Перспективы совершенствования тормозного управления
Постоянно увеличивающаяся энергоемкость автомобилей, повышение числа экстренных торможений из-за роста интенсивности и плотности транспортных потоков на первое место выдвинули два основных направления развития конструкции тормозных систем, которые остаются приоритетными:
совершенствование процесса взаимодействия поверхностей трения и отвода тепла колесных тормозных механизмов;
совершенствование процесса управления и максимального использования сцепления шин с дорогой.
Совершенствование процесса взаимодействия поверхностей трения и отвода тепла колесных тормозных механизмов направлено на получение фрикционных материалов и разработку конструкций дисков, колодок и суппортов, способных противостоять очень высоким температурам и, в то же время, быстро отводить высокую температуру от поверхностей трения.
Современные тормозные накладки изготавливаются из смеси фенольных смол, каучуков и металлических включений в виде порошков и стружки: смолы сохраняют высокий коэффициент трения при температурах 100-150 °С, металл обеспечивает работу накладки без разрушений при высоких удельных давлениях до 8 МПа и способствует отводу части тепла. В процессе производства колодок на ОАО «ВАТИ», г. Волжский, применяется технология «термоудара», которая стабилизирует фрикционные свойства и позволяет эффективно тормозить без длительного периода приработки колодки к контртелу.
Увеличение скорости теплопередачи стало возможным за счет установки в колесные тормозные механизмы массивных дисков с вентиляционными каналами, всасывающими воздух в центре диска и выводящими его за счет центробежной силы на периферии. В гоночных автомобилях подается принудительно холодный воздух под давлением внутрь каналов вентилируемого тормозного диска. Изготовители переходят от использования чугунов в качестве материала дисков на композиты. На некоторых моделях автомобилей высшего класса Porsche и Mercedes-Benz применены «керамические» диски, способные выдерживать очень высокие температуры и механические нагрузки.
В совершенствовании процесса управления и максимального использования сцепления шин с дорогой наиболее перспективно применение антиблокировочных систем (АБС). Принцип АБС заключается в следующем: датчики скорости колеса подают информацию о состоянии колес на электронный блок управления (ЭБУ), который посредством заложенной в нем программы решает, когда колесо начинает блокироваться, и через систему сервоклапанов, растормаживает колесо. Чтобы тормозное управление можно было повторно использовать, система нуждается в собственном источнике гидравлического давления, иначе педаль тормоза будет «проваливаться» каждый раз, когда АБС подает импульс. Необходимые компоненты АБС - датчики скорости колеса, электронный процессор (блок управления), программа (алгоритм функционирования АБС), сервоклапаны, гидравлический насос с электрическим приводом и аккумулятор давления.
Конструкции АБС разнообразны, однако, в любой из них используется зависимость коэффициента сцепления φх от степени проскальзывания λ колеса, определяемой из выражения
где
и 
- соответственно, линейная скорость центра колеса и угловая скорость колеса.
При
имеет место чистое качение колеса и λ = 0.
При
колесо катится с проскальзыванием (ведомый и тормозной режимы) и 0 < λ < 1.
Если
,
то λ = 1, колесо при этом движется не вращаясь, возникает юз.
При
колесо катится с пробуксовыванием (активный режим) и λ < 0. При уменьшении скорости 
до нуля колесо вращается, но автомобиль остается на месте и λ стремится к бесконечности. Максимальный коэффициент сцепления φхмах и граничная степень проскальзывания λтр соответствуют наиболее эффективному режиму торможения. Таким образом, основным назначением АБС является создание такого режима торможения, при котором степень проскальзывания колеса была близка λтр, а коэффициент сцепления - максимальному значению φхмах . Рассмотрим работу АБС, рис. 2.13. При воздействии тормозного момента Мтор угловая скорость колеса уменьшается, возникает инерционный момент М„ = JKeк, где JK и ек - момент инерции и угловое замедление колеса.
Рис. 2.13. Схема работы АБС: а - моменты, действующие на затормаживаемое колесо; б - изменение моментов на затормаживаемом колесе от степени проскальзывания
Пренебрегая сопротивлениями качению и воздуха, найдем момент Мх касательной реакции Rx дороги: Мх = Rxr = Rxrφх = МТ0р - Jkɛk. Очевидно, что Мх всегда меньше Мтор на величину Jkɛk. При изменении Мтор от нуля возрастает проскальзывание и момент Мх, который увеличивается до максимума (точка В соответствует граничному значению степени проскальзывания λтр). После этого φх и Мх начинают быстро уменьшаться, а угловое замедление колеса возрастает. Во избежание блокировки колеса АБС уменьшает тормозной момент, делая это с некоторым запаздыванием (точка С). Момент Мтор снижается до некоторого предела (точка Е), после чего поддерживается на постоянном, заранее установленном уровне (отрезок EF). Уменьшение Мтор вызывает понижение углового замедления, которое в точке D падает до нуля (колесо вращается равномерно), затем становится отрицательным, что означает разгон колеса. В точке F тормозной момент начинает увеличиваться, а угловое ускорение колеса уменьшается, и в точке G колесо снова вращается равномерно. Затем тормозной момент возрастает до точки А, после чего цикл работы АБС повторяется. Таким образом, тормозной момент при работе этой системы изменяется по контуру ACDEFGA, в результате чего реализуются значения λ, близкие λтр, и значения φх, близкие к φхмах .
При работе АБС колесо то замедляет вращение, то разгоняется. Каждый цикл начинается при меньшей скорости затормаживаемого колеса. Современные электронные АБС за счет высокой частоты периодических колебаний (2-10 Гц) обеспечивают колебания по величине λ относительно λтр в пределах 0,05-0,1, при этом коэффициент сцепления выдерживается у максимального значения с точностью до 1,0 %. На рис. 2.14 приведена схема электронной АБС с сервоклапаном. При вращении ротора 1 в поле магнита 2 в обмотке 3 индуктируется ток, частота и амплитуда которого пропорциональны угловой скорости колеса. Сигналы от датчика поступают в ЭБУ 4. Блок управляет электромагнитным сервоклапаном 5.
Программы управления АБС могут быть неадаптивные (алгоритм поддерживает заданную величину λ) и адаптивные (сами определяют ее оптимальную величину). Известен алгоритм функционирования АБС для условия регулирования угловой скорости колеса ωх по скорости автомобиля υя, обеспечивающий максимальный коэффициент сцепления φхмах в продольном направлении с учетом динамического радиуса колеса R0:
для сухого асфальта 
;
для мокрого асфальта 
.
Наибольшее распространение получили «трех- и четырехка- нальные» варианты установки АБС. Трехканальные АБС управляют передними тормозными механизмами индивидуально, а при начале блокирования одного из задних колес устанавливают одинаковые тормозные моменты на задних тормозных механизмах. Однако, максимальную эффективность и устойчивость торможения обеспечивают АБС с датчиками и модуляторами на каждом колесе. При движении автомобиля, оборудованного АБС, по дороге с сухим покрытием тормозной путь в среднем уменьшается на 10-15 %, а по дороге с мокрым покрытием - на 20-25 %. Одновременно повышается курсовая устойчивость ТС. Поперечное отклонение заторможенного автомобиля от направления движения при наличии АБС уменьшается почти вдвое.
В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, подтверждающий существенное повышение активной безопасности ТС при применении АБС. Вместе с тем, исследования показали, что во время экстренного торможения водители не в состоянии поддерживать максимально возможное усилие в течение всей аварийной остановки. Это добавляет несколько метров к минимально возможному остановочному пути.
Исследования также показали, что при введении АБС в циклический режим работы, остановочный путь может быть уменьшен за счет увеличения давления в приводе тормозов. Концепция совместной работы сервопривода и АБС реализована фирмой Mercedes в системе ЕВА (Electronic Brake Assistance), которая по характеру перемещения педали тормоза определяет начало аварийного торможения. После начала критического торможения до остановки автомобиля сервомотор ЕВА создает максимальную тормозную силу, вплоть до блокирования колес, или до полного отпускания водителем педали тормоза. ЕВА может использоваться, только когда АБС работоспособна.
С момента разработки АБС потенциально открылся путь к электронному управлению тормозной системой (ЕВМ). На техническом семинаре в середине 1998 года компания BMW представила свои планы развития, цель которых определить архитектуру системы, которая объединит компоненты тормозного управления и программное обеспечение (системы управления) и позволит развивать новые свойства, а именно: динамический контроль торможения (DBC) и активный круиз-контроль (АСС). Система DBC является обновленным аналогом ЕВА. АСС - обеспечивает автоматическое замедление ТС, когда измеренная дистанция до впереди идущего автомобиля меньше, чем минимум, разрешенный для существующей скорости.
Концепция ограничения использования гидравлики в тормозных механизмах или полный отказ от нее в целом позволит увеличить эффективность торможения ТС и надежность тормозного управления за счет электрической передачи сигналов между педалью тормоза и исполнительными механизмами колесных тормозов о перераспределении тормозного усилия по бортам согласно нагрузке на колесах.