczas hamowania nastąpi zablokowanie tylnych kół samochodu (rys.a), to najechanie na miejscowe wzniesienie nawierzchni drogi może spowodować utratę jego stateczności (rys.b). Oznaczenia na rysunku: F H1 i F H2 - siły hamowania działające na przednie, niezablokowane koła samochodu; F H3 i F H4 - siły hamowania działające na tylne, zablokowane koła samochodu; F B3 i F B4 - siły boczne działające na tylne, zablokowane koła samochodu, o wartości bliskiej zeru; M O - moment obrotowy, powodujący obrót samochodu wokół osi pionowej. Opis rysunku w podrozdziale 6.1. Rys.33 Jeśli podczas hamowania nastąpi zablokowanie tylnych kół samochodu (rys.a), to działanie wiatru bocznego może spowodować utratę jego stateczności (rys.b). Oznaczenia na rysunku: F H1 i F H2 - siły hamowania działające na przednie, niezablokowane koła samochodu; F H3 i F H4 - siły hamowania działające na tylne, zablokowane koła samochodu; F B3 i F B4 - siły boczne działające na tylne, zablokowane koła samochodu, o wartości bliskiej zeru; M O - moment obrotowy, powodujący obrót samochodu wokół osi pionowej. Opis rysunku w podrozdziale 6.1. 4 Dodatek techniczny
Rys.34 Jeśli podczas hamowania nastąpi zablokowanie wszystkich kół samochodu (rys.a), to działanie wiatru bocznego może spowodować przesunięcie samochodu prostopadle do, początkowego, prostoliniowego kierunku ruchu (rys.b). Oznaczenia na rysunku: F H1 do F H4 - siły hamowania działające na zablokowane koła samochodu; F B1 do F B4 - siły boczne działające na zablokowane koła samochodu, o wartości bliskiej zeru; F WB - siła wiatru bocznego. Opis rysunku w podrozdziale 6.1. jak zachowuje się samochód, który utracił stateczność, a może to nastąpić nie tylko podczas hamowania; jak temu przeciwdziałać, odpowiednią kontrą kierownicą; to w warunkach rzeczywistych, gdy zostanie tym nagle zaskoczony, tego nie wykona. Wspomniana kontra kierownicą musi być odpowiednio szybka, o odpowiedni kąt. Za mała nie zatrzyma obrotu samochodu. Za duża spowoduje obrót samochodu w przeciwną stronę. Sytuację pogarsza fakt, że na odcinkach prostych samochody przeważnie poruszają się z dużymi prędkościami, a kierowcy są przeważnie zaskakiwani nieoczekiwaną utratą stateczności pojazdu. Kierowca musi wówczas wykonywać kontry szybko, a margines na pomyłki jest mały. Kolejna niebezpieczna sytuacja wystąpi wówczas, gdy samochód porusza się po linii prostej i jest tak hamowany, że nastąpi zablokowanie wszystkich kół pojazdu (rys.34a). Siły hamowania wszystkich zablokowanych kół (F H1 do F H4 ), będą mieć wartości mniejsze od maksymalnych, możliwych do uzyskania w danych warunkach Wartości sił bocznych wszystkich zablokowanych kół (F B1 do F B4 ) mają wartości bliskie zeru. Kierowca czuje, że samochód jest hamowany, ale może nie wiedzieć, że gdy wystąpi jakaś siła boczna, np. siła wiatru bocznego (F WB ), to nastąpi przesunięcie samochodu prostopadle do kierunku ruchu (rys.34b). 6.2. Hamowanie samochodu poruszającego się po łuku Rozważania tego zagadnienia wymaga przypomnienia: co to jest kąt znoszenia bocznego koła; jaka jest zależność, w postaci wykresu, pomiędzy siłą boczną (na styku opony i nawierzchni drogi) a kątem znoszenia bocznego koła dla różnych rodzajów nawierzchni i opon; wykres ten jest na rys.22, w Dodatku Technicznym pt. Układy ABS - cz.1. Dla uproszczenia naszych rozważań przyjmuję, że przed hamowaniem, samochód porusza się po łuku w warunkach równowagi, czyli siła odśrodkowa (F OP1, rys.35a), która na niego działa, jest równoważona przez sumę się bocznych, wszystkich kół pojazdu (F B1 do F B4 ). Aby na styku opony i nawierzchni drogi powstała siła boczna, koło musi poruszać się z określoną wartością kąta znoszenia bocznego. W tym przykładzie przyjrzymy sie zewnętrznym kołom - przedniemu i tylnemu. Kąt znoszenia bocznego, np. prawego przedniego koła (α P1, rys.35a), zawiera się pomiędzy płaszczyzną symetrii koła (1), a kierunkiem ruchu koła (2). Przeanalizujemy teraz zachowanie samochodu, jadącego po łuku, w chwili rozpoczęcia hamowania (rys.35b) oraz już w jego trakcie (rys.35c). 1. Z chwilą naciśnięcia pedału hamulca rozpoczyna się hamowanie (rys.35b). Przyjmujemy w tym przykładzie, że żadne z kół nie zostanie zablokowane. Pojawiają się siły hamowania (F H5 i F H8 ). Powodują chwilowe zmniejszenie wartości sił bocznych (F B5 do F B8 ), ponieważ maleje wartość współczynnika tarcia bocznego opony o nawierzchnię, (rys.24 w Dodatku Technicznym pt. Układy ABS - cz.1 ). 2. Bezpośrednio po naciśnięciu pedału hamulca, siła odśrodkowa F OP1 działająca na samochód będzie większa od sumy sił bocznych (F B5 do F B8, rys.35b) działających na wszystkie koła pojazdu (przed rozpoczęciem hamowania była równowaga pomiędzy tymi siłami - rys.35a). Początkowo nie zmienią się również wartości kątów znoszenia bocznego poszczególnych kół, - w naszym przykładzie zewnętrznych kół osi przedniej i tylnej (α P1 i α T1 ) 3. Dla uzyskania ponownej równowagi pomiędzy siłą odśrodkową (F OP3,) a sumą sił bocznych (F B9 do F B12 ) działających na wszystkie koła pojazdu, muszą wzrosnąć wartości kątów znoszenia dla poszczególnych kół pojazdu. W naszym przykładzie wartości kątów znoszenia kół zewnętrznych osi przedniej i tylnej rosną od wartości α P1 i α T1 (rys.35a i b) do wartości α P2 i α T2 (rys.35c). Poszukiwanie tej równowagi wiąże się z określonym zachowaniem samochodu na łuku. Jeśli kąty znoszenia kół przednich wzrosną o większa wartość niż kąty znoszenia kół tylnych, wówczas zwiększy się promień toru ruchu samochodu (rys.36a) - mówimy o podsterownym zachowaniu się samochodu. Jeśli kąty znoszenia kół tylnych wzrosną o większą wartość niż kąty znoszenia kół przednich, wówczas zmniejszy się Dodatek techniczny 5
Rys.35 Siły działające na samochód podczas: rys.a - ruchu po łuku, gdy koła nie są hamowane, a siła odśrodkowa jest równoważona przez sumę sił bocznych; rys.b - ruchu po łuku, w chwili, w której rozpoczyna się hamowanie kół, bez ich blokowania, ale siła odśrodkowa nie jest jeszcze równoważona przez sumę sił bocznych; rys.c - ruchu po łuku, gdy koła są hamowane, bez ich blokowania a siła odśrodkowa jest równoważona przez sumę sił bocznych. Oznaczenia na rysunku: F B1 do F B12 - siły boczne działające na koła samochodu; F H5 do F H12 - siły hamowania działające na koła samochodu; F OP1 i F OP2 - siły odśrodkowe działająca na samochód; V P1 i V P2 - prędkości samochodu; α P1 i α - kąty znoszenia prawego P2 przedniego koła samochodu; α T1 i α - kąty znoszenia prawego tylnego koła samochodu. Opis rysunku w podrozdziale 6.2. T2 Rys.36 Hamowanie, bez blokowania kół, towarzyszące jeździe samochodu po łuku, powoduje, że samochód zachowuje się: rys.a - podsterownie; rys.b - nadsterownie; rys.c - neutralnie. Opis rysunku w podrozdziale 6.2. 6 Dodatek techniczny
promień toru ruchu samochodu (rys.36b) - mówimy o nadsterownym zachowaniu się samochodu. Jeśli kąty znoszenia kół przednich i tylnych wzrosną o taką samą wartość, wówczas promień toru ruchu samochodu nie zmieni się (rys.36c), ale samochód wykonuje obrót o określony kąt, wokół swojej osi pionowej, w tę samą stronę, w którą skręca, lub inaczej, przód samochodu zbliża się do wewnętrznej a tył do zewnętrznej strony zakrętu. Mówimy wówczas o neutralnym zachowaniu się samochodu. Zachowania samochodu, który jedzie w zakręcie i jest hamowany, proszę nie mylić z tzw. charakterystyką sterowności pojazdu (pod-, nadsterowną lub neutralną). Przy jej wyznaczaniu samochód przejeżdża zakręt ze stałą prędkością, a więc bez przyspieszania lub hamowania. Analizując bardzie szczegółowo przypadek hamowania samochodu poruszającego się po łuku (rys.36), należałoby jeszcze uwzględnić, że: Rys.37 Utrata kierowalności przez samochód podczas jazdy po łuku (rys.a) i jej następstwo (rys.b). Oznaczenia na rysunku: F H5 i F H6 - siły hamowania działające na przednie, zablokowane koła samochodu; F H3 i F H4 - siły hamowania działające na tylne, niezablokowane koła samochodu; F B5 i F B6 - siły boczne działające na przednie, zablokowane koła samochodu, o wartości bliskiej zeru. Tory ruchy samochodu: T1 - przewidywany przez kierowcę, gdy kierowca przejeżdża przez łuk i nie hamuje lub hamuje, ale bez blokowania kół samochodu; T2 - będący następstwem utraty kierowalności samochodu. Opis rysunku w podrozdziale 6.2. zwiększenie wartości kątów znoszenia bocznego zmniejsza wartości współczynników tarcia wzdłużnego, co zmniejsza siły hamowania (F H9 do FH 12 ); w trakcie przejazdu łuku i jednoczesnego hamowania, zmniejsza sie prędkość pojazdu, np. od wartości V P1 do V P2, co ogólnie ujmując wpływa na zachowanie się samochodu, np. maleje wartość siły odśrodkowej. W przykładach na rys.35 i 36 założyliśmy między innymi, że jest osiągana równowaga pomiędzy siłą odśrodkową a siłami bocznymi. Może być jednak tak, że na łuku drogi hamujemy samochód, który jedzie z prędkością zbliżoną do maksymalnej, z którą dany zakręt można przejechać. Przed rozpoczęciem hamowania siła odśrodkowa jest równoważona siłami bocznymi poszczególnych kół, ale po rozpoczęciu hamowaniu siły boczne o niższych wartościach mogą nie być w stanie, zrównoważyć siły odśrodkowej. W przykładach na rys.35 i 36 założyliśmy również, że podczas hamowania nie nastąpi zablokowani jednego lub więcej kół pojazdu. Teraz, analogicznie jak przy ruchu samochodu po linii prostej (podrozdział 6.1.), przeanalizujemy zachowanie się samochodu poruszającego się po łuku, i jednocześnie hamowanego, gdy podczas tego hamowania nastąpi zablokowanie przednich, tylnych lub wszystkich kół. W odróżnieniu od ruchu po linii prostej, na łuku nastąpi natychmiastowa zmiana toru ruchu. Jeśli zostaną zablokowane koła osi przedniej (rys.37a), czyli samochód utraci kierowalność, promień toru ruchu przewidywanego przez kierowcę (T1, rys.37b), nagle się zwiększy - tor T2. Jeśli kierowca nie będzie przeciwdziałał tej zmianie toru ruchu, to samochód będzie poruszał się po prawie prostym torze ruchu (tor T2) i opuści zakręt po jego zewnętrznej stronie. Aby się ratować, kierowca powinien zmniejszyć siłę hamowania (trudne bez treningu) lub przerwać hamowanie - dla odzyskania możliwości kierowania samochodem, a następnie wykonać korektę toru ruchu samochodu, jeśli na nią pozwoli przyczepność opon do nawierzchni. Jeśli zostaną zablokowane koła osi tylnej (rys.38a), czyli samochód utraci stateczność, promień toru ruchu przewidywany przez kierowcę (T1, rys.38b), nagle się zmniejszy - tor T2. Jeśli kierowca nie będzie przeciwdziałał tej zmianie toru ruchu, to samochód będzie wykonywał obrót wokół swojej osi pionowej i tor ruchu samochodu będzie się zacieśniał. Samochód może wykonać obrót o znaczy kąt (nawet o półobrotu lub więcej) i opuści zakręt po jego wewnętrznej stronie. Aby się ratować, kierowca powinien wykonać tzw. kontrę kierownicę - np. w sytuacji przedstawionej na rys.38b należy skręcić kierownicą w prawo, zmniejszyć siły hamowania lub przerwać hamowanie, aby zdecydowanie zwiększyć wartość sił bocznych kół tylnych (F B3 i F B4, rys.38a). Jeśli zostaną zablokowane wszystkie koła pojazdu (rys.39a), wówczas tor ruchu samochodu, przewidywany przez kierowcę (T1, rys.39b), odchyli się nagle w kierunku zewnętrznej strony zakrętu - tor T2. Jeśli kierowca nie bę- Dodatek techniczny 7
Rys.38 Utrata stateczności przez samochód podczas jazdy po łuku (rys.a) i jej następstwo (rys.b). Oznaczenia na rysunku: F H1 i F H2 - siły hamowania działające na przednie, niezablokowane koła samochodu; F H3 i F H4 - siły hamowania działające na tylne, zablokowane koła samochodu; F B1 i F B2 - siły boczne działające na przednie, niezablokowane koła samochodu; F B3 i F B4 - siły boczne działające na tylne, zablokowane koła samochodu, o wartości bliskiej zeru; M O - moment obrotowy, powodujący obrót samochodu wokół jego osi pionowej. Tory ruchy samochodu: T1 - przewidywany przez kierowcę, gdy kierowca przejeżdża przez łuk i nie hamuje lub hamuje, ale bez blokowania kół samochodu; T2 - będący następstwem utraty stateczności samochodu. Opis rysunku w podrozdziale 6.2. Rys.39 Zachowanie się samochodu poruszającego się po łuku, wskutek zablokowania wszystkich kół samochodu (rys.a) i jego następstwa (rys.b). Oznaczenia na rysunku: F H1 do F H4 - siły hamowania działające na zablokowane koła samochodu; F B1 do F B4 - siły boczne działające na zablokowane koła samochodu, o wartości bliskiej zeru. Tory ruchy samochodu: T1 - przewidywany przez kierowcę, gdy kierowca przejeżdża przez łuk i nie hamuje lub hamuje, ale bez blokowania kół samochodu; T2 - będący następstwem zablokowania wszystkich czterech kół samochodu. Opis rysunku w podrozdziale 6.2. dzie przeciwdziałał tej zmianie toru ruchu, to samochód zostanie dosłownie wyrzucony na zewnętrzną stronę zakrętu. W stosunku do sytuacji, gdy zablokowaniu ulegną tylko przednie koła samochodu (rys.37b), samochód opuści drogę ustawiony pod innym katem względem toru ruchu (rys.39b), a z praktyki dopowiem, że uczyni to bardziej gwałtownie. Aby się ratować, kierowca powinien w praktyce natychmiast przerwać hamowanie, aby na wszystkich kołach pojazdu pojawiły się ponownie siły boczne (F B1 do F B4 ). Zmniejszenie wartości sił hamowania, może się okazać niewystarczające, bo siły boczne dla kół hamowanych, mniejsze od sił bocznych dla kół niehamowanych, mogą nie powstrzymać samochodu poruszającego się w kierunku zewnętrznej strony zakrętu. 6.3. Hamowanie samochodu poruszającego się po linii prostej, na nawierzchni o różnej przyczepności po jego obu stronach Jeśli samochód porusza się po linii prostej, jest hamowany na nawierzchni o jednakowej wartości współczynnika tarcia, nie występują czynniki zakłócające (patrz podrozdział 6.1.), hamulce są sprawne a ogumienie właściwe (jednakowe na każdej z osi lub na wszystkich kołach) i panuje w nich prawidłowe ciśnienie, to suma sił hamowania po lewej stronie samochodu (F HL, rys.40) będzie równa sumie sił hamowania po prawej stronie samochodu (F HP ). Nie występuje wówczas moment obrotowy, który powoduje obrót samochodu wokół jego osi pionowej - samochód zachowa prostoliniowy tor ruchu. Inaczej będzie wówczas, gdy opony kół obu stron pojazdu hamowanego, współpracują z nawierzchnią o różnych war- 8 Dodatek techniczny
Rys.40 Hamowanie samochodu na nawierzchni o jednakowej wartości współczynnika tarcia. Oznaczenia na rysunku: F HL - suma sił hamowania po lewej stronie samochodu; F HP - suma sił hamowania po prawej stronie samochodu. Opis rysunku w podrozdziale 6.3. tościach współczynnika tarcia. Jeśli przykładowo (rys.41a) nawierzchnię po lewej stronie drogi cechuje współczynnik tarcia o wartości wyższej niż nawierzchnię prawej stronie (na środku drogi może być np. mokry asfalt, a po jej prawej stronie może leżeć warstwa ujeżdżonego śniegu), wówczas podczas hamowania suma sił hamowania po lewej stronie pojazdu (F HL ) jest większa niż suma sił hamowania po prawej stronie pojazdu (F HP ). Ta różnica sił hamowania powoduje powstanie momentu obrotowego (M O ), który powoduje, że samochód skręca w lewą stronę (w kierunku, po której suma sił hamowania jest większa). Aby przeciwdziałać tak powodowanej zmianie kierunku ruchu samochodu, kierowca musi skręcić koła przednie w kierunku przeciwnym do tego, w którym samochód sam skręca - na rys.41b kierowca musi skręcić koła w prawo. Uzyskany w ten sposób moment obrotowy korygujący (M K, rys.41b), równoważy moment obrotowy (M O ), powodowany różną wartością sił hamowania po obu stronach samochodu. Dzięki tej równowadze samochód porusza się nadal po linii prostej. Szczególnym wyzwaniem dla kierowcy samochodu bez ABS (tylko takich samochodów dotyczy ten rozdział) jest hamowanie na nawierzchni o zmiennej skokowo, w sposób przypadkowy, wartości współczynnika tarcia (rys.42). W zależności od rodzaju nawierzchni, po której w danej chwili porusza się każde z kół samochodu, również w sposób przypadkowy zmieniają się: wartości sił hamowania tych kół (F H1 do F H4 ); sumy sił hamowania po lewej stronie pojazdu (F H1 + F H3 ) i po prawej stronie pojazdu (F H2 + F H4 ). Rzadko występuje więc równowaga pomiędzy sumami tych sił. W konsekwencji, podczas hamowania, samochód w sposób przypadkowy, skręca lekko w lewo lub w prawo, o różny kąt. W przypadku braku układu ABS (tylko w tej sytuacji!), najlepszą metodą jest szybka zmiana nacisku na pedał hamulca, nazywana hamowaniem pulsacyjnym (tylko zmiana siły nacisku, bez zdejmowania nogi z pedału hamulca). Przeważnie skraca to drogę hamowania i uspokaja samochód. Rys.41 Hamowanie samochodu na nawierzchni, której lewa strona ma większa wartość współczynnika tarcia od strony prawej (rys.a). Dla utrzymania prostoliniowego toru ruchu samochodu podczas hamowania konieczna jest korekta toru ruchu, przez skręt kierownicą (rys.b). Oznaczenia na rysunku: F HL - suma sił hamowania po lewej stronie samochodu; F HP - suma sił hamowania po prawej stronie samochodu, M O - moment obrotowy, powodujący obrót samochodu wokół jego osi pionowej; M K - moment korygujący, wywołany przez skręt kół przednich, równoważący moment obrotowy M O ; μ WL - współczynnik tarcia wzdłużnego nawierzchni, lewej strony drogi (o większej wartości); μ WP - współczynnik tarcia wzdłużnego nawierzchni, prawej strony drogi (o mniejszej wartości). Opis rysunku w podrozdziale 6.3. 6.4. Zmiana nacisku kół na nawierzchnię drogi, a wartość siły hamowania Wartość siły hamowania, pomiędzy oponą a nawierzchnią drogi, zależy od współczynnika tarcia pomiędzy oponą a nawierzchnia drogi oraz siły, nacisku koła na nawierzchnię drogi (wzór nr 2, Dodatek techniczny pt Układy ABS cz.1 ). W różnych sytuacjach, wartość siły nacisku koła na nawierzchnię drogi, każdego z kół pojazdu, może się zmieniać. Gdy maleje, pojawia się ryzyko zablokowania koła. Rys.42 Hamowanie samochodu na nawierzchni o skokowo zmiennej, w sposób przypadkowy, wartości współczynnika tarcia. Oznaczenia na rysunku: F H1 do F H4 - siły hamowania, działające na poszczególne koła samochodu o wartościach zmieniających się przypadkowo. Opis rysunku w podrozdziale 6.3. Dodatek techniczny 9
Rys.43 Rozkłady sił nacisku kół osi przedniej i tylnej samochodu, na nawierzchnię drogi, podczas: rys.a - jazdy samochodu bez hamowania; rys.b - jazdy samochodu i hamowania. Zmiany wartości sił nacisku kół osi przedniej i tylnej samochodu, na nawierzchnię drogi, zmieniają wartości sił hamowania kół osi przedniej i tylnej samochodu. Oznaczenia na rysunku: F NKT1 i F NKP1 - siły nacisku kół osi tylnej i przedniej, na nawierzchnię drogi, podczas jazdy samochodu bez hamowania; F NKT2 i F NKP2 - siły nacisku kół osi tylnej i przedniej, na nawierzchnię drogi, podczas jazdy samochodu i hamowania; F HT2 i F HP2 - siła hamowania kół osi tylnej i przedniej; F BZ2 - siła bezwładności, występująca podczas hamowania samochodu. Opis rysunku w podrozdziale 6.4. Gdy rośnie, można by zwiększyć siłę hamowania, dla skrócenia drogi hamowania. Poznajmy kilka typowych przykładów zmian rozkładu sił nacisku kół na nawierzchnię drogi i następstwa tych zmian. Większość samochodów osobowych ma zespół napędowy z przodu. Jeśli taki samochód stoi lub jedzie ze stałą prędkością, to nacisk kół osi przedniej na nawierzchnię (F NKP1, rys.43a), jest większy niż nacisk kół osi tylnej na nawierzchnię (F NKT1 ). Gdy pojazd jest hamowany (rys.43b), siła bezwładności (F BZ2 ) i siły hamowania kół osi przedniej i tylnej (F HP2 i F HT2 ) powodują zwiększenie nacisku kół osi przedniej na nawierzchnię (F NKP2 ) i zmniejszenia nacisku kół osi tylnej na nawierzchnię (F NKT2 ). Im większe jest opóźnienie podczas hamowania, tym o większą wartość zwiększa się siła nacisku kół osi przedniej na nawierzchnię drogi - nazywamy to dociążeniem, i jednocześnie zmniejsza się siła nacisku kół osi tylnych na nawierzchnię drogi - nazywamy to odciążeniem. Im mniejsza jest siła nacisku kół osi tylnej (F NKT2 ) do nawierzchni, tym mniejsza jest wartość siły hamowania kół osi tylnej (F HT2 ). Rośnie wówczas ryzyko zablokowania kół osi tylnej. Aby ono nie nastąpiło, wraz ze spadkiem siły nacisku kół osi tylnej (F NKT2 ) do nawierzchni, musi maleć siła hamowania hamulców kół osi tylnej (siła, którą generuje mechanizm hamulca). Inny problem występuje np. w samochodach ciężarowych i ciągnikach siodłowych. Gdy ciężarówka jest niezaładowana, wówczas nacisk kół osi tylnej i przedniej na nawierzchnię drogi zależy tylko od masy samej ciężarówki. Jej załadowanie powoduje, że nacisk kół osi tylnej na nawierzchnię drogi, rośnie w większym stopniu niż nacisk kół osi przedniej. Podczas hamowania (dla ułatwienia rozważań pomińmy zmianę rozkładu sił na osie, analogicznej do przedstawionej na rys.43), nacisk kół osi tylnej na nawierzchnię drogi, dla ciężarówki niezaładowanej (F NKT1, rys.44a), będzie mniejszy od nacisku kół osi tylnej, dla ciężarówki załadowanej (F NKT2, rys.44b). W związku z powyższym, maksymalna wartość siły hamowania kół osi tylnej ciężarówki niezaładowanej (F HT1, rys.44a), jest mniejsza jak siły hamowania kół osi tylnej ciężarówki załadowanej (F HT2, rys.44b). Gdy hamowana jest ciężarówka niezaładowana, wówczas konieczne jest zmniejszenie sił hamowania hamulców kół osi tylnej (siła, którą generuje mechanizm hamulca), aby nie wystąpiło zablokowanie kół osi tylnej. Natomiast, gdy hamowana jest ciężarówka załadowana, wówczas możliwe jest zwiększenie sił hamowania hamulców kół osi tylnej, oczywiście do granicy ich zablokowania. Jest to również konieczne dlatego, że przy hamowaniu ciężarówki załadowanej, dla uzyskania takich samych wartości opóźnień jak dla ciężarówki niezaładowanej, konieczne jest zwiększenie sił hamowania. Przeanalizujemy teraz, jak ukształtowanie drogi wpływa na zmianę wartości sił hamowania. Wjazdom na wzniesienia lub zjazdom z nich, towarzyszą zmiany wartości sił nacisku kół osi przedniej i tylnej na nawierzchnie drogi (rys.45). Jeśli jednocześnie pojazd jest hamowany, to wartości sił hamowania kół osi przedniej i tylnej, również się zmieniają. Jako punkt wyjściowy do rozważania przyjmijmy, że samochód jedzie po drodze poziomej i jest hamowany (rys.45a). Koła osi tylnej i przedniej naciskają na nawierzchnię drogi, odpowiednio z siłami (F NKT1 ) i (F NKP1 ). Siły hamowania kół osi tylnej i przedniej, zależne od wartości sił z którymi naciskają na nawierzchnię drogi, wynoszą odpowiednio (F HT1 ) i (F HP1 ). Jeśli samochód wjeżdża na wzniesienie (rys.45b), wówczas w porównaniu do jazdy po drodze poziomej, następuje dociążenie kół osi tylnej (F NKT2 > F NKT1 ) i o tę samą wartość odciążenie kół osi przedniej (F NKP2 < F NKP1 ). Pojawia się wówczas możliwość zwiększenia siły hamownia hamulców kół osi tylnej, bo rośnie wartość siły hamowania kół osi tylnej (F HT2 > F HT1 ). Jednocześnie należy zmniejszyć siłę hamownia hamulców kół osi przedniej, bo maleje wartość siły hamowania kół osi przedniej (F HP2 < F HP1 ), a więc zwiększa się ryzyko zablokowania kół osi przedniej. Jeśli samochód zjeżdża z wzniesienia (rys.45c), wówczas w porównaniu do jazdy po drodze poziomej, następuje odciążenie kół osi tylnej (F NKT3 < F NKT1 ) i o tę samą wartość dociążenie kół osi przedniej (F NKP3 > F NKP1 ). Należy wówczas zmniejszyć siłę hamownia hamulców kół osi tylnej, bo ma- 10 Dodatek techniczny
Rys.44 Rozkłady sił nacisku kół osi przedniej i tylnej samochodu ciężarowego, na nawierzchnię drogi, podczas: rys.a - hamowania samochodu ciężarowego niezaładowanego; rys.b - hamowania samochodu ciężarowego załadowanego. Oznaczenia na rysunku: F NKT1 i F NKP1 - siły nacisku kół osi tylnej i przedniej, na nawierzchnię drogi, podczas hamowania samochodu ciężarowego niezaładowanego; F NKT2 i F NKP2 - siły nacisku kół osi tylnej i przedniej, na nawierzchnię drogi, podczas hamowania samochodu ciężarowego załadowanego; F HT1 i F HP1 - siła hamowania kół osi tylnej i przedniej, samochodu ciężarowego niezaładowanego; F HT2 i F HP2 - siła hamowania kół osi tylnej i przedniej, samochodu ciężarowego załadowanego; F BZ1 - siła bezwładności, występująca podczas hamowania samochodu ciężarowego niezaładowanego; F BZ2 - siła bezwładności, występująca podczas hamowania samochodu ciężarowego załadowanego. Opis rysunku w podrozdziale 6.4. leje wartość siły hamowania kół osi tylnej (F HT3 < F HT1 ), a więc zwiększa się ryzyko zablokowania kół osi tylnej. Pojawia się również możliwość zwiększenia siły hamownia hamulców kół osi przedniej, bo rośnie wartość siły hamowania kół osi przedniej (F HP3 > F HP1 ) Duże niebezpieczeństwo grozi również kierowcy gdy pojazd porusza się z dużą prędkością i jest hamowany, a jednocześnie rozpoczyna się zjazd w dół. Występujące chwilowo odciążenie kół obu osi, a szczególnie tylnej, może spowodować utratę kontroli nad samochodem przez kierowcę. Podsumujmy ten podrozdział. W samochodach bez układu ABS, zmiana wartości siły hamowania hamulca każdego z kół, w zależności od chwilowej wartości siły nacisku tego koła na nawierzchnię drogi, jest trudna w realizacji. Kierowca ma bowiem tylko jeden pedał hamulca, którym może zmieniać jednocześnie siłę hamowania hamulców wszystkich kół. Pomocne są tzw. korektory sił hamowania hamulców. Zmniejszają i dostosowują ciśnienie płynu hamulcowego (wytwarzanego przez pompę hamulcową) lub ciśnienie sprężonego powietrza w układzie hamulcowym do: zmiennego obciążenia danej osi, wynikającego ze zmiany obciążenia pojazdu (ilość jadących osób, ładunku) lub rozkładu sił podczas hamowania; wielkość obciążenia pojazdu przypadającego na oś pojazdu określa się na podstawie pomiaru odległości tej osi od nadwozia; wartości opóźnienia występującego podczas hamowania; miarą opóźnienia jest wartość siły bezwładności działająca na mechanizm tzw. korektora bezwładnościowego. W samochodach osobowych, korektory sił hamowania obu typów stosuje się dla hamulców kół osi tylnej. W samochodach ciężarowych są wykorzystywane dwa rozwiązania: korektor sił hamowania tylko dla hamulców kół osi tylnej; oddzielne korektory sił hamowania, dla osi przedniej i tylnej. W przyczepach, stosuje się wspólny korektor sił hamowania dla kół osi przedniej i tylnej. W autobusach, stosuje się wspólny korektor sił hamowania dla kół osi przedniej i tylnej, lub nie stosuje się żadnego. Pomocnymi w rozwiązaniu powyższych problemów są układy ABS - o tym w kolejnych rozdziałach. Rys.45 Rozkłady sił nacisku kół osi przedniej i tylnej samochodu, na nawierzchnię drogi podczas hamowania samochodu: rys.a - na drodze poziomej; rys.b - na wjeździe na wzniesienie drogi; rys.c - na zjeździe z wzniesienia drogi. Zmiany wartości sił nacisku kół osi przedniej i tylnej samochodu, na nawierzchnię drogi, zmieniają wartości sił hamowania kół osi przedniej i tylnej samochodu. Oznaczenia na rysunku: F NKT1 i F NKP1 - siły nacisku kół osi tylnej i przedniej, na nawierzchnię drogi, podczas hamowania samochodu na drodze poziomej; F NKT2 i F NKP2 - siły nacisku kół osi tylnej i przedniej, na nawierzchnię drogi, podczas hamowania samochodu na wjeździe na wzniesienie drogi; F NKT3 i F NKP3 - siły nacisku kół osi tylnej i przedniej, na nawierzchnię drogi, podczas hamowania samochodu na zjeździe z wzniesienia drogi; F HT1 i F HP1 - siła hamowania kół osi tylnej i przedniej, podczas hamowania samochodu na drodze poziomej; F HT2 i F HP2 - siła hamowania kół osi tylnej i przedniej, podczas hamowania samochodu na wjeździe na wzniesienie drogi; F HT3 i F HP3 - siła hamowania kół osi tylnej i przedniej, podczas hamowania samochodu na zjeździe z wzniesienia drogi; F BZ1, F BZ2 i F BZ3 - siła bezwładności, występująca podczas hamowania samochodu, odpowiednio na drodze poziomej, na wjeździe na wzniesienie drogi i na zjeździe z wzniesienia drogi. Opis rysunku w podrozdziale 6.4. Dodatek techniczny 11
Rys.46 Zmiany wartości nacisku koła na nawierzchnię drogi w następstwie najechania na nierówność na nawierzchni drogi (rys.a), przy sprawnym (rys.b) lub niesprawnym (rys.c) amortyzatorze. Oznaczenia na rysunku: F NK - siła nacisku koła na nawierzchnię drogi; F H - siła hamowania koła; k1, k2 i k3 - kolejne pozycje poruszającego się i hamowanego koła; 1 do 3 - charakterystyczne punkty wykresu, przedstawiającego zmianę wartości siły nacisku koła na nawierzchnię drogi, przy sprawnym amortyzatorze; 4 do 7 - charakterystyczne punkty wykresu, przedstawiającego zmianę wartości siły nacisku koła na nawierzchnię drogi, przy niesprawnym amortyzatorze; F NK5 - najmniejsza wartość siły nacisku koła na nawierzchnię drogi, spowodowana niesprawnością amortyzatora; F H5 - najmniejsza wartość siły hamowania koła, spowodowana małą wartością siły nacisku koła na nawierzchnię drogi F NK5. Opis rysunku w podrozdziale 6.4. 6.5. Amortyzatory a wartość siły hamowania Częstym tematem, w kontekście prawidłowego stanu technicznego pojazdu, jest stan techniczny amortyzatorów i jego wpływ na zachowanie się samochodu podczas jazdy. Zależy od niego wartość siły hamowania, a więc długość drogi hamowania, a także możliwość kierowania samochodem. Upraszczając można stwierdzić, że jednym z zadań amortyzatora jest zapewnienie możliwie szybkiego tłumienia zmian siły nacisku koła na nawierzchni drogi. Zmiany te mogą być spowodowane np. nierównościami nawierzchni drogi lub nagłym dociążeniem lub odciążeniem koła, spowodowanym przez nagłe przyspieszanie lub hamowanie. Ponieważ w tym podrozdziale zajmujemy się hamowaniem, więc przeanalizujmy pracę sprawnego i niesprawnego amortyzatora hamowanego koła, po przejeździe koła przez nierówność drogi (rys.46). Hamowane koło jedzie po płaskiej nawierzchni drogi (koło k1, rys.46a). Naciska na nawierzchnie drogi z siłą (F NK ). Pomiędzy oponą a nawierzchnią drogi występuje siła hamowania (F H ). Chwilę po tym, jak koło wjedzie na nierówność na drodze (koło k2, rys.46a), siła nacisku koła na nawierzchnie drogi rośnie (pkt.1 wykresu, rys.46b). Gdy koło zjedzie ponownie na płaską nawierzchnię, wcześniejsze ugięcie elementów sprężystych zawieszenia powoduje zmniejszenie siły nacisku koła na nawierzchnię drogi (pkt.2 wykresu, rys.46b). Podczas dalszego ruchu koła, zmiany wartości siły nacisku koła na nawierzchnię drogi cyklicznie zmieniają się. Jeśli amortyzator jest sprawny, to wielkości tych zmian (amplitudy) są coraz mniejsze - szybko zanikają (pkt.3 wykresu, rys.46b). Jeśli natomiast amortyzator jest niesprawny, to: wartość siły nacisku koła na nawierzchnię drogi, po wjechaniu na nierówność drogi, osiągnie wartość większą niż dla sprawnego amortyzatora (pkt.4 wykresu, rys.46c); gdy koło zjedzie z nierówności na poziomą drogę (koło k3, rys.46a), wartość siły nacisku koła na nawierzchnię drogi osiągnie mniejszą wartość, niż dla sprawnego amortyzatora (siłą F NK5, pkt.5 wykresu, rys.46c); dłużej trwa tłumienie cyklicznych zmian wartości siły nacisku koła na nawierzchnię drogi (FNK) i wystąpią kolejne momenty, w których koło będzie z mniejszą siłą naciskało na nawierzchnię drogi (pkt.6 i 7 wykresu, rys.46c). Siła nacisku koła na nawierzchnie drogi, zmniejszona do wartości (F NK5, pkt.5 wykresu, rys.46c) wskutek niesprawności amortyzatora, powoduje że maleje siła hamowania koła (F H5 ), co może grozić zablokowaniem koła. Podobne ryzyko występuje również w pkt.6 i 7 (rys.46c). Ponadto, mniejsze chwilowo wartości siły nacisku koła na nawierzchnię drogi zmniejszają również wartości siły bocznej koła. Samochód może wówczas chwilowo tracić kierowalność lub stateczność, zależnie czy dotyczy to koła przedniego czy tylnego pojazdu. Jak więc widać stan technicznych amortyzatorów ma wpływ na długość drogi hamowania oraz przewidywalne dla kierowcy zachowanie się samochodu na drodze. Jak dowiemy się później, sprawne amortyzatory to również gwarancja prawidłowej pracy układu ABS. 12 Dodatek techniczny
7. Zadania układów ABS Są następujące, i co najważniejsze, realizowane w podanej kolejności. Dotyczą one układów ABS tylko wówczas, gdy są one aktywne podczas hamowania. Jak się bowiem później dowiemy, w samochodzie z układem ABS, wiele hamowań odbywa się bez jego udziału. Układ ABS obserwuje przebieg hamowania rozpoczętego przez kierowcę, czuwa nad jego przebiegiem, i aktywnie włącza się do pracy wówczas, gdy jest to konieczne - będzie to temat rozdziału 11. 1. Zapewnienie stabilności i kierowalności pojazdu. Pod pojęciem zapewnienia stabilności pojazdu rozumiemy przeciwdziałanie utracie przez pojazd stateczności lub kierowalności. Kierowalność pojazdu powinna umożliwić kierowcy (w granicach określonych przez fizykę) jazdę po łukach dróg oraz omijanie przeszkód na drodze, szczególnie gdy pojawiają się nagle. Zobaczmy jak to zadanie w praktyce realizuje układ ABS. Na rys.47 są dwa samochody: A - bez układu ABS, po nieudanym manewrze omijania przeszkody; B - z układem ABS, po udanym ominięciu przeszkody. Oba samochody rozpoczęły manewr omijania przeszkody w punktach tak samo oddalonych od przeszkody - samochód A w punkcie (2) a samochód B w punkcie (3). Proszę zauważyć, że samochód A nie zmienił swojego toru jazdy - pozostał on prostoliniowy. Przyczyną była utrata kierowalności, o czym świadczy to, że samochód A jedzie wprost, mimo, że ma skręcone koła przednie (1, rys.47). Nawiązując do informacji z podrozdziału 6.1. można stwierdzić, że na kołach przednich są siły hamowania, ale nie ma sił bocznych, które mogą zmienić tor ruchu samochodu, na zamierzony przez kierowcę. Samochód B, wyposażony w układ ABS, przeszkodę ominął, ponieważ dzięki układowi ABS, hamowane koła przednie nie zostały zablokowane - samochód nie utracił kierowalności. 2. Skrócenie drogi hamowania. Dla możliwie wszystkich rodzajów nawierzchni, od bardzo przyczepnych, po cechujące się bardzo małymi współczynnikami tarcia np. lód, układ ABS pracuje tak, aby skrócić drogę hamowania. Kierowca przez nieprawidłowe postępowanie, może zmniejszyć skuteczność układu ABS. Jak widać, zapewnienie pojazdowi stabilności i kierowalności jest ważniejsze niż uzyskanie możliwie krótkiej drogi hamowania, dla danego rodzaju nawierzchni. Wynika to z tego, że w wielu sytuacjach jest bezpieczniej, gdy kierowcy zapewnimy możliwość kierowania samochodem, nawet kosztem dłuższej drogi hamowania. Wiele niebezpiecznych sytuacji na drodze można rozwiązać przez zmianę kierunku ruchu, a dążenie do uzyskania maksymalnych sił hamowania może to utrudnić. Rys.47 Hamowanie i jednoczesne omijanie przeszkody przez samochody: A - bez układu ABS, z zablokowanymi kołami przednimi; B - z pracującym układem ABS. Charakterystyczne punkty na rysunku. 1 - skręcone i zablokowane koła samochodu A; 2 - punkt, w którym samochód A miał rozpocząć manewr omijania przeszkody, ale to nie nastąpiło, z powodu zablokowania przednich kół samochodu; 3 - punkt, w którym samochód B rozpoczął manewr omijania przeszkody, ponieważ jego koła przednie były hamowane, ale niezablokowane. (Źródło: Robert Bosch) Układ ABS musi więc stale wyważać pomiędzy dwoma powyższymi zadaniami. Odbywa się to w sposób następujący. Jeśli hamowanie odbywa się z aktywnym układem ABS, gdy jest tylko możliwe, układ ABS stara się maksymalnie skrócić drogę hamowania. Ale gdy zorientuje się, że może to pogorszyć stabilność i kierowalność samochodu, wówczas ich utrzymanie, a nie skrócenie drogi hamowania, jest zadaniem priorytetowym. Takich wyborów układ ABS musi przykładowo dokonywać, gdy samochód porusza się po linii prostej, ale: współczynnik tarcia jednej strony nawierzchni drogi jest zdecydowanie mniejszy niż drugiej - patrz rys.41; nawierzchnia drogi, o wyższej wartości współczynnika tarcia, jest miejscowo pokryta np. lodem - patrz rys.42; Szczególna sytuacja występuje, gdy samochód porusza się po łuku. Jak wiemy, dla każdego zakrętu jest tzw. prędkość graniczna przejazdu. Jest to maksymalna prędkość, przy której nienapędzany samochód może przejechać określony łuk drogi. Siły boczne są jeszcze w stanie zrównoważyć siłę odśrodkową działającą na samochód (wiemy to z wcześniejszych rozdziałów), dlatego samochód przejedzie przez zakręt. Gdy prędkość przejazdu przez zakręt jest większa od granicznej, siły boczne nie są w stanie zrównoważyć siły odśrodkowej i w następstwie poślizgu (kół osi przedniej, tylnej lub obu) samochód zostanie wyrzucony z zakrętu. Jeśli samochód jedzie po łuku i jego prędkość jest istotnie niższa od granicznej, a kierowca jednocześnie hamuje, to zadaniem układu ABS jest uczynienie, aby mimo hamowania samochód pozostał stabilny i kierowalny. Zwracam tu uwagę na warunek i jego prędkość jest istotnie niższa od granicznej, który pochodzi z książki firmy Bosch. Rozpoczęcie hamowania i jego kontynuacja, powoduje obniżenie wartości sił bocznych. Te mniejsze siły boczne, towarzyszące Dodatek techniczny 13
hamowaniu, muszą być w stanie utrzymać samochód na przewidzianym przez kierowcę torze ruchu - patrz rys.35 i 36 i ich opisy w podrozdziale 6.2. Wyzwaniem dla układu ABS są poprzeczne nierówności na drodze Podczas hamowania musi być przede wszystkim zachowana stabilność i kierowalność samochodu, oraz uzyskana możliwie krótka droga hamowania. Podobnie, jeśli podczas hamowania wystąpi zjawisko aquaplaningu dla jednego lub więcej kół. Układ ABS musi je wykryć, a następnie przeciwdziałać utracie przez samochód stabilności i kierowalności. Z pracy układu ABS wynikają również inne korzyści. Układ ABS, dzięki temu, że zapobiega blokowaniu kół podczas hamowania, chroni oponę przed lokalnym zużyciem - ilustruje je rys.48. Lokalne zużycie (spłaszczenie) opony, powoduje niewyważenie koła. Podczas niebezpiecznych sytuacji na drodze, układ ABS pozwala skoncentrować się kierowcy na manewrowaniu samochodem. Nie musi on wówczas pamiętać o wielu zależnościach i trudnościach związanych ze skutecznym hamowaniem samochodem bez układu ABS - patrz rozdział 6. Aby układ ABS mógł realizować powyższe zadania, muszą być spełnione określone wymagania techniczne, przedstawione poniżej. Układ ABS musi pracować w zakresie od prędkości maksymalnej, z którą samochód może się poruszać, do prędkości 2,5 km/h. Wg firmy Bosch, przy hamowaniu pojazdu, przy prędkościach poniżej 2,5 km/h, to czy wystąpi blokowanie kół czy nie, nie ma już istotnego znaczenia. Układ ABS nie może dohamowywać kół, w chwili, gdy kierowca zmniejsza siłę hamownia lub kończy hamowanie. Gdy podczas hamowania, z aktywnym układem ABS, nie jest rozłączone sprzęgło (jak się później dowiemy, należy to robić zawsze w chwili rozpoczynania hamowania awaryjnego), układ ABS powinien wykryć tę sytuację (drogą pośrednią) i dostosować do niej swoją pracę. Pracujący układ ABS nie może powodować narastania drgań, towarzyszących pracy zawieszenia. Układ ABS, musi cechować wysoka niezawodność. 8. Schemat układu ABS Podstawowe elementy przedstawia rys.49, a ich rozmieszczenie w samochodzie, na rys.50 Są też układy ABS rozbudowane o dodatkowe czujniki, ale rzadziej spotykane. Układy ESP, które zawierają w sobie układ ABS, montowane już Rys.48 Tarcie opony koła zablokowanego, o nawierzchnię drogi, podczas hamowania, tylko jednym miejscem jej obwodu (rys.a), skutkuje lokalnym, nadmiernym jej zużyciem (rys.b). Oznaczenia na rysunku: F NK - siła nacisku koła na nawierzchnię drogi; F H - siła hamowania koła; V P - prędkość pojazdu; n O - prędkość obrotowa koła. praktycznie powszechnie w nowoczesnych samochodach, współpracują z większą ilością czujników, ale nie są one tematem tego opracowania. Układ ABS dzielimy na części: elektyczno-elektroniczną i hydrauliczną. Mózgiem układu ABS jest sterownik (9). Zbiera informacje od czujników prędkości obrotowej kół (8), analizuje je, a na ich postawie steruje rozdzielaczami hydraulicznymi (4 i 6) oraz pompą(11). Analogicznie, jak w typowym układzie hamulcowym, kierowca przez naciśnięcie pedału hamulca (1), decyduje o momencie uruchomienia hamulców. Siła nacisku na pedał hamulca jest zwiększana przez siłownik układu wspomagania układu hamulcowego (2). Naciśnięty przez kierowcę pedał (1) powoduje, że pompa hamulcowa (3), tłoczy do układu hamulcowego płyn hamulcowy pod ciśnieniem. W tym miejscu muszę przekazać kilka ważnych informacji, do których będę powracał. Tak jak w każdym układzie hamulcowym, w momencie uruchomienia pompy hamulcowej, zbiornik płynu hamulcowego jest odłączany od pozostałej części układu hydraulicznego. Ilość płynu, która jest w tej części układu hydralicznego (jeśli jest on szczelny), nie zmienia się. Układ ABS, nie może samodzielnie, bez woli kierowcy uruchomić hamulców - on musi rozpocząć hamowanie, podczas którego układ ABS będzie aktywny lub nie (wyjaśnię to w podrozdziale 11.2, w części 3 Dodatku Technicznego ). Inne układy, które wykorzystują układ ABS w swojej pracy, jak np.: ASR (zapobiega poślizgom 14 Dodatek techniczny