Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Elektronické systémy brzdové soustavy Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Václav Kočí Brno 2012
Zadání bakalářské práce
2
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma elektronické systémy brzdové soustavy vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne………………………………………. podpis autora…………………………….
3
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval všem osobám, které my poskytly potřebné informace a rady. Zejména panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné rady v užití literatury a cenné připomínky k formální správnosti mé diplomové práce.
4
Abstrakt Cílem mé diplomové práce je vytvořit podrobný přehled konstrukce brzdové soustavy a souvisejících elektronických systémů a popsat návazné systémy jízdní stability. V úvodu se zabývám problematikou konstrukce brzd a brzdného procesu, včetně matematického vyjádření výpočtu brzdné dráhy. Dále popisuji jednotlivé druhy elektronických systémů brzdové soustavy. Správná funkčnost těchto systému je nezbytným předpokladem zkrácení brzdné dráhy a zlepšení stability jízdy po povrchu vozovky. Dále se věnuji popisu metodiky experimentálního testování systému ABS v reálných podmínkách, včetně grafického znázornění dat získaných měřením. Ve své práci se především snažím podat ucelený pohled na ty části vozidla, které napomáhají snižování rychlosti. Některé části textu jsou pro názornost doplněny obrázky.
Klíčová slova Brzdy, brzdění, ABS, brzdové zařízení, ESP, ESP II, ASR.
Abstract The aim of the thesis is to provide a detailed overview of the brake and related electronic systems construction and to describe consecutive systems of driving stability. Primarily, I intend to provide a comprehensive view on such a car components which assist speed reducing. In the opening part, I am dealing with the issue of brake construction and braking process, including mathematic calculation of the braking distance. Further, I am describing particular types of components as electronic braking systems. Functionality of these systems is crucial for shortening of the braking distance and for enhancement of driving stability. I am also dealing with the experimental ABS testing method carried out in real conditions, including graphic visualisation of data obtained in the course of the measurement. There are even some pictures attached to some parts of the text.
Keywords Brakes, braking, ABS, break system, ESP, ESP II, ASR.
5
Obsah: 1
ÚVOD....................................................................................................................... 9
2
CÍL PRÁCE ............................................................................................................ 10
3
TECHNICKÝ STAV BRZD A KONSTRUKCE BRZDOVÉ SOUSTAVY ........ 11
4
3.1.
Požadavky na technický stav brzd ................................................................... 11
3.2.
Konstrukce brzdové soustavy .......................................................................... 11
3.3.
Kapalinové brzdy ............................................................................................. 13
3.4.
Vzduchotlakové brzdy ..................................................................................... 14
3.5.
Hadice brzdové soustavy.................................................................................. 15
3.6.
Třecí brzdy ....................................................................................................... 15
3.6.1.
Bubnové brzdy.......................................................................................... 15
3.6.2.
Kotoučové brzdy....................................................................................... 16
PROCES A DYNAMIKA BRZDĚNÍ, BRZDNÁ DRÁHA .................................. 19 4.1.
5
Způsoby diagnostiky brzdné dráhy .................................................................. 21
4.1.1.
Na zkušební vozovce ................................................................................ 21
4.1.2.
Na válcové zkušebně ................................................................................ 22
4.1.3.
Brzdění v zatáčce ...................................................................................... 22
ELEKTRONICKÉ
SYSTÉMY
BRZDOVÉ
SOUSTAVY
A
NÁVAZNÉ
SYSTÉMY JÍZDNÍ STABILITY................................................................................... 23 5.1.
Elektrohydraulická a elektromechanická brzda ............................................... 23
5.1.1.
Elektrohydraulická brzda (EHB) .............................................................. 23
5.1.2.
Elektromechanická brzda (EMB) ............................................................. 23
5.2.
Protiblokovací systém ABS ............................................................................. 23
5.2.1.
Regulace brzdění s opožďováním nárůstu gyroskopického momentu ..... 24
5.2.2.
Systém ABS 2S......................................................................................... 24
5.2.3.
Systém ABS 5.0 ........................................................................................ 25
5.2.4.
ABS pro vozidla s pohonem 4x4 .............................................................. 27 6
5.3.
5.3.1.
Regulace prokluzu přibrzděním hnacích kol ............................................ 27
5.3.2.
Regulace prokluzu řízením výkonu motoru.............................................. 27
5.4.
Systém dynamické stabilizace jízdy vozidla ESP............................................ 28
5.5.
Systém dynamické stabilizace jízdy vozidla ESP II ........................................ 31
5.6.
Systém jízdní stability ESP s funkcí DSR........................................................ 34
5.7.
Doplňkové funkce systémů jízdní stability...................................................... 35
5.7.1.
Stabilizace přívěsu .................................................................................... 35
5.7.2.
Systém sušení brzdových kotoučů............................................................ 35
5.7.3.
Rozjezd ve stoupání .................................................................................. 36
5.7.4.
Předpoklad prudkého brzdění ................................................................... 36
5.8.
Brzdění s podporou systému ACC................................................................... 38
5.9.
Brzdový asistent BAS ...................................................................................... 41
5.9.1.
Posilovač brzd přetlakový (hydraulický) .................................................. 41
5.9.2.
Posilovač brzd podtlakový........................................................................ 42
5.10.
Elektromechanická parkovací brzda............................................................. 42
5.11.
Elektronický dělič brzdného účinku (EBV) ................................................. 42
5.12.
Elektronické brzdové soustavy nákladních vozidel ..................................... 43
5.12.1.
Elektronický brzdový systém (EBS)..................................................... 43
5.12.2.
Elektronický brzdový systém (TEBS) .................................................. 46
5.12.3.
Elektronický systém monitorování tlaku v pneumatikách .................... 48
5.13. 6
Regulace prokluzu ASR................................................................................... 27
Regulace ESP u nákladních vozidel ............................................................. 49
TESTOVÁNÍ ABS NA VOZIDLOVÉM DYNAMOMETRU A VLASTNÍ
MĚŘENÍ S VYHODNOCENÍM VÝSLEDKŮ ............................................................. 51 6.1.
Vozidlová zkušebna ......................................................................................... 51
6.2.
Popis vozidlového dynamometru..................................................................... 51
6.3.
Statické zkoušky............................................................................................... 52
7
6.4.
Dynamické zkoušky ......................................................................................... 52
6.5.
Vlastní měření a výsledky................................................................................ 53
6.5.1.
Zkoušené vozidlo...................................................................................... 53
6.5.2.
Grafické znázornění naměřených hodnot ................................................. 54
7
ZÁVĚR ................................................................................................................... 59
8
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .................................................................... 61
9
SEZNAM OBRÁZKŮ............................................................................................ 62
8
1 ÚVOD Na pozemních komunikacích u nás i ve světě přibývá počet vozidel ohromnou rychlostí a dřívější relativní plynulost silničního provozu se dnes potýká s častými dopravními nehodami. Ty vznikají díky selhání lidského faktoru, vlivem vnějšího prostředí, špatným technickým stavem vozidel nebo kombinací těchto faktorů. Jakýkoliv automobil, který je složen z mnoha součástí a doplněn po estetické a funkční stránce, je rozdělen do několika základních částí. Tyto části, které se dále mohou dělit do menších skupin, označujeme podvozek, hnací soustava, karoserie, příslušenství, výstroj a výbava vozidla. Podvozek je nejspodnější částí vozidla zajišťující přímý styk s povrchem vozovky. Obsahuje brzdovou soustavu a další části, které jsou předmětem dalšího rozdělení pro vysvětlení možných postupů jejich diagnostikování. Nejdůležitějšími součástmi podvozku pro bezpečnou jízdu vozidla je řízení a brzdy, které mají zajistit bezpečné snížení rychlosti, zastavení nebo zajištění vozidla proti dalšímu nežádoucímu pohybu. Danou problematiku jsem si vybral z důvodu vlastního zájmu o tuto oblast a také pro možné uplatnění nově získaných informací v budoucnu.
9
2 CÍL PRÁCE Cílem této práce je navrhnutí metodiky experimentálního testování systému ABS u osobního automobilu Škoda Octavia 2.0. a její následné ověření. Měření se provede na válcovém dynamometru ve zkušebně Mendelovy univerzity v Brně. Získané informace je zapotřebí vyhodnotit a analyzovat. Úkolem je také poskytnout širší pohled na konstrukci brzdové soustavy, elektronické systémy brzdové soustavy a prvky jízdní stability.
10
3 TECHNICKÝ STAV BRZD A KONSTRUKCE BRZDOVÉ SOUSTAVY 3.1. Požadavky na technický stav brzd Z hlediska provozu musí být technický stav brzd v souladu s platnou legislativou, tj. se Zákonem č. 56/2001 Sb. o technických podmínkách provozu silničních vozidel na pozemních komunikacích, který navazuje na předpis Evropské hospodářské komise EHK/OSN č. 13 a dále Zákonem č 361/2000 Sb. a Vyhlášky 341/2002 Sb., 302/2001 Sb. a 30/2001 Sb. U brzdové soustavy je normativ technického stavu ztotožněn se zákonným ustanovením a je bez právního postihu nepřekročitelný, oproti většině ostatních strojních prvků podvozku. Souhrnným ukazatelem stavu brzd je účinek brzdění. Každé vozidlo musí být vybaveno nejméně dvěma na sobě nezávislými brzdami, z nichž jedna umožňuje účinné a spolehlivé zastavení (provozní brzda) a druhá zajišťuje udržení stojícího vozidla v klidu (parkovací brzda). Automobil musí být také vybaven nouzovou brzdou, která umožňuje jeho zastavení při poruše brzdy provozní. (Stodola, 2007)
3.2. Konstrukce brzdové soustavy Působení brzd je úmyslně vyvolávané tření mezi pohyblivou (rotující) a pevnou částí. Příkladem jsou brzdové čelisti a brzdový kotouč, mezi kterými se pohybová energie mění na tepelnou. Tato energie vzniká působením řidiče vozidla na brzdový pedál, který zatlačí na hlavní válec. Brzdová kapalina, u které je využito Pascalova zákona, pak proudí z nádrže do brzdových válečků, které přitlačují brzdové čelisti na kotouč. Ten může být nahrazen brzdovým bubnem. Uspořádání, které je výše zmiňováno, se používá především u osobních automobilů. Pro nákladní vozidla, autobusy a podobné těžké automobily, by síla řidiče, působící na pedál brzdy nebyla dostačující, a je nutno použít tzv. strojní brzdovou soustavu. Potřebná energie se dodává pomocí vzduchové soustavy a jejím zdrojem je kompresor. Brzdění musí plnit funkci provozního, nouzového, parkovacího a odlehčovacího brzdění a u souprav vozidel nebo u přípojných vozidel i průběžného a samočinného brzdění. Druhy brzdění a brzd se dělí podle různých hledisek. 11
Podle účelu použití: •
provozní brzdění musí umožnit ovládání pohybu vozidla a jeho účinné, spolehlivé a rychlé zastavení při všech velikostech zatížení a rychlosti a na všech svazích, které v provozu přicházejí v úvahu,
•
nouzové brzdění musí umožňovat zastavení vozidla při poruše provozní brzdy,
•
parkovací brzdění musí umožnit udržení stojícího vozidla nebo soupravy na svahu (ve stoupání nebo klesání) i za nepřítomnosti řidiče,
•
průběžné brzdění vozidel spojených do soupravy je ovládáno jediným orgánem, jedním a týmž zdrojem energie a zajišťuje současné nebo přiměřeně časově odstupňované brzdění jednotlivých vozidel soupravy,
•
odlehčovací brzdění umožňuje omezení rychlosti vozidla nebo její udržení při sjíždění svahu – jeho úkolem není zastavit vozidlo,
•
samočinné brzdění musí zastavit přípojná vozidla při poruše spojení, včetně zlomu zařízení pro spojení vozidel, aniž by byl ohrožen brzdný účinek zbývajících částí soustavy. (Stodola, 2007)
Účinek provozního a nouzového brzdění se stanovuje v diagnostice u studených brzd měřením brzdné dráhy nebo měřením prodlevy, náběhu brzdění a středního plného zpomalení. Tyto měření se provádějí v dílenském prostředí. Brzdy provozní se dělí podle způsobu přenosu ovládací síly: •
přímočinné, u kterých působí pouze svalová síla obsluhy a podle převodu se dělí na mechanické nebo hydraulické,
•
strojní, kde působící síla je vyvolávána hydraulicky, tedy tlakem kapaliny nebo pneumaticky při tlaku stlačeného vzduchu z jiného zdroje energie,
•
polostrojní, se svalovou silou řidiče působí ještě další zdroj energie, kterým je posilovač hydraulický nebo pneumatický, pneumatický je přetlakový nebo podtlakový. (Bauer, 2006)
Podle konstrukce třecí brzdy jsou: •
Bubnové – čelisťové nebo pásové
•
Kotoučové – s třecím obložením 12
•
Lamelové – s obložením nebo bez obložení
Podle pracovního prostředí rozlišujeme: •
Mokré (olejová lázeň)
•
Suché (suché prostředí)
Podle způsobu přenosu ovládací síly: •
Mechanické
•
Hydraulické
•
Pneumatické (Vzduchotlakové)
•
Smíšené (kombinované)
•
Zpomalovací (motorové, výfukové, hydrodynamické, elektromagnetické vířivé). (Vlk, 2003)
3.3. Kapalinové brzdy Způsob vyhodnocování se liší podle toho, zda se jedná o osobní automobil nebo o užitkové a nákladní vozidlo. Rozdíl je v tom, že u osobního automobilu se po zatížení vozidla jeho celková hmotnost nemění tak, jak je tomu v případě nákladních vozidel. Ta jsou zkoušena bez nákladu, a tedy dochází k hranici blokování již při malé ovládací síle na pedálu brzdy. Závislost mezi ovládací silou a dosaženými brzdnými silami je téměř lineární. Hlavními požadavky na brzdovou kapalinu jsou na její vysoký bod varu (pro příklad 250°C), nejnižší možnou stlačitelnost, nízkou viskozitu a pomalé stárnutí. Nesmí způsobovat korozi kovových částí, musí být chemicky neutrální a mísitelná s jinými druhy brzdových kapalin. Kapaliny, vyrobeny na bázi alkoholu, jsou nejčastěji z glykolu a jeho směsí s éterem a dalšími přísadami. Mají však i nežádoucí vliv na pohlcování vzdušné vlhkosti tím, že jsou silně hygroskopické a zhoršují se tak jejich vlastnosti. Do brzdové kapaliny se vlhkost dostává přes odvzdušňovací otvory ve vyrovnávací nádobce a brzdách. Vlhkost způsobuje snížení bodu varu kapaliny, vzniku bublinek vodní páry, přičemž 13
může dojít k selhání brzd a havárii vozidla. Kapaliny je nutné, asi po jednom roce, pravidelně měnit. Brzdové kapaliny jsou na bázi: •
Glykolu – nejpoužívanější, u běžných automobilů
•
Silikonu – především pro vojenskou techniku
•
Minerálních olejů – okruh brzd propojen s dalším hydraulickým systémem. (Jan, Ždánský, 2007)
3.4. Vzduchotlakové brzdy U těchto brzd se nejedná o lineární závislost mezi ovládací silou pedálu a dosaženými brzdnými silami. K blokování kol nezatížených vozidel dochází dříve, než je dosaženo maximálních brzdných sil potřebných k brzdění zatíženého vozidla. Brzdné síly jsou závislé na ovládacím tlaku vzduchu v brzdových válcích, z čehož vyplívá lineární závislost jako u kapalinových brzd. Kontrolované parametry vzduchotlakových brzd: Výkon kompresoru – předpis legislativy o maximální době 2,5 minuty pro naplnění vzduchojemů (z 0 na předepsaný tlak), tlakoměr s přesností 3 %. Pokles výkonu kompresoru je z velké části způsoben zaneseným čističem vzduchu. Vyrovnávače tlaku – zkouší se tlakoměrem napojeným na vzduchojem jako v předchozím případě, vyrovnávač je v pořádku pokud kompresor přepíná na volný běh s přestávkami 1 až 5 minut. Pokud jsou delší, tak je soustava netěsná. Vzduchojem – jedná se o tlakovou nádobu určenou k pravidelné kontrole úředně pověřeným orgánem, zkouška je vodním přetlakem 1,5 násobku pracovního přetlaku, současné poklepávání kladivem o hmotnosti 0,5 kg po dobu 3 minut. Brzdové válce – tlaková zkouška o přetlaku 300 kPa, pokles tlaku za 20 minut maximálně do 5 kPa při odpojeném přívodu vzduchu. Těsnost soustavy – jedná se o veškeré součásti a spoje soustavy, za klidu motoru nesmí tlak klesnout o vice než 10 kPa za 10 minut. 14
Pro správnou funkci brzd je nutné kontrolovat také stav brzdového obložení a zajistit jeho včasnou výměnu. (Stodola, 2007)
3.5. Hadice brzdové soustavy Jsou částí hydraulického brzdového systému vozidla a díky vývoje materiálů, z kterého se vyrábí, se dosáhlo lepší odolnosti vůči samotným brzdovým kapalinám i proti okolnímu prostředí. Pryžové hadice se používají nejběžněji, ale k dispozici jsou také s ocelovým oplétáním a teflonovou úpravou povrchu. U některých pneumatických soustav staršího typu se používají ocelové trubičky pro rozvod tlakového vzduchu.
3.6. Třecí brzdy Brzdný moment vzniká třením mezi pohyblivou otáčející se částí a pevno částí brzdy. Brzda bývá ve většině případů umístěna přímo v kole vozidla, kdy pohyblivá část je spojena s nábojem kola. 3.6.1. Bubnové brzdy Využívají se u zadních náprav osobních automobilů jako třecí brzdy s vnitřními čelistmi. Bubnové brzdy tvoří čelisti, buben, dvoupístkový (kolový) brzdový váleček, štít brzdy a vratné pružiny.
Obr. 1 Bubnová brzda (Jan, Ždánský, 2007)
15
Brzdové čelisti jsou vyrobeny z ocelového plechu nebo odlitky ze slitin lehkých kovů. Na jednom konci mají většinou opěrnou plochu pro výřez v tlačítku brzdového válečku a na druhém se opírá o pevnou opěrku, přičemž se dosahuje rovnoměrnějšího opotřebení obložení, nebo se otáčí na čepu. Brzdové obložení je přilepeno nebo přinýtováno na brzdové čelisti a vyrábí se z organických materiálů. Při vysokém namáhání se obložení vyrábí ze spékaných práškových kovů. Součinitel tření pro brzdové obložení je větší než 0,4 a odolává teplotám kolem 800°C. Při odbrzdění jsou čelisti vráceny do klidové polohy vratnými pružinami. Brzdový buben se pohybuje společně s kolem vozidla. Má velkou odolnost proti otěru a dobře vede teplo. Musí být také tvarově a rozměrově stálý. Vyrábí se z šedé nebo temperované litiny a také ze slitin lehkých kovů. Buben se nesmí radiálně ani axiálně vychylovat a nesmějí u něj vznikat vibrace. Brzdový váleček se používá většinou se dvěma pístky, na které ve válečku působí tlak kapaliny. Tlakem je vytvořena síla rozpírající čelisti a jejich přitlačení k brzdovému bubnu. Váleček je pevně spojen se štítem brzdy, který spojuje dílčí části bubnové brzdy a je vyroben z ocelového plechu, pevně přidělaného k části nápravy. U čelistí rozlišujeme, zda se jedná o náběžnou nebo úběžnou podle momentu obvodové třecí síly. U náběžné čelisti moment třecí síly zvyšuje přítlak na třecí plochu bubnu. Naopak jedná-li se o úběžnou, moment zmiňovaný přítlak na třecí plochu zmenšuje. Pístky jsou utěsněny pryžovými těsnícími kroužky v drážce pístů nebo na čelech pístů pryžovými manžetami. Protiprachové manžety zabraňují vnikání nečistot do válečku. Pohyb a síla se na brzdové čelisti přenáší tlačnými čepy (tlačítka), které jsou vloženy do válcových otvorů na vnějších stranách pístků. (Vlk, 2003) 3.6.2. Kotoučové brzdy Především se používají u předních náprav osobních automobilů pro větší brzdný účinek a vysokou odolnost vůči „vadnutí“ brzd při silném dlouhodobém brzdění. Kotoučové brzdy se stále častěji objevují i na zadních nápravách sportovních, luxusních i cestovních vozu. Konstrukčně se rozdělují na kotoučové brzdy s pevným a plovoucím třmenem. U pevného třmenu jsou na obou stranách vytvořeny válečky, ve kterých se pohybují pístky a při brzdění přitlačují brzdové obložení z obou stran na kotouč. Oproti 16
tomu plovoucí třmen je uložen posuvně v pevném držáku a pístek ve válečku tlačí obložení proti kotouči. Třmen, který je posouván reakční silou, je na opačné straně přitlačován na brzdový kotouč. Brzdový kotouč má tvar talíře a je vyroben z temperované litiny nebo ocelolitiny obsahující legující prvky. Při vysokém namáhání brzd se používá dutý kotouč, který je chlazen proudícím vzduchem vnitřně (kotouč s vnitřním chlazením). Dutina je tvořena radiálně uloženými kanály, zajišťujícími proudění vzduchu při otáčení kotouče. Pro snížení tepla, vzniklého třením na povrchu kotouče, je třecí plocha opatřena přídavnými otvory, které urychlují chlazení po brzdění, snižují hmotnost kotouče a zvyšují jeho schopnost vlastního čistění. V současnosti se na třecí plochy vytváří spirálové drážky, podle kterých se později určuje opotřebení brzdového kotouče. Třecí segmenty („brzdové destičky“) se vkládají do třmene kotoučové brzdy a na nosný kovový segment je nalepeno brzdové obložení. Tlumící materiály a konstrukční úpravy odstraňují hlučnost a vibrace. Pořád častěji se objevují třecí segmenty se zalisovanými kontakty v určité hloubce obložení. Tyto kontakty se po nadměrném opotřebení obložení propojí a dojde k sepnutí elektrického obvodu a rozsvícení varovné kontrolky, stavu obložení kotoučové brzdy, na kontrolním panelu přístrojové desky v kabině vozidla. Novější metodou dojde k rozsvícení kontrolky, když je zalisovaný vodič v obložení přerušen. (Jan, Ždánský, 2007) U brzdových systémů vozidel sportovního charakteru lze nalézt brzdové kotouče, které používají zcela jiných materiálů. Jde především o keramické a kompozitní materiály. Keramické brzdové kotouče jsou vyrobeny z karbidu křemíku a ten je vyztužen uhlíkovými vlákny (Obr. 2). Přednostmi jsou: • výrazně snížená hmotnost proti konvenčním materiálům, tzn. snížení neodpružených hmot a jejich negativních dopadů na stabilitu, • vysoký koeficient tření a z toho plynoucí vysoký brzdný účinek i při vysokých teplotách kotoučů, u kovových kotoučů vzestup teploty k 700°C znamená razantní pokles účinnosti a možnost následné degradace kotouče. Keramické 17
kotouče jsou schopny i při 800°C běžné funkce, některé typy keramickokompozitních kotoučů (CFC) krátkodobě snesou i 1200 °C, • vysoká odolnost proti opotřebení, která může dosáhnout až 300 tis. km, přičemž brzdové destičky (materiálově odlišné od standardních) mohou dosáhnout životnosti až 80 tis. Km, • vysoká odolnost proti korozi a schopnost tlumit vibrace.
Obr. 2 Brzdové kotouče - křemík a uhlíková vlákna (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) Závodní vozidla používají také tzv. uhlíkové (karbonové) kotouče. Jejich předností je vysoký brzdný účinek, ale bohužel až za vyšších teplot. Do bodu dosažení optimální teploty je koeficient tření nízký, a proto nejsou vhodné pro běžný provoz. (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
18
4 PROCES A DYNAMIKA BRZDĚNÍ, BRZDNÁ DRÁHA Brzděním se pohybová energie vozidla mění na energii tepelnou. Podle hmotnosti a rychlosti vozidla se dbá na správné chlazení brzd. S těmito zvyšujícími se veličinami rostou nároky na potřebu chlazení. [J]
kde:
(1)
Eĸ – kinetická energie vozidla [J] m – hmotnost vozidla [kg] v – pojezdová rychlost vozidla [m/s]
Kinetická energie vozidla tedy roste úměrně s hmotností a se čtvercem rychlosti. Při brzdění vzniká setrvačná síla Fa, která se rovná brzdné síle Fb na obvodu kola. [N] kde:
(2)
a – zpoždění brzděného vozidla [m/s²]
Brzdná síla závisí na tíze vozidla G a součiniteli záběru µ, který závisí na povrchu, po kterém se vozidlo pohybuje (provádí brzdění) a na použitém druhu pneumatik na kolech vozidla. [N] kde:
(3)
G – tíha vozidla [N] µ – součinitel záběru [-] g – tíhové zrychlení [m/s²]
Pro zastavení vozidla na dráze se musí kinetická energie vozidla rovnat práci vykonané brzdnou silou Fb na dráze sb. [J]
19
(4)
Pokud dosadíme a upravím dvě předchozí rovnice, dostaneme vztah pro brzdnou dráhu vozidla. Ten je: [m]
(5)
Po dosazení je ze vztahu jasné, že délka brzdné dráhy na zastavení vozidla je přímo závislá na čtverci rychlosti a nepřímo na součiniteli záběru. V tomto tvaru vztah platí pouze v případě, že jsou všechna kola brzděna stejným účinkem. V případě, že je brzděna pouze jedna náprava, síla Fb závisí na hmotnosti připadající pouze na tuto nápravu. [N] kde:
(6)
m1 – hmotnost vozidla připadající na brzděnou nápravu [kg]
Vzorec pro výpočet brzdné dráhy se změní a bude: [m]
(7)
Pro brzděnou nápravu je poměr hmotností m a m1 >1 a proto se brzdná dráha prodlouží. Brzdná dráha je vzdálenost, kterou vozidlo urazí při brzdění od chvíle, kdy řidič začne působit silou na pedál brzdy, až do úplného zastavení vozidla (na válcové zkušebně je to délka uběhnutá na obvodu válců). Takto je definována celková brzdná dráha, která musí být rozšířena o reakční dobu řidiče (asi 0,5 – 1 s) a reakční dobu brzd (asi 0,2 – 0,3 s) připočtené k vlastní dráze brzdění. [m]
kde:
s1 – dráha ujetá v reakční době řidiče za daný čas t1 [m] s2 – dráha ujetá v reakční době brzd za daný čas t2 [m]
20
(8)
Ze silových vztahů, že Fa = Fb, tedy m · a = m · g · µ, z čehož plyne závislost maximálního zpomalení vozidla při brzdění na tíhovém zrychlení a součiniteli záběru a je: [m/s²]
(9)
Tab. 1 Součinitel záběru µ pro vybrané povrchy (Bauer, 2006) Druh povrchu Beton Asfalt Makadam Hlinitá cesta Písčitá cesta
Součinitel záběru µ suchý mokrý 0,8 - 1,0 0,5 - 0,8 0,7 - 0,9 0,5 - 0,7 0,8 0,5 0,5 - 0,6 0,3 - 0,4 0,5 - 0,6 0,4 - 0,5
Pro uvedené povrchy se součinitel záběru µ může měnit podle materiálu, který s ním přichází do styku. V tabulce jsou uvedeny hodnoty pro určitou dvojici materiálů ve dvou různých stavech povrchu. V tomto případě se jedná o jeden druh ze zmiňovaných povrchů a pneumatiku (pryž). Je to logické, neboť se jedná o hodnoty pro brzdění vozidla na určitém druhu komunikace. Na náledí se může µ přiblížit hodnotě 0,1 – 0,2.
4.1. Způsoby diagnostiky brzdné dráhy 4.1.1. Na zkušební vozovce Základní metoda zjišťování účinku brzd, která vyžaduje velkou pracnost příprav i provádění měření. Tato metoda má nevýhodu v tom, že je výsledek závislý na povrchu (kvalitě) zkušební dráhy a na povětrnostních podmínkách. Výhodou naopak je reálná stránka zkoušky, která tak simuluje možné okolní podmínky v běžném provozu na pozemních komunikacích Zkušební dráhou se rozumí rovná a suchá vozovka s tvrdým povrchem o délce 200 m a se sklonem do 0,5 %. Výsledek se porovná s hodnotou, kterou udává legislativa pro danou kategorii vozidla.
21
4.1.2. Na válcové zkušebně Válce s velkým momentem setrvačnosti se roztáčí koly vozidla na předepsanou rychlost určité kategorie vozidel. Dále je možné válce roztáčet i elektromotorem a měří se již zmiňovaná délka dráhy na obvodu válců. Na jednom válci z každého páru je umístěn snímač otáček, stejně jako je na jednom válci umístěna volnoběžka, která mu zajišťuje otáčení jen v jednom směru. Na válcové zkušebně se měří také brzdná síla na obvodu kol a podle těchto změřených hodnot na jednotlivých nápravách lze posoudit souměrnost působení brzd. Souměrnost je důležitá pro stabilní směr jízdy a nevybočení vozidla při brzdění. 4.1.3. Brzdění v zatáčce Pro aktivní bezpečnost vozidla je brzdění v zatáčkách velmi důležitým jízdním testem a chování vozidla při tom velmi těsně souvisí s brzděním v přímém směru jízdy. Vychází se z předpisu o brzdném účinku při jízdě přímo a to pro optimalizaci vlastností při zatáčení. (Vlk, 2003) Tab. 2 Požadavky EHK na brzdný účinek (Vlk, 2003) Kategorie vozidel podle EHK-13
Osobní automobily M1
Počáteční rychlost vₒ
80 km/h
Max. brzdná dráha s
s = 50,7 m
Max. nožní síla Fa
500 N
Provozní
Max. prodleva t1
0,36 s
brzdění
Zpomalení Z
5,8 m/s²
Max. brzdná dráha s
s = 93,4 m
Nouzové
Max. ruční síla Fₒ
400 N
brzdění
22
5 ELEKTRONICKÉ SYSTÉMY BRZDOVÉ SOUSTAVY A NÁVAZNÉ SYSTÉMY JÍZDNÍ STABILITY 5.1. Elektrohydraulická a elektromechanická brzda U osobních automobilů se v brzdové soustavě přenáší impulz od brzdového pedálu pomocí brzdové kapaliny a používá se při tom posilovače brzd. Při brzdění se do určité chvíle brzdná síla zvětšuje tím víc, čím více se působí na pedál. 5.1.1. Elektrohydraulická brzda (EHB) Je to druh systému zachovávajícího brzdy kol hydraulické, které při standardním režimu nejsou propojeny s brzdovým pedálem. Na pedál působí síla, kterou vyhodnocuje řídící jednotka, což je pokyn řidiče k brzdění a potřebný tlak je vypočítán pro jednotlivá kola podle aktuálních údajů o chování vozidla. 5.1.2. Elektromechanická brzda (EMB) Impulzy od pohybu brzdového pedálu jsou zde přenášeny elektrickým okruhem do výkonové jednotky umístěné na každém kole a tím odpadá celý hydraulickopneumatický okruh. Výkonové jednotky se nazývají aktuátory. Elektromotory, vestavěné do jednotlivých kol, působí brzdnou silou pouze tam, kde je to aktuálně potřeba. (Vlk, 2003)
5.2. Protiblokovací systém ABS Je částí brzdové soustavy a samočinně řídí skluz ve směru otáčení kola. Funkcí systému ABS (z němčiny: Anti-Blockier-System) je zajistit co nejkratší brzdnou dráhu, řiditelnost a směrovou stabilitu vozidla, a to i při intenzivním brzdění na vozovce s nízkou adhezí. Z těchto úloh je pro bezpečnost jízdy a pohodlí nejdůležitější zachování řiditelnosti a stability vozidla. Individuální regulace systému se používá u předních náprav osobních automobilů o větší hmotnosti a stabilitě, přičemž je přenášen největší možný brzdný účinek,
nezávisle
na
ostatních
kolech,
pomocí
hydraulického
agregátu
s
elektromagnetickými ventily. Konstrukce protiblokovacího systému se skládá ze základních částí posilovače brzd, tandemový hlavní brzdový válec, brzdový valeček kola a kotoučové nebo bubnové brzdy. Rozšiřujícími částmi systému ABS jsou hydraulická a elektronická řídící 23
jednotka ABS a snímače otáček s kolovými ozubenými impulsními kotouči. Ty pak během jízdy měří na kolech přední nápravy a na pastorku převodu zadní nápravy otáčky kol. Měření může probíhat na všech kolech osobního automobilu. Podle snímaných signálů řídící jednotka aktivuje elektromagnetické ventily, pro příslušné kolo, v hydraulické jednotce. Ventily jsou nastaveny do polohy pro zvýšení, udržení nebo snížení brzdného tlaku příslušného kola. Ve spojení se systémem ABS se používá elektronický závěr diferenciálu EDS (z němčiny: Elektronische Differential-Sperre) také známý pod zkratkou ABD. Jde o nerovnoměrné rozdělení hnacího momentu motoru na hnací kola a jejich řízené brzdění. Brzděno je vždy pouze jedno z hnacích kol, to které má největší tendenci k prokluzu. Tento druh regulace hnacích kol přibrzděním je v činnosti asi do rychlosti jízdy 40 km/h. (Vlk, 2003) 5.2.1. Regulace brzdění s opožďováním nárůstu gyroskopického momentu Tato regulace se používá při rozdílné adhezi mezi levými a pravými koly u kratších vozidel, které mají tendenci se rychleji přetáčet. Jde o to, že vozidla s malým rozchodem kol mají menší moment setrvačnosti. K regulaci musí mít systém ABS přídavnou funkci GMA (Bosch: Giermomentaufbauverzögerung) pro opoždění nárůstu gyroskopického momentu, kde dochází k opožděnému nárůstu brzdného tlaku u kola s vysokým součinitelem adheze. Ke zvyšování a snižování tlaku na kolech, při jízdě na různorodých površích, dochází stupňovitě. 5.2.2. Systém ABS 2S Jako první antiblokovací zařízení se začal sériově vyrábět. Během jízdy měří otáčkové snímače na obou předních kolech a diferenciálu zadní nápravy (popř. na všech kolech) rychlosti kol. Když řídící jednotka ze signálů rozezná nebezpečí blokování, aktivuje magnetické ventily příslušného kola. Řídící jednotka spíná ventily do tří poloh: • první poloha, (bez proudu) brzdný tlak může stoupat • druhá poloha, (polovina max. proudu) brzdný tlak zůstává konstantní • třetí poloha, (buzení max. proudem) snížení brzdného tlaku příslušného kola 24
Hydraulická jednotka se skládá z: • čerpadla, pro zpětnou dodávku • zásobníkové komory, pro každý brzdový okruh • magnetických ventilů
Obr. 3 Systém ABS 2S – hydraulická jednotka (Bosch, 1998) 5.2.3. Systém ABS 5.0 Tento systém vznikl vývojem předešlého typu ABS, a vyniká vysokou bezpečností díky tzv. analýze možných závad a vlivů. Pro zajištění správné funkce a logiky zpracovávaných signálů je řídící jednotka vybavena dvěma paralelně pracujícími mikropočítači se vzájemnou kontrolou. Dojde-li k odchylce mezi aktivací a zpětným hlášením, je rozeznána závada a ABS je vypnuto. Neustálé kontrole jsou podrobena všechna vedení k následujícím komponentům: • snímače, • magnetické ventily, • spínač brzdových světel. Dále řídící jednotka kontroluje: • stav připravenosti motoru čerpadla zpětné dodávky, • doběh motoru čerpadla – měření napětí, 25
• úroveň napětí pro posouzení přerušení signálu, • rychlost kol a referenční rychlost při rozjezdu, • statický skluz během jízdy • dynamické otáčky při vysokých rychlostech • aktivační časy magnetických ventilů a • chyby měření vzniklé ze signálů vnějších zdrojů Zpětné hlášení je prováděno při rozjetí vozidla nad rychlost 6 km/h, kdy dojde ke krátkodobému vybuzení magnetických ventilů, motoru čerpadla a kontrole zpětného hlášení koncových stupňů. Případná závada je uložena do paměti řídící jednotky a muže být načtena přes diagnostické rozhraní. Systémů ABS je více druhů, ale velkým rozdílem oproti ABS 2S je zmenšení rozměrů součástí hydrauliky a tím došlo i ke zmenšení celého zařízení. Regulace je prováděna z rychlosti nejrychlejšího kola výpočtem referenční rychlosti, z čehož je získána derivace času a ta je měřítkem pro zpoždění vozidla.
Obr. 4 Systém ABS 5.0 – hydraulická jednotka (Bosch, 1998) Snímače otáček jsou z jednotlivých částí (modulů), které jsou uzavřeny v pouzdru z ušlechtilé oceli. Na pouzdru je patka sloužící pro připevnění snímače. Těsnící kroužek odděluje a utěsňuje plastovou hlavu s elektrickým vedením proti tělesu snímače. U jiného druhu snímače, může být měřící element v plastovém tělese zcela zalit v syntetické pryskyřici. Řídící jednotka bývá v provedení samostatném, ale i ve společném celku s hydraulickou jednotkou. (Bosch, 1998) 26
5.2.4. ABS pro vozidla s pohonem 4x4 Pro posuzování různých pohonů všech kol se používají kritéria jako přenos síly, dynamika jízdy a chování při brzdění. Za přítomnosti uzávěrky diferenciálu vznikají pro ABS zvláštní podmínky, které se vyžadují dodatečná opatření. Zadní kola jsou při uzavřeném diferenciálu pevně spojena a tím se otáčejí stejnou rychlostí. Proti oběma brzdným momentům a oběma třecím momentům vozovky se kola chovají jako pevné těleso. Zadní kola využívají plně brzdné síly. Je-li zapnuta mezinápravová uzávěrka, vyrovnávají se střední otáčky mezi přední a zadní nápravou. Tažný moment motoru a setrvačný moment působí na všechna kola. (Bosch, 1998)
5.3. Regulace prokluzu ASR Systém regulace prokluzu zajišťuje stabilitu a řiditelnost vozidla při zrychlení v podélném směru. Regulace ASR (ang. Anti Skid Regulation) může být rozšířena o přídavnou regulaci momentu motoru MSR (z němčiny: Motor-SchleppmomentRegelung). Řazením nižšího převodového stupně nebo rychlým uvolněním pedálu plynu při jízdě na kluzké vozovce, může brzdný účinek motoru ovlivnit brzdný skluz, a dojde k zablokování kol. MSR zvýší točivý moment motoru lehkou akcelerací, aby se obnovila stabilita jízdy nižším brzděním kol. Regulace prokluzu bývá zabezpečena přibrzděním hnacích kol nebo řízením výkonu motoru. 5.3.1. Regulace prokluzu přibrzděním hnacích kol Slouží ke zlepšení přenosu hnací síly zejména na povrchu vozovky s různým součinitelem adheze (přilnavosti). Potřebného prokluzu je dosaženo přibrzděním hnacího kola, které prokluzuje. Výhodou je individuální ovlivňování prokluzu jednotlivých hnacích kol. U této regulace je nutno rozšířit hydrauliku ABS. 5.3.2. Regulace prokluzu řízením výkonu motoru Provedení regulace je především za účelem zajištění stabilní jízdy ve vysokých rychlostech. Výkon motoru může být snižován v závislosti na požadavcích systému ABS/ASR a na použitém systému řízení motoru. Snížení výkonu se dosahuje elektronickým řízením nastavení polohy škrticí klapky, kdy přivření klapky snižuje točivý moment motoru. Dále lze výkon ovlivnit řízením vstřikování u zážehových nebo
27
vznětových motorů a řízením zapalování s krátkodobým potlačením zapalovacích impulsů. (Jan, Ždánský, 2007)
5.4. Systém dynamické stabilizace jízdy vozidla ESP Jedná se o určité rozšíření systémů ABS a ASR o elektronický stabilizační program ESP (ang. Electronic Stability Program). ESP reguluje skluz pneumatiky v příčném směru vozidla, kdy dojde k jeho vybočení do strany a snižuje riziko vzniku smyku při brzdění nebo zrychlení vozidla. Pro zaznamenání potřebných parametru je do systému zařazen snímač úhlu natočení volantu, který indikuje zvolený směr jízdy řidičem a kombinovaný snímač míry otáčení a příčného zrychlení. Další funkci zastává řízení brzdného tlaku se snímačem tlaku brzdové kapaliny.
Obr. 5 Regulace jízdy pomocí ESP (Jan, Ždánský, 2007) Systém ESP stabilizuje vozidlo samočinnými zásahy do brzd jednotlivých kol a hnacího momentu motoru bez zásahu řidiče. Pokud hrozí například vybočení zadní části u přetáčivého vozidla, systém přibrzdí přední kolo na vnější straně zatáčky. V případě nedotáčivého chování vozidla se přibrzdí zadní kolo na vnitřní straně zatáčky. Systém ESP, vycházející z protiblokovacích a protiprokluzových systémů, lze považovat za revoluční z pohledu regulace parametrů podílejících se přímo na aktivní bezpečnosti. Způsob reakce při vzniku či nárůstu stáčivého momentu působícího na vozidlo je patrný z obrázku 3. Při dané situaci je aktivován technicky precizní algoritmus, který rozděluje brzdnou sílu k eliminaci bočních zrychlení, resp. stáčivého momentu, avšak do systému jsou vnášeny negativní proměnné v podobě zásahu člověka do řízení. Byť by regulace ESP byla dostatečná v kritickém okamžiku a nepotřebovala 28
korekci řízení, řidič svojí aktivitou reaguje na situaci změnou v řízení proti domnělému smyku, čímž vytváří potenciální riziko ke smyku. Jinak řečeno, ESP má za úkol respektovat směr jízdy, který je definován natočením volantu. Brzdné síly na kolech vozidla podléhají této podmínce zachování směru požadovaného řidičem, ale tím je zároveň limitována maximální brzdná síla, neboť je potřeba velkého brzdného účinku na kole s nízkou adhezí, a aby nedošlo ke smyku, musí se snížit brzdné síly i na ostatních kolech. V současné době se objevují nové komplexní systémy regulace jízdní stability, které zahrnují: • protiblokovací systém • protiprokluzový systém, • rozdělení brzdné síly, • regulace stáčivého momentu, Výše uvedené systémy jsou v podstatě výchozí pro ESP jako program jízdní stability a ty jsou dále podpořeny nově integrovanými celky: • zásah do řízení vozidla, • změna útlumové charakteristiky v odpružení, • další korekce pro stabilitu vozidla (regulace nedotáčivosti/přetáčivosti, vyšší míra kompenzace při změně stáčivého momentu na rozdílném povrchu při brzdění aj. Takto rozšířená skupina aktivních bezpečnostních prvků je nazýván jako ESP II. Pojem druhé generace ESP budeme považovat za smluvní, neboť výrobci vozidel používají celou řadu interních označení pro různé stabilizační systémy vlastní konstrukce (Tab. 3).
29
Tab. 3 Elektronické systémy jízdní stability (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) Systém
Automobilka používající daný systém
Celé označení
ESP
Electronic Stability Program
Audi, VW, Škoda, Seat, DaimlerChrysler,Citroën, Dodge, Fiat, Ford, Hyundai, Jeep, KIA, Opel, Peugeot, Renault, Saab, Suzuki
ESC
Electronic Stability Control
Honda
VDC
Vehicle Dynamic Control
Fiat, Alfa Romeo, Hyundai, Infiniti, Nissan,
DSC
Dynamic Stability Control
VSC
Vehicle Stability Control
VDCS
Vehicle Dynamics Control Systems
Subaru
DSTC
Dynamic Stability and Traction Control
Volvo
BMW, Ford, Jaguar, Land Rover, Mazda, Rover, Mini Toyota, Lexus (Vehicle Dynamics Integrated Management - VDIM)
StabiliTrak
General Motors
RSC
Roll Stability Control
Ford
CST
Controllo Stabilita
Ferrari
MSP
Maserati Stability Program
Maserati
PSM
Porsche Stability Management
Porsche
PCS
Precision Control Systém
Oldsmobile
Multimode
Active Skid and Traction Systém
Mitsubishi
AdvanceTrac VSA
Mercury, Lincoln Vehicle Stability Assist
Hyundai, Acura
30
5.5. Systém dynamické stabilizace jízdy vozidla ESP II Nejdůležitější u ESP II je korekce řízení. Pro tyto účely jsou vhodné pouze elektricky ovládané aktuátory, protože jejich reakční doba je velmi nízká. Požadovaná doba provedení změny na akčním členu je v řádech milisekund, což by pro jiné typy přenosu energie (např. hydraulicky) a hlavně její regulaci bylo nemyslitelné. Tato doba má stejně jako u ABS hraniční i spodní limit, kdy může frekvence nárůstu a poklesu brzdné síly vyvodit stav rezonance celé nápravy a způsobit porušení jízdní stability. U řízení také nelze korekce provádět vysoce dynamicky, je nutné uvažovat, že dalším regulačním zásahem může být opět brzdění, případně změna útlumové charakteristiky. Je tedy nutná precizní synchronizace všech systémů tvořících celek stabilizace vozidla. Druh konstrukce ESP II je uveden na obr. 6. Ve stručnosti se aktivní řízení opírá o způsob, kdy je elektromotorem ovládáno korunové kolo planetové převodovky vložené mezi hřídel volantu a spojovací tyčí ve směru k převodce řízení.
Obr. 6 Schéma ESP 2. Generace – spol. Continental (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
31
Funkce stabilizačních systémů jsou umožněny schopnostmi mikroprocesorové techniky, přenosem dat mezi jednotlivými mikrokontroléry navzájem a komunikací systému se senzory. Přenosu informací zajišťuje sběrnice CAN, bez které by bylo velmi obtížné data správně přenášet. U ESP II je typickým znakem užití tzv. senzorových clusterů (Obr. 7). Jedná se o subsystém, který v sobě integruje snímače pro algoritmy ESP – snímač stáčivé rychlosti a dále podélného a příčného zrychlení s nezbytnou vyhodnocovací logikou a datovým výstupem. Stáčivá rychlost je ukazatelem rychlosti natáčení vozidla kolem svislé osy procházející osou snímače (jednotka je °/s nebo rad/s). Tato veličina je v systému ESP dále porovnávána s údajem o poloze volantu, resp. je sledována rychlost a zrychlení natočení volantu. Příčné zrychlení definuje velikost odstředivé síly (např. jízda zatáčkou) a podélné zrychlení ukazuje na změnu rychlosti v čase při akceleraci nebo brzdění. Aby tyto hodnoty mohly být použity bez dalších složitých korekcí, je vhodné jej umístit do těžiště vozidla, které se obvykle nachází v blízkosti středového tunelu mezi předními sedáky. Výstup ze snímače není proveden analogovým signálem, který byl donedávna užíván, ale data jsou interpretována ve skutečných veličinách přes komunikační rozhraní CAN-BUS. Většinou se jedná o samostatný okruh sběrnice CAN s vysokou přenosovou rychlostí.
Obr. 7 Senzorový cluster - stáčivá rychlost, podélné a příčné zrychlení (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) Pro názornost je na obr. 8 vynesen graf brzdění v extrémní situaci, kdy je na jedné straně vozovky povrch s nízkým součinitelem přilnavosti a na straně druhé je povrch s vysokou adhezí. V regulaci ESP první i druhé generace je prioritní kontrola 32
stáčivého momentu tak, aby nedošlo k překročení mezních limitů a tím i ke smyku. U ESP první generace je modelová situace podmíněna aktivním zásahem řidiče, který jak již bylo zmíněno výše, je pro celou soustavu nedefinovaným členem. U ESP II dochází k automatické korekci protiřízením tak, jak je naznačeno ve spodním grafu na obr. 8. Nezávisle na řidiči je modulován jak úhel řízení (superponování, označovaný také jako kinematická funkce proměnného převodového poměru řízení VSR – ang. Variable Steering Ratio), tak se změna dotýká i silových, resp. momentových účinků v řízení (superponování momentů, kinetická funkce SVT – ang. Servotronic Control Function).
Obr. 8 Rozdíly mezi generacemi ESP – různá adheze (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) Systém ESP II dále rozvíjí funkce první generace. Například v případě mnohočetného vyhýbacího manévru (př. slalom) se u ESP I vyskytovalo regulační časové kolísání a výsledkem byl nutně vyšší požadavek regulace (delší trvání vyšší brzdné síly na určeném kole způsobující „tvrdost regulace“ vlivem rozdílu integrační a derivační konstanty regulátoru) než by bylo potřebné. ESP II tato negativa aktivním protiřízením eliminuje. Zajímavá je i funkce potlačení nedotáčivosti/přetáčivosti vozidla, jejíž dominantní role je zejména v případě, kdy řidič projíždí zatáčkou na kluzkém povrchu a náhle se adheze výrazně zvýší.
33
Konstrukční řešení brzdového systému a řízení vychází z již dříve navržených soustav, avšak důvodem, proč nebyly zavedeny již v minulosti, leží v nárocích na elektronickou regulaci se složitými algoritmy. V ryze technickém pojetí systém jízdní stability neznamená výrazné komplikace, vztáhneme-li problematiku například na aktivní řízení, vychází se ze zpětnovazebného řízení (regulace), které potřebuje znát aktuální pozici volantu i elektromotoru (natočení rotoru) pro hodnotu žádanou, změnu točivého momentu na hřídeli volantu, resp. rychlost a zrychlení. Algoritmus tyto parametry vyhodnotí a výsledkem je velikost proudu, který je přiváděn do elektromotoru a dále je určena směrnice rampy proudu (úhel pod kterým probíhá náběh proudu, což je ekvivalentem točivého momentu a rychlosti otáčení). Algoritmus není tvořen pouze jednou programovou smyčkou, ale parametry jsou vyhodnocovány nezávisle s regulačními veličinami: doba náběhu, překmit žádané veličiny a trvalou regulační odchylkou. Další technické informace nejsou relevantní k pochopení podstaty problematiky řízení jízdní stability. Značně obtížné je vyčíslit schopnosti člověka. Individualita každého jedince se promítá samozřejmě i do řízení. Normální chování člověka lze ještě víceméně přesně matematicky popsat, ale na rizikové stavy jsou reakce velmi odlišné. Jelikož tato oblast přesahuje rámce vývoje jedné automobilky, bylo založeno sdružení MISRA (The Motor Industry Software Reliability Association, což je všeobecně uznávaná organizace zabývající se spolehlivostí a bezpečností algoritmizace dějů v regulaci systémů motorových vozidel). Pro řízení jsou například stanoveny různé obtíže jako složité řízení, vysilující řízení, rozptylující faktory pro řízení. Podněty pro zařazení do těchto skupin jsou dány interakce vozidla, člověka a působícího okolí. Výsledkem analýzy všech zmíněných faktorů by mělo být stanovení „normální lidské reakce“ ve vztahu ke krizové situaci. Věda v této oblasti je však stále mladá a čeká na svoji konečnou podobu. (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
5.6. Systém jízdní stability ESP s funkcí DSR Zásah do řízení podobný jako v případě ESP II, lze nalézt i u ESP s označením DSR (ang. Driver Steering Recommendation, někdy též Dynamic Steering Response). Na rozdíl od ESP II se u DSR nejedná o automatickou změnu řízení podle vyhodnocených signálů, ale řidiči je poslán silový impuls na volant ve smyslu protiřízení. Technické provedení oproti ESP II je také podstatně jednodušší. Moment, který je na volantu 34
vyvolán, pochází od elektrického posilovače řízení (EPS). Ve většině případů lze ESP deaktivovat tlačítkem na přístrojové desce, avšak systém DSR je nadále aktivní.
Obr. 9 ESP s funkcí DSR – odezva systému (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
5.7. Doplňkové funkce systémů jízdní stability 5.7.1. Stabilizace přívěsu Konstrukce ESP umožňuje další nadstavbové funkce, které nevyžadují další technické úpravy, protože jsou pouhým programovým rozšířením stávajících systémů jízdní stability. Jednou z funkcí je stabilizace přívěsu. Dojde-li vlivem například povětrnostních podmínek nebo nekvalitního povrchu vozovky k rozhoupání zadní části vozidla, pak systém ESP začne vytvářet silovým účinkem na požadovaném kole moment působící proti síle vyvolávající houpání. Tento systém je komerčně nazýván TSA , TSC, TSP, TSS (Trailer Stability Assist, Control, Programme, System). 5.7.2. Systém sušení brzdových kotoučů Dalším prvkem aktivní bezpečnosti je systém sušení brzdových kotoučů. Při jízdě v dešti jsou brzdové kotouče neustále skrápěny vodou a na jejich povrchu se tvoří vodní film, který brání v rychlém nástupu brzdného účinku. Nejprve musí dojít k porušení celistvosti filmu kombinací tlaku a zvyšující se teploty, teprve po tomto procesu lze očekávat plný brzdný účinek. V případě aktivovaných stěračů ESP v intervalech mírně zvýší tlak v brzdovém systému a dojde ke slabému kontaktu mezi diskem a brzdovou
35
destičkou, čímž proběhne osušení. Efekt sušení je velmi jemný a řidič či posádka nepocítí žádnou změnu v dynamice vozidla. 5.7.3. Rozjezd ve stoupání Při rozjezdu ve stoupání ESP samočinně aktivuje brzdového asistenta, který je schopen až dvě sekundy po odbrzdění provozní brzdy udržovat tlak a tím jistí vozidlo proti zpětnému pohybu. Tato funkce vyžaduje informaci o poloze pedálu akcelerátoru a stavu spojkového pedálu, aby v případě rychlého rozjezdu nebyla zbytečně mařena energie. Obvyklý název této funkce je HHC nebo HSA (Hill Hold Control, Hill Start Assist). 5.7.4. Předpoklad prudkého brzdění U novějších systémů jízdní stability se lze setkat také s funkcemi, které předpokládají prudké brzdění. Pokud řidič rychle uvolní plynový pedál, pak řídicí jednotka eviduje nadlimitní zrychlení a sama vydá pokyn ke zvýšení brzdného tlaku pro přiblížení brzdových segmentů k činné ploše brzdových kotoučů. V této poloze setrvá přibližně 0,5 s, a pokud řidič do této doby začne brzdit, sníží se brzdná dráha rychlejším náběhem brzdné síly. V případě, že řidič nepotřebuje brzdit, tak se systém vrátí do původního stavu. Systém je označován jako Electronic Brake Prefill nebo Stand By. Díky schopnostem systému ESP lze částečně eliminovat jev, kterému se běžně říká „vadnutí brzd“. Na vině je vysoká teplota brzdových bubnů či kotoučů a třecího obložení případně mastnota na třecích plochách. Součinitel tření výrazně klesá a s ním i brzdná síla, přičemž tlak v soustavě je konstantní. Řidič by tedy musel vyvíjet větší sílu na pedál. Systém Fading Compensation (někdy ve zkratce FBS – Fading Brake Support) při detekování začátku snižování brzdného účinku automaticky zvyšuje tlak v brzdovém systému. Při tlaku 8-9 MPa v hydraulickém okruhu brzd je předpoklad, že kolo se již blokuje, pokud se tak nestane a kolo se dále otáčí, pak hydraulické čerpadlo vyvine dodatečný tlak do hodnoty, která je ohraničena horní tlakovou limitou, resp. do regulačního zásahu systému ABS (Obr. 10).
36
Obr. 10 Graf průběhu brzdění u vadnoucích brzd se systémem FBS (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) Určitým komfortním prvkem integrovaným v systému ESP je Soft Stop. V běžném provozu řidič není schopen zastavit vozidlo bez většího nebo menšího zhoupnutí. Pokud řidič brzdí až do zastavení, pak je tlak (síla) v soustavě modulován tak, aby v téměř nulové rychlosti byl v takové výši, kterou posádka nebude schopna pocítit. Ve složitějších systémech jízdní stability se v poslední době objevuje také na řidiči nezávislé řízení kol zadní nápravy. Konstrukčně se jedná o systém bez mechanické vazby, řízený elektronickou řídicí jednotkou. Akční člen je elektrický pohon nebo hydraulická jednotka, která vychyluje kola v požadovaném úhlu. Na obr. 11 je znázorněn systém RWS (Rear Wheel Steering – řízení zadních kol) od společnosti Continental. (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
37
Obr. 11 Provedení aktivního systému natáčení kol zadní nápravy RWS (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
5.8. Brzdění s podporou systému ACC Velké množství podpůrných elektronických systémů vykazuje stále větší míru inteligence. Současné regulační algoritmy jsou založeny na metodách, které donedávna existovaly pouze v představách matematiků. Součásti „inteligentních“ regulátorů jsou ve velké míře založeny na bázi fuzzy (zastřené) logiky, která pracuje v oblastech neurčitosti a dokáže „počítat“ s tzv. lingvistickými proměnnými (prosté nazvání stavu, např. je to teplé, ale nikoliv horké). Jelikož člověk je z hlediska dopravního systému vysoce rizikový člen, je jasné, že jeho úloha při vlastním řízení bude stále více klesat. Jedním z nových, stále ještě vyvíjených systémů je Adaptive Cruise Control, známý pod zkratkou ACC, což ve volné češtině je adaptivní kontrola jízdy (adaptivní tempomat).
Obr. 12 Časový průběh zavádění systému ACC u vybraných automobilek (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) Funkcí ACC je přizpůsobovat rychlost jízdy podmínkám v provozu. Při zvolení rychlosti jízdy běžným tempomatem je pomocí radarů kontrolován odstup od vpředu 38
jedoucího vozidla nebo překážky. Pokud je nutné brzdit, aby nebyla překročena limitní vzdálenost pro zastavení od vozidla vpředu, systém zpomalí jak snížením brzdného momentu, tak i zásahem do brzdové soustavy, u vozidel se samočinnou převodovkou, která má pouze elektronický volič si systém může vybrat i rychlostní stupeň. Toto platí pro zpomalení i pro zrychlení na předem definovanou rychlost. Obvyklá hranice zrychlení či zpomalení nepřesahuje hodnotu 2 m/s². K monitorování vzdálenosti používá obvykle dvou radarů, které pracují na rozdílném kmitočtu. Pro sledování větších vzdáleností je použito pásmo mezi 76 až 77 GHz, což umožňuje monitorování až do vzdálenosti 200m. Na krátké úseky, ale s velkým úhlem záběru, je použita frekvence 24 GHz. Pro případ jízdy v noci je systém vybaven kamerou s infračerveným přisvícením. Objekty, které nejsou v dosahu světelného kužele reflektorů, se zobrazují na informačním displeji. Bezprostřední okruh kolem vozidla je monitorován pomocí ultrazvukových senzorů (Obr. 13).
Obr. 13 Spektrum snímačů v systému ACC (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) Přesnost odečítání rychlosti u současných radarů činí až 0,09 km/h. Některé funkce systému ACC však nejsou dosud homologovány pro provoz a čeká se na uvolnění kmitočtových pásem. Mimo zmíněné funkce se dále objevují rozšíření: • vibrace pedálu, kterým systém upozorňuje při přílišném přiblížení (pokud je systém pouze pasivní a monitoruje jízdní situaci), • aktivace bezpečnostních prvků (pre-crash), • detekce chodců, • sledování ve slepých úhlech automobilu,
39
• omezení opuštění jízdního pruhu, • spolupráce s navigačními systémy, které s sebou nesou rozšířená data o povaze provozu a podmínkách v dané lokalitě, • autonomní zásahy do řízení (zatím pouze ve stádiu výzkumu a vývoje). Algoritmy systému ACC se potýkají se škálou proměnných, které běžné regulátory nemohou bez komplikací zvládnout. Problematický je už výpočet optimální vzdálenosti od vpředu jedoucího vozidla. Běžný regulátor by bohužel přinášel negativa v podobě neustálé změny rychlosti, zejména pokud by rychlost předního vozidla navíc nebyla konstantní. V takovém případě se samozřejmě zvyšuje i spotřeba paliva a razantně snižuje komfort jízdy. Druhým nedostatkem je situace, kdy vpředu jedoucí vozidlo se velice rychle vyhne, resp. V obdobném případě při předjíždění. Při náhlém otevření volného prostoru před vozidlem jsou regulační konstanty značně rozdílné, z čehož plyne jistá „nestabilita“. Vzájemné rychlosti vozidel neumožní ani správnou funkci pod 20 km/h, tedy obvykle jízdu v koloně.
Obr. 14 Indikace vzdálenosti vpředu jedoucího vozidla systémem ACC (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
40
5.9. Brzdový asistent BAS Elektronické zařízení BAS (ang: Brake Assist) odstraňuje nedokonalosti při tvoření tlaku v brzdovém systému. Řidič, který sešlápne rychle brzdový pedál, ale ne dost silně, nedá impuls pro vytvoření největšího tlaku a brzdná dráha vozidla se prodlužuje. Elektronická řídící jednotka neustále porovnává s referenčními hodnotami rychlost sešlápnutí pedálu, a pokud se oproti běžnému stavu zrychlí, pak dojde k aktivaci elektromagnetického ventilu. Tento ventil okamžitě zavzdušní pracovní komoru posilovače brzd a tím vyvolá největší tlakový spád a posilovací účinek. Elektrický proud, který je přiváděn do elektromagnetického ventilu, se po odbrzdění přeruší a dojde k vypnutí sytému. (Vlk, 2003)
Obr. 15 Brzdový asistent BAS (Jan, Ždánský, 2007) 5.9.1. Posilovač brzd přetlakový (hydraulický) Využívá se tlaku oleje, vytvořeného vysokotlakým hydraulickým čerpadlem (lamelovým), pro vyvolání posilovacího brzdného účinku. Čerpadlo je poháněno od motoru vozidla a v novějších systémech elektromotorem. Hydraulický posilovač je nezávislý na chodu motoru a tím i méně náročný na prostor a má rovnoměrnější posilovací účinek. Navíc při poruše motoru je možné asi dvanáctkrát zabrzdit díky tlaku
41
oleje ze zásobníku. Poklesne-li tlak v zásobníku, zůstávají v provozu pouze samotné brzdy bez posilovacího účinku. 5.9.2. Posilovač brzd podtlakový Podtlak, kterého je využíváno, může být u zážehového motoru odebírán ze sacího potrubí motoru. Takový podtlak ze sacího potrubí je nízký (asi 20 kPa, neboli 0,2 baru) a proto je potřeba velkého prostoru a plochy, aby byl potřebný posilovací účinek dosažen. Posilovač o velkém prostoru je plněn a naopak vyprazdňován delší dobu. Pokud se zastaví motor vozidla, brzdný účinek se nezmění pouze při jednom zabrzdění a po dalším se zvyšuje ovládací síla působící na brzdový pedál.
5.10.
Elektromechanická parkovací brzda
Elektromechanická parkovací brzda je aktivována zatažením za malou páčku na středové konzoly v interiéru vozidla (umístění dle výrobce), která nahrazuje klasickou páku ruční brzdy a plní i všechny její funkce. Při rozjezdu je brzda automaticky uvolněna v momentě, kdy si řidič zapne bezpečnostní pás. Ručně se neuvolňuje ani v případě rozjezdu do kopce. Zařízení pro usnadnění rozjezdu si totiž zjistí, zda je zařazený rychlostní stupeň, počet otáček motoru, polohu plynového pedálu, točivý moment motoru, směr jízdy a úhel náklonu vozidla a tím následně zabrání případnému nechtěnému popojetí vozidla dozadu. Elektromechanická parkovací brzda je účinnější než klasická ruční brzda díky schopnosti komunikovat s ostatními systémy jízdní stability a bezpečnosti jako je ESP, ABS a EBV což je elektronický dělič brzdného účinku.
5.11.
Elektronický dělič brzdného účinku (EBV)
S protiblokovacím systémem ABS tvoří společnou jednotku, protože oba systémy využívají řadu společných prvků. EBV (z němčiny:Elektronische Bremskraftverteilung) zajišťuje maximální výkon brzd přední i zadní nápravy a zabraňuje tzv. přebrzdění zadních kol, při kterém hrozí prudké vybočení zádi vozidla. Kromě toho EBV snižuje namáhání a zahřívání předních brzd, což má za následek menší riziko slábnutí jejich účinku. (Jan, Ždánský, 2007)
42
5.12.
Elektronické brzdové soustavy nákladních vozidel
5.12.1.
Elektronický brzdový systém (EBS)
Vývoj a zavádění elektronických soustav u nákladních vozidel se neomezil pouze na systém ABS, ale dnes je možné nalézt obdobné systémy jako v osobních automobilech. Obecně se elektronické brzdové systémy označují jako EBS (ang. Electronic Brake System). Základ EBS je tvořen zcela nezávislým brzdovým systémem, který upustil od mechanicko-pneumatického ovládání a nahradil je, v této práci již zmiňovanými, elektrickými aktuátory. Soustava EBS je nejčastěji tvořena z následujících subsytémů: • elektronicky řízená provozní brzdová soustava (označovaná jako EPB), • protiblokovací systém (známé ABS), • protiprokluzová regulace (ASR), • automatická adaptace brzd přípojného vozidla (TBA). Elektronicky řízená brzdová soustava EPB vychází z klasické koncepce vzduchových brzdových systémů, pouze ovládání je realizováno elektrickými aktuátory. V současnosti je systém nejčastěji proveden jako jednookruhový elektronický. Systém má sekundární pneumatické jištění s pomocným pracovním válcem, které je předepisováno legislativou. Počet vzduchových vedení je od klasického systému nezměněn, avšak záložnímu systému, který je v podstatě stále připraven k funkci, je předřazen elektronický systém. Výhodou je značné snížení reakční doby na rozdíl od pneumatického systému. U něho se projevuje dynamika plynu (stlačitelnost a dále přenos tlakových vln soustavou) v součinnosti s délkou potrubí a škrcením v jednotlivých komponentách. Elektrické aktuátory mohou reagovat mnohonásobně rychleji. Konstrukčně je systém jednodušší než konvenční vzduchotlaká brzdová soustava (Obr. 16). Vedení tlakového rozvodu vzduchu nemá klasický způsob regulace a tento „neregulovaný“ tlak je přiveden k elektricky ovládaným modulátorům (obdoba ventilů systému ABS). Hlavní části EPB jsou: • snímače rychlosti otáčení kol (využívá se senzorů ABS),
43
• modulátory tlaku, • snímač zatížení – hmotnosti (nahrazuje původní zátěžový regulátor), • snímač opotřebení brzdového obložení (je dán konstrukcí brzd, používá se pouze ve spojení s kotoučovými brzdami, • elektronická řídicí jednotka, • brzdič provozní brzdy se snímačem brzdné hodnoty (tlak na pedál je v přímé úměře k brzdnému účinku), • sedmipinová zásuvka – dva piny vyhrazené pro sběrnici CAN-BUS návěsu.
44
Obr. 16 Schéma okruhu elektropneumatického brzdového systému EBS (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
5.12.2.
Elektronický brzdový systém (TEBS)
Přípojné vozidlo na dalším obrázku (Obr. 17) již není pouze pasivní části soupravy, ale je vybaveno totožným systémem – TEBS (T je z ang. Trailer – návěs). Základní podmínkou integrace TEBS systému na návěs, je konstrukce brzd – musí být použity kotoučové brzdy. Při brzdění tažného vozidla je signál přenášen sběrnicí CAN přes přípojnou zásuvku (dle standardu DIN ISO 7638) na přípojné vozidlo. Tento signál je přiváděn do tzv. hlavního modulátoru, který obsahuje tlakovou regulaci a mikroprocesorovou logiku. V základním režimu je možné takto vybavené přípojné vozidlo zapojit na klasický pneumatický systém. Regulace TEBS obsahuje další rozšířené módy. Jedním z nich je kontinuální sledování hmotnostního zatížení přípojného vozidla. Při snížení hmotnosti je samočinně zvednuta jedna nebo i dvě nápravy, čímž dojde k poklesu valivého odporu pneumatik. Informace o provozních vlastnostech přípojného vozidla je možné sledovat na displeji informačního modulu, kde lze nalézt výčet chybových stavů, ujetou vzdálenosti, doby do provedení servisních úkonů, elektrického napětí a tlaku v pneumatickém okruhu. Dále je možné vyčíst konfiguraci ABS a mnohé další. Následující obrázek je schéma tohoto druhu elektropneumatického systému přípojného vozidla TEBS.
Obr. 17 Schéma okruhu elektropneumatického systému přípojného vozidla TEBS (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
5.12.3.
Elektronický systém monitorování tlaku v pneumatikách
Vzhledem k počtu kol soupravy je více než vhodné sledování tlaku v pneumatikách, a to jak z hlediska bezpečnosti provozu, tak i ve vztahu k ekonomice přepravy. Statistika v oblasti poškození pneumatik nákladních vozidel ukazuje na fakt, že 85% defektů je způsobeno poklesem tlaku v delším časovém průběhu a pouze 15% tvoří náhlé úniky, resp. destrukce pneumatiky. Současné technické prostředky umožňují sledování kontinuálně během jízdy, což je umožněno radiovým přenosem ze snímače na mikrokontrolér. Životnost baterie, která je umístěna, na nebo v blízkosti ventilku je typicky 5 let. Data o výši tlaku jsou do informačního panelu posílána buď prostřednictvím sběrnice CAN, nebo je možné informaci poslat opět radiovým signálem. Na obr. 18 je znázorněn systém společnosti WABCO ve spolupráci s firmou Michelin. (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
Obr. 18 Systém kontinuálního monitorování tlaku v pneumatikách IVTM (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
5.13.
Regulace ESP u nákladních vozidel
ESP pro nákladní vozidla (Obr. 19) je aktivní, nezávislý systém jízdní stability, který používá podobnou koncepci jako u dříve popsaných stabilizačních systémů osobních automobilů. Rozdíly jsou dány pouze jiným konstrukčním uspořádáním brzdového systému a samozřejmě také zapojení soupravy. Mimo snímání otáček kol se dále do jednotky EBS dostávají informace o podélném a příčném zrychlení vozidla/soupravy, natočení volantu a stáčivé rychlosti. Určitou zvláštnost danou provozem lze nalézt u souprav, neboť ne vždy je na tažné vozidlo s ESP připojen návěs/přívěs s ESP funkcí. Komunikace jednotek ESP probíhá obousměrně a provádí se adaptace jak na straně tažného vozidla, tak hlavně na straně přípojného vozidla. Pokud není přípojné vozidlo vybaveno EBS s ESP, pak je značně limitováno vlastní tažné vozidlo. Z tohoto důvodu se zejména u cisternových vozů (vysoko umístěné těžiště) vyskytuje koncepčně shodný systém, který je obecně nazýván jako Roll-Stability-Program (Roll-Over Protection, Roll Stability Control). Aktivita tohoto systému proti převrácení je spojena zejména s podmínkami velké nájezdové rychlosti do zatáčky na povrchu s vysokým součinitelem adheze. Jako primární proměnné do regulační smyčky přichází hodnota bočního zrychlení a změna tlaku v odpružení případně na výstupu z gyrometru, tedy veličina, která určuje míru zvednutí kol. K eliminaci vytvořeného klopného momentu se systém snaží maximálně snížit rychlost v pořadí: 1. Snížení točivého momentu motoru, 2. Aktivace retardéru, 3. Brzdění provozními brzdami.
49
Obr. 19 Průběh regulace nedotáčivosti/přetáčivosti u soupravy s ESP (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)
50
6
TESTOVÁNÍ ABS NA VOZIDLOVÉM DYNAMOMETRU A VLASTNÍ MĚŘENÍ S VYHODNOCENÍM VÝSLEDKŮ 6.1. Vozidlová zkušebna
Vozidlový dynamometr pro osobní automobily označení 4VDM-E120, traktorový dynamometr VDU-E207T-E150T a emisní systémová analýza Bosch ESA 3.250 tvoří sestavu vozidlové zkušebny na Medelově univerzitě v Brně.
6.2. Popis vozidlového dynamometru Jedná se o základní tuhé rámy s ložiskami válců o průměru 1,2 m, stojny, a základní rámy s elektrickými dynamometry. Blok přední osy je umístěn pevně, zadní posuvně podle požadovaného rozvoru. Levý a pravý válec se ovládá elektrickou spojkou. K rozpojení těchto válců dochází při dynamickém měření brzdných sil z vysokých rychlostí. Jednotlivé válce jsou vybaveny pneumaticky ovládanými brzdami, aby bylo zajištěno najetí vozidla na válce a bezpečnostní zabrzdění v případě potřeby. Na válcových jednotkách jsou namontovány měřící rolny s posuvným krytem a středící zařízení. Základní rám je zalit v betonu, který vytváří dvě montážní jámy pro možnost obsluhy a údržby. Okolí montážní jámy je zakryto ocelovými plechy, kromě kotvících drážek pro upevnění vozidla. Do jámy je vyústěn, na středy os dvojice válců, přívod chladícího vzduchu. Z kabiny vozidla je klávesnicí ovládán ventilátor náporového chlazení s usměrňovací hubicí, který je umístěn do prostoru před vozidlo. Ve zkušebně lze regulovat podtlak od 5 do 300 Pa zabudovanou vzduchotechnikou, která je schopna vyměnit až 25 000 m³ vzduchu za jednu hodinu. U výfukových plynu se toto množství pohybuje okolo 24 000 m³/h. Válcové dynamometry jsou zařízení primárně určeny ke stanovení výkonových parametrů motoru, aniž by bylo nutné motor demontovat na zkušební stav. S vysokou přesností jsou zjišťovány pasivní ztráty vozidla statickým měřením, které poskytuje výrazně vyšší přesnost jejich stanovení, než tomu bylo při určení z doběhu. Testy na válcovém dynamometru jsou rozšířeny mimo jiné také o zkoušky brzdového ústrojí. (MENDELU Brno, 2012) Na válcovém dynamometru Mendelovy univerzity v Brně lze provést následující zkoušky brzdového ústrojí: 51
•
Statické (pomaluběžné a rychloběžné)
•
Dynamické zkoušky
•
Speciální testy (ABS)
Obr. 20 Schéma celé zkušebny 4VDM E120D a VDU E207T – 150T (MENDELU Brno, 2012)
6.3. Statické zkoušky Moment vytvářený zkušebnou je individuální pro každé kolo zvlášť na obou nápravách. Rolnami se měří skluz kola oproti zkušebnímu válci. Rozdíl mezi pomaluběžnou a rychloběžnou statickou zkouškou je pouze v rychlosti, ze které se začíná měřit. U pomaluběžné zkoušky jde o podobný princip jako u testování vozidel ve stanicích technické kontroly s rychlostmi do 10 km/h. Rychloběžná zkouška pracuje s rychlostmi až 200 km/h. Postup měření statické zkoušky se skládá ze zrychlení zkušebních válců na požadovanou rychlost, udržování této rychlosti a následného vyvolání brzdné síly. Regulátor udržuje konstantní rychlost zkušebních válců a postupně dochází k jejich zastavení. U statické zkoušky je systém ABS ve vypnutém stavu.
6.4. Dynamické zkoušky Dynamické zkoušky brzdové soustavy se velmi podobají jízdním podmínkám v provozu na pozemních komunikacích. V mnoha případech je řidič nucen v reálných podmínkách zastavit v co nejkratším čase a na co nejkratší brzdné dráze. Proto se při 52
této zkoušce, po ustálení na určité rychlosti, vyvolá brzdící síla, působící až do úplného zastavení zkušebních válců. Takovéto testování se odehrává ve velmi krátkém časovém úseku. Funkcí ABS je zabránit nadlimitnímu skluzu kol s tendencí k blokování a využít tedy maximálního součinitele adheze. (VÉMOLA, 2000)
6.5. Vlastní měření a výsledky Před měřením se kontroluje, zda jsou použity předepsané rozměry pneumatik, nastavený tlak v pneumatikách, který stanovuje výrobce vozidla a stav vyvažovacích závaží upevněných na kolech vozidla. Měření se provádí při nastartovaném motoru. 6.5.1. Zkoušené vozidlo Pro experimentální testování se vybralo vozidlo Škoda Octavia 2.0 (85kW) s dvouokruhovým hydraulickým brzdový systém, diagonálním zapojením a systémem proti blokování kol TEVES Mk60 se systémem jízdní stability ESP.
Obr. 21 Fixace vozidla Škoda Octavia na válcovém dynamometru Rozložení hmotnosti na jednotlivá kola: • LP 436 kg,
• LZ 272 kg,
• PP 413 kg,
• PZ 289 kg. 53
6.5.2. Grafické znázornění naměřených hodnot Grafická interpretace výsledků měření je uvedena v grafech na obr. 22 až 25. Nezávisle proměnnou tvoří čas, na ose y pak je vynesena brzdná síla. Metodika experimentu zahrnovala zkoušení statické i dynamické. Obě metody vystihují dva základní způsoby brzdění v provozu. Statické brzdění lze objasnit na zpomalování v dlouhém klesání. Dynamická zkouška pak ukazuje na náhlou nutnost zastavení vozidla. Zvolená zkušební rychlost válců byla 80 km/h a 160 km/h. Druhá z hodnot by sice neměla v provozu na pozemních komunikacích v ČR nastat, avšak realita provozu je jiná a spíše potvrzuje oprávněnost této zkoušky. Rozdíl v rychlostech ukazuje markantní nárůst celkového času a výsledné dráhy, potřebné pro zastavení. Rychlost vzorkování odečtu síly a rychlosti z válců dynamometru činí 20 Hz. Tato hodnota je právě z důvodu zkoušení systému ABS velmi důležitá. Pokud bych měl určitým způsobem adaptovat Shannonův teorém, pak vzorkování by mělo být minimálně s dvojnásobnou frekvencí než je průběh měřené veličiny. Modulace síly nevyužívá časové konstanty, ale je dána víceméně interakcí kola a povrchu vozovky. Lze uvažovat, že frekvence modulace tlaku v brzdové soustavě kapalinových brzd činí 4-8 Hz. Ve vztahu ke vzorkování zkušebny tedy lze věrně rekonstruovat signál. Statická brzdová zkouška a její výsledek a vlastně i celý průběh, je uveden v následujícím grafu na obr. 22. Tato zkouška byla provedena zejména za účelem diagnostického ověření brzdové soustavy. Důvodem je možné zkreslení výsledků házivostí brzdových kotoučů, které by deformovaly průběh výsledné brzdové síly. Z grafu na obr. 22 je patrné, že žádný z brzdových kotoučů, resp. brzd nevykazoval házivost. Dále je patrné, že na kolech téže nápravy téměř nelze rozeznat diferenci brzdové síly. Jen pro informaci uvádím, že na STK je limitní hodnota diference brzdné síly 30 %. Výše maximální brzdné síly na každém kole přední nápravy je 3,75 kN, na zadních kolech pak 1,25 kN. Výše brzdné síly je vždy ovlivněna dvěma základními veličinami – sílou působící vertikálně na kolo a adhezí. Na zadní nápravě je velikost brzdové síly vždy omezena regulátorem, v tomto případě se jedná o část ze systému ABS, a to EBD. Pro upřesnění je dobré doplnit, že zkouška proběhla v rychlosti válců 5 km/h, proto nedošlo k aktivaci ABS a jeho následné činnosti.
Brzdná síla (kN)
4,50 4,25 4,00 3,75 3,50 3,25 3,00 2,75 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00
LP kolo PP kolo LZ kolo PZ kolo
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0 Čas (s)
Obr. 22 Statická brzdová zkouška Dynamická zkouška a její průběh, je zobrazen v grafu na obr. 23 jako experiment výše brzdné síly, kde byla činnost ABS vyřazena. Je patrné, že již po sedmi sekundách se kola přední nápravy neotáčejí. Kola zadní nápravy však nadále brzdí, neboť činnost omezení tlaku ke kolům zadní nápravy blokována nebyla. Systémový tlak v brzdovém okruhu byl sledován z palubní diagnostiky TSpro (výrobce Devcom). Nárůst po zastavení kol zadní nápravy neukazuje na změnu technických parametrů v brzdové soustavě, ale na způsob ovládání brzdové síly řidičem. Pro názornost uvádím tento graf, neboť je tedy zřejmé, že v předchozím segmentu brzdové zkoušky, kdy byla brzděna i kola přední nápravy, nebyl ze strany řidiče vyvíjen dostatečný tlak na pedál brzdy. Je vhodné uvést, že parametr brzdného tlaku lze sledovat pouze a jen za předpokladu, že systém ABS nesplní aktivační podmínku, tedy nepřekročí definovanou rychlost. Obvykle je nastaveno 5-7 km/h. V dalším testování ABS tak již tlak nebude moci být vynesen do příslušných grafů z důvodu vysokých rychlostí.
55
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
Systémový tlak v brzdovém ústrojí (MPa)
Brzdná síla (kN)
LP kolo PP kolo LZ kolo PZ kolo Tlak v brzdovém systému (MPa)
4,50 4,25 4,00 3,75 3,50 3,25 3,00 2,75 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Čas (s)
Obr. 23 Dynamická brzdová zkouška Graf na obr. 24 zobrazuje průběh brzdné síly individuálně pro každé kolo. Analýzou brzdových sil mohu rozdělit celý cyklus do několika fází. V čase 0 začíná proces brzdění, brzdná síla je určitým způsobem úměrná tlaku vyvozovanému brzdovým pedálem. V čase 1,8 s od počátku, je brzdná síla na své limitní hranici 3 kN. Zde již narůstá diference otáček kol přední a zadní nápravy a systém ABS zahajuje svoji činnost za účelem modulace tlaku tak, aby právě tuto diferenci potlačil. Uzavírá tedy ventil, kterým tlak působí ve směru od pedálu ke třmenu brzdy. Diference otáček však stále trvá, proto rozhoduje o razantním snížení tlaku v okruhu předních brzd, přičemž u zadní nápravy okruh uzavírá a zanechává dříve vyvinutý tlak v části za ventilem směrem ke třmenu. Pokles tlaku u kol přední nápravy je způsoben aktivací elektricky hnaného čerpadla v soustavě. Diference rychlostí kol přední a zadní nápravy byla výrazně snížena (viz průběhy křivek rychlostí kol v čase 3-4 s). Vlivem působení řidiče na pedál dochází ke zvýšení tlaku v okruhu pro přední brzdy. Roste tedy i velikost brzdné síly na přední nápravě. V čase cca 6 s opět narůstá diference brzdných sil a systém ABS reaguje totožně, avšak i v okruhu na zadní nápravě. Dále je v čase od 6 s do cca 11 s viditelné, že se brzdná síla výrazně zmenšuje, což je možné pozorovat i na pozvolném snižování rychlosti kol. Po cca 11. s pak dojde ke snížení rychlosti kol na přední nápravě pod aktivační rychlost systému ABS a zvýšením tlaku, resp. brzdné síly 56
dojde k zastavení kol přední nápravy. V posledním cyklu je ještě zvýšen brzdný tlak i
LP kolo LZ kolo Rychlost kola LP Rychlost kola LZ
4,50 4,25 4,00 3,75 3,50 3,25 3,00 2,75 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00
PP kolo PZ kolo Rychlost kola PP Rychlost kola PZ
80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80
Obvodová rychlost válce (km.h -1)
Brzdná síla (kN)
v okruhu brzd zadní nápravy a i kola zadní nápravy budou zabrzděna.
-100 -120 -140 -160 -180
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Čas (s)
Obr. 24 Zkouška ABS z rychlosti 80 km/h Při druhém měření z rychlosti 160 km/h se v grafu na obr. 25 zobrazuje rovněž průběh brzdné síly jednotlivě pro každé kolo. Na počátku v čase 0 při nastávajícím brzdném procesu, můžeme opět najít určitou úměrnost mezi brzdnou silou a tlakem působeným brzdovým pedálem. Při dosažení času cca 2,2 s od počátku měření, brzdná síla narostla do svého limitního maxima. Diference otáček kol přední a zadní nápravy narůstá a systém ABS je, jako u předešlé zkoušky, znovu aktivní. Tlak již opět nepůsobí ve směru od pedálu ke třmenu brzdy díky uzavřenému ventilu. Tlak v okruhu předních brzd se snižuje (díky trvající diferenci otáček), u zadní nápravy okruh znovu uzavírá a zanechává dříve vyvinutý tlak v části za ventilem směrem ke třmenu. Snížení tlaku u kol přední nápravy způsobilo aktivní čerpadlo. Rozdíl rychlostí kol přední a zadní nápravy v čase 5. až 8. sekundy byl výrazně snížen. Vlivem působení řidiče na pedál znovu dochází ke zvýšení tlaku v okruhu pro přední brzdy, kde roste i velikost brzdné síly. V době měření okolo 8 s nastává nárůst diference brzdných sil, systém ABS reaguje i v okruhu na zadní nápravě. V čase od 8. s do cca 18. s, se brzdná síla postupně, ale výrazně zmenšuje. Od 18. s, dochází k rychlejšímu poklesu rychlosti kol na přední i zadní nápravě, ale zároveň u obou náprav roste brzdná síla. V čase 32 s se 57
rychlost kol přední nápravy dostává pod hranici pro aktivaci systému ABS. Poté dochází v čase cca 33 s k zastavení kol přední nápravy. Kola zadní nápravy jsou zabrzděna cca o 1,5 s později. Se zvyšující se rychlostí, ze které je třeba zastavit vozidlo, dochází k razantnímu
LP kolo LZ kolo Rychlost kola LP Rychlost kola LZ
4,50 4,25 4,00 3,75 3,50 3,25 3,00 2,75 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00 0
2
4
6
PP kolo PZ kolo Rychlost kola PP Rychlost kola PZ
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Čas (s)
Obr. 25 Zkouška ABS z rychlosti 160 km/h
58
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180
Obvodová rychlost válce (km.h -1)
Brzdná síla (kN)
prodloužení času potřebného k úplnému zabrzdění vozidla.
7 ZÁVĚR Celkové uspořádání mé diplomové práce jsem sestavil tak, abych přehledně a co nejlépe splnil požadavky na její vypracování. Práce byla zadána na téma Elektronické systémy brzdové soustavy. Nejprve jsem popsal požadavky na brzdy a brzdný účinek podle platné legislativy. Dále jsem se věnoval konstrukci brzdové soustavy a s tím spojeného matematického vyjádření procesu brzdění. Vzorce použité u problematiky brzdění jsou základem pro zjišťování správné funkce brzd a dalších částí. Velkou část práce jsem se věnoval elektronickým systémům brzdové soustavy a návazným systémům jízdní stability, které jsou velmi důležité pro bezpečnost provozu vozidla po pozemní komunikaci. Popsány jsou systémy a jejich součásti jako jsou ESP, ASR, BAS a ABS. Systém ABS je pak základem pro měření účinku brzd na válcovém dynamometru. Před samotným měřením se nachází popis několika částí podvozku. Ty mají také velký vliv na bezpečnost jízdy ve vozidle, správné vedení kol v zatáčkách a tím i na velikosti brzdné dráhy. Udržením pneumatik vozidla v bezpečném styku s vozovkou, pomocí důležitých pevných i pohyblivých částí, se zajišťuje dostatečná adheze pro zkrácení dráhy a času potřebného pro zastavení. Měření probíhalo na válcové zkušebně Medelovy univerzity v Brně. Vozidlo použité k testování protiblokovacího systému ABS byl osobní automobil Škoda Octavia 2.0. s dvouokruhovým hydraulickým brzdový systém a systémem proti blokování kol TEVES Mk60, kterým jsou vybaveny také vozy jako Audi A3, Audi TT, Seat Toledo nebo Volkswagen Golf. Elektrické systémy brzdových soustav plní funkce, které zajišťují lepší vedení vozidla při jízdě v přímém směru, při průjezdu zatáčkou, při brzdění, aby se vozidlo nevychýlilo ze směru své jízdy, také napomáhají v momentě, kdy se vozidlo dostane na povrch s nízkým součinitelem tření, i systémy usnadňující rozjezdy do kopce apod. Elektrické systémy jsou především pro aktivní bezpečnost jízdy po komunikaci a měli by zvyšovat ovladatelnost automobilu i s případným přípojným vozidlem. Možná úskalí se nachází například u zmiňovaného systému ABS, kdy při jízdě po povrchu s rozdílnou adhezí pro jednotlivé stopy vozidla dochází při brzdění ke stáčivému momentu automobilu, což může mýt za následek smyk. Brzdové systémy se proto různě 59
kombinují, aby byla zaručena co největší stabilita a bezpečnost. Negativním členem, který zasahuje do těchto bezpečnostních prvků je sám řidič při ovládání vozidla. Ve vzniklých situacích je totiž on prvkem s neurčitými a velice rozdílnými reakcemi, které v některých případech více či méně ohrožují jeho vlastní bezpečnost. Lidský faktor bohužel stále z běžného řízení v provozu odstranit nedokážeme, ale elektronické systémy brzdové soustavy nám velmi napomáhají snižovat jeho možné negativní následky.
60
8 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY BAUER F., a kol., 2006: Traktory. 1. vyd. Praha: Nakladatelství Profi press, s.r.o., 192 s. ISBN 80-86726-15-0. JAN Z., ŽDÁNSKÝ B., ČUPERA J., 2009: Automobily 1: Podvozky. 1.vyd. Brno: AVID, spol. s r. o., 228 s, ISBN 80-87143-03-2 JAN Z., ŽDÁNSKÝ B., 2007: Výkladový automobilový slovník. 3. vyd. Brno: Computer Press, a.s., 244 s. ISBN 80-251-1842-9. STODOLA, J., MAREK, J., FURCH, J., 2007: Logistika. Brno: MZLU v Brně, 337 s. ISBN 80-7375-071-8. VLK, F., 2003: Dynamika motorových vozidel. 2. vyd. Brno: František Vlk, 432 s. ISBN 80-239-0024-2. VLK, F., 2002: Elektronické systémy motorových vozidel 1. Brno: Vlk, 298 s. ISBN 80238-7282-6. VLK, F., 2002: Elektronické systémy motorových vozidel 2. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 592 s. ISBN 80-238-7282-6. VLK, F., 2003: Podvozky motorových vozidel. 2. vyd. Brno: Nakladatelství Vlk, 392 s. ISBN 80-239-0026-9. BOSCH R., 1998: Protiblokovací systémy ABS. 1. vyd. Praha, 60 s VÉMOLA A., 2000: Diagnostická zařízení 1. díl. ISŠA, Brno, 156 s. MENDELU Brno, Ústav techniky a automobilové dopravy[citováno 2012-04-18]. Dostupný na www:
61
9 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Bubnová brzda (Jan, Ždánský, 2007) .................................................................. 15 Obr. 2 Brzdové kotouče - křemík a uhlíková vlákna (Jan, Ždánský, Čupera, 2009)....... 18 Obr. 3 Systém ABS 2S – hydraulická jednotka (Bosch, 1998)........................................ 25 Obr. 4 Systém ABS 5.0 – hydraulická jednotka (Bosch, 1998)....................................... 26 Obr. 5 Regulace jízdy pomocí ESP (Jan, Ždánský, 2007) .............................................. 28 Obr. 6 Schéma ESP 2. Generace – spol. Continental (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) .... 31 Obr. 7 Senzorový cluster - stáčivá rychlost, podélné a příčné zrychlení (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) ................................................................................................................. 32 Obr. 8 Rozdíly mezi generacemi ESP – různá adheze (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) ... 33 Obr. 9 ESP s funkcí DSR – odezva systému (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) ................... 35 Obr. 10 Graf průběhu brzdění u vadnoucích brzd se systémem FBS (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) ................................................................................................................. 37 Obr. 11 Provedení aktivního systému natáčení kol zadní nápravy RWS (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) ................................................................................................................. 38 Obr. 12 Časový průběh zavádění systému ACC u vybraných automobilek (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) ................................................................................................................. 38 Obr. 13 Spektrum snímačů v systému ACC (Jan, Ždánský, Čupera, 2009).................... 39 Obr. 14 Indikace vzdálenosti vpředu jedoucího vozidla systémem ACC (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) ................................................................................................................. 40 Obr. 15 Brzdový asistent BAS (Jan, Ždánský, 2007) ...................................................... 41 Obr. 16 Schéma okruhu elektropneumatického brzdového systému EBS (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) ................................................................................................................. 45 Obr. 17 Schéma okruhu elektropneumatického systému přípojného vozidla TEBS (Jan, Ždánský, Čupera, 2009).................................................................................................. 47 62
Obr. 18 Systém kontinuálního monitorování tlaku v pneumatikách IVTM (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) ................................................................................................................. 48 Obr. 19 Průběh regulace nedotáčivosti/přetáčivosti u soupravy s ESP (Jan, Ždánský, Čupera, 2009) ................................................................................................................. 50 Obr. 20 Schéma celé zkušebny 4VDM E120D a VDU E207T – 150T (MENDELU Brno, 2012) ............................................................................................................................... 52 Obr. 21 Fixace vozidla Škoda Octavia na válcovém dynamometru ............................... 53 Obr. 22 Statická brzdová zkouška................................................................................... 55 Obr. 23 Dynamická brzdová zkouška ............................................................................. 56 Obr. 24 Zkouška ABS z rychlosti 80 km/h....................................................................... 57 Obr. 25 Zkouška ABS z rychlosti 160 km/h..................................................................... 58
63
