Mecatronica Sistemelor de Franare [311762]

[anonimizat], majoritatea masinilor echipate cu ABS obtin distante de franare mai bune (mai scurte) decat cele fara ABS. Un sofer cu abilitati medii pe o masina fara ABS ar putea printr-o [anonimizat] o masina cu ABS. [anonimizat]. Tehnica recomandata pentru soferi intr-o [anonimizat]-o [anonimizat].

[anonimizat], mai ales pentru masinile grele.

[anonimizat]. [anonimizat] s-[anonimizat]-ul previne acest lucru. [anonimizat]. [anonimizat], desi pierderea controlului pe aceste suprafete ramane totusi posibila.

[anonimizat]-ul va face ca pedala sa pulseze. [anonimizat], reduc apasarea pe pedala si maresc astfel distanta de franare. Acest lucru contribuie la marirea numarului de accidente. Din acest motiv unii constructori au implementat sisteme de asistenta la franare ce mentin forta de franare in situatii de urgenta.

Parlamentul European a [anonimizat] 2009, cu un sistem de asistare la franare (ABS).
[anonimizat] 2010, toate automobilele noi sunt echipate "din productie" cu ABS.
[anonimizat], circa 1.100 dintre pietonii implicati anual in accidente rutiere ar fi avut vietile salvate.
[anonimizat] 2006, doar 41% dintre vehiculele noi erau echipate cu ABS.
[anonimizat] a [anonimizat] a sistemului electronic de control al stabilitatii (ESP), incepand din 2012.

Cuprins:

Memoriu justificativ ..………………………………….………………….….…………….…pg.3

1. Introducere …………………………………….….…………………………………………pg.5

2. Sistemul de frânare ………………………….…………………………..…………….………pg.6

2.1 Generalități ………………………………………………………………………………………………………………pg.6

2.2 Clasificarea sistemelor de frânare …………………………………………………………………………………pg.10

2.3 Componența sistemului de frânare ……………………………………………………………………………….pg.11

2.4 Noțiunea de adereță ……………………………………………………………………………………………………pg.12

2.5 Forța de frânare ………………………………………………………………………………………………………….pg.13

2.6 Parametrii capacității de frânare a autovehiculelor …………………………………………………………..pg.15

2.6.1 Decelerația maximă la frânare ………………………………………………………………………………….pg.15

2.6.2 Timpul minim de frânare …………………………………………………………..……..……..….…pg.16

2.6.3 Spațiul minim de frânare …………………………………………………………………………………………..pg.17

2.6.4 Spațiul suplimentar de frânare …………………………………………………………………………………..pg.17

2.6.5 Mecanisme de actionare a franelor………………………………………………………………………………pg.19

3. ABS (Anti-lock Braking System) ……………………………………………………………………………………pg.23

3.1 Scurtă istorie a ABS-ului ……………………………………………………………………………………………pg.23

3.2 Relația alunecare-aderență; stabilitatea autovehiculului în timpul frânării ……………………… .pg.24

3.3 Principiul de funcționare al ABS-ului ……………………………………………………… ……………………pg.27

3.4 Elemente componente ale subansamblului mecatronic ABS ………………… …………………………pg.31

3.4.1 Captorii de viteză ai roții ………………………………………………………….. ………………………………pg.32

3.4.1.1 Captorii pasivi …………………………………………………………. …………………………………………..pg.32

3.4.1.2 Captorii activi ………..isme de actionare a franelor………………………………………………………………………………pg……………………………………………………………………………………………………pg.33

3.4.2 Captorul I.L.S…………………………………………………………………………………………………………….pg.35

3.4.3 Captorul analogic……………………………………………………………………………………………………….pg.36

3.4.4 Contactorul STOP………………………………………………………………………………………………………pg.37

3.4.5 Vehicule cu 4 roti motoare…………………………………………………………………………………………..pg.38

3.4.6 Blocul ABS ………………………………………………………………………………………………………. ……pg.39

3.4.6.1Grupul hidraulic ……………………………………………………………………………………………….. …..pg.40

3.4.6.1.1. Funcționarea grupului hidraulic ……………………………………………………………………. ……pg.40

3.4.6.2. Calculatorul ABS-ului …………………………………………..….……….……………pg.45

3.5 Rețeaua multiplexată …………………………………………………………………………………………….. …..pg.47

4. Standul ABS…………………………………………………………..….……………….… …pg.50

4.1 Motorul de actionare …………………………………………………………………………………………….. …….pg.51

4.2 Circuitul hidraulic ………………………………………………………………………………………………… …….pg.52

4.3 Butucul rotii ………………………………………………………………………………………………………………..pg.53

4.4 Calculatorul ABS ……………………………………………………………………………………………… ……….pg.54

5.Concluzii……………………………………………………………………………..………………… ….pg.56

.

Bibliografie …………………………………….…………………………………………………..… ……pg.57

1. Introducere

Specialiștii nu pot spune cu certitudine când s-a inventat automobilul, aceasta deoarece automobilul a suferit dea lungul timpului numeroase modificări si a fost perfecționat în mod continuu. Totuși pentru a avea un reper temporar mai exact, s-a stabilit data de 29 ianuarie 1886 ca moment în care a fost inventat automobilul. Aceasta este de fapt data când inginerul Carl Benz din Mannenheim a obținut brevetul pentru primul vehicul acționat de un motor cu ardere internă. Carl Benz nu putea ști că acest document urma să fie considerat, mai târziu, certificatul de naștere al automobilului și nici nu putea bănui faptul că brevetul său avea să devină piatra de temelie pentru construirea a milioane de mașini, în lumea întreagă.

Cum arăta ’’automotorul brevetat’’ conceput de Carl Benz? Nu se asemăna câtuși de puțin cu un automobil de astăzi, aducea mai degrabă cu o trăsură deschisă, din cele trase de cai. Pe axa din spate erau fixate două roți subțiri, aproape de înălțimea unui om, cu anvelope din cauciuc dur și spițe din sârmă. În fața scândurii de suport pentru picioare era dispusă o mică roată cu spițe, cu ajutorul căreia vehiculul putea fi condus, printr-un sistem de pârghii. Dacă s-ar mai întâlni cineva astăzi pe stradă cu un asemenea triciclu, i-ar fi greu să creadă că este vorba de un automobil. Și totuși era cel dintâi vehicul automobil – adică autopropulsat!

În spatele banchetei pufăia un mecanism de antrenare senzațional pentru epoca respectivă: un motor de 0,88 CP cu ardere internă, cu un cilindru și răcit cu apă. Acesta punea în mișcare axa din spate și roțile prin intermediul unor curele, lanțuri și al unor arbori. Cea mai mare și vizibilă piesă era un volant orizontal, turnat din fontă.

În călătoriile sale de probă, trebuia ca Benz, mai întâi, să pornească motorul cu volantul. Apoi sărea repede în față, pe banchetă, cupla în unica viteză și pleca, bubuind de zor. Oricum, cu 16 km/h! Acest îndrăzneț strămoș al automobilului, creat de Carl Benz, poate fi văzut și astăzi la Muzeul German din Munchen.

Unde suntem astăzi ?

Pentru cineva care a ridicat capota unui Mercedes AMG din anul 2010 de exemplu, sau a unui BMW seria 7 contemporan și a văzut apoi bordul supercomputerizat al acestor mașini poate spune că nici cel mai îndrazneț vizionar din secolul XIX nu-și putea imagina unde va ajunge automobilul.

Automobilul de astăzi este un complex de subansamble mecatronice menite să îmbunătățească la maximum parametrii de funcționare ai motorului ,să măreasca siguranța circulației, să protejeze mediul înconjurător și să crească confortul pasagerilor.

Acest lucru este posibil cu ajutorul a sute de senzori ,servomotoare si calculatoare care controlează fiecare subansamblu al autovehiculului. Până și aprinderea unui banal bec de plafonieră se face cu ajutorul unui microcontroller (microchip cu soft integrat) pentru a aprinde lumina treptat și nu brusc. Simpla acțiune de parcare a automobilului este asistată de senzori de parcare, camere video sau mai nou este executată automat de autovehicul.

În ceea ce privește siguranța circulației, există numeroase siteme de protecție printre care amintim: airbagurile (frontale, laterale, cortină, pentru genunchi); ABS-ul, care este un sistem de antiblocare a roților la frânarea de urgență, cu rolul de a reduce distanța de frânare și de a menține automobilul pe direcția dorită; ESP-ul este un program care asigură împreună cu ABS-ul stabilitatea automobilului pe suprafete alunecoase etc. Toate aceste sisteme mecatronice necesita senzori, calculator, soft și elemente de acționare.

Este de la sine înțeles că diagnosticarea si repararea automobilelor moderne necesită un personal din ce in ce mai specializat, la intersecția celor trei domenii: mecanică, electronică și informatică, într-un cuvânt mecatronică.

Practic, din automobilul de acum 100 de ani nu au mai rămas decât principiile de funcționare ale motoarelor (Otto si Diesel), dar si acestea vor dispărea odată cu dispariția resurselor petroliere, când omenirea va trece la automobile electrice.

Necesitatea cresterii gradului sigurantei rutiere

Odata cu cresterea densitatii traficului rutier si a vitezei medii de deplasare s-au inmultit si numarul evenimentelor rutiere, astfel, cresterea gradului de securitate a devenit un domeniu prioritar pentru constructorii de automobile.

Acest vast si complex domeniu al securitatii se poate imparti in trei mari categorii:

Securitatea activa (primara), care reprezinta ansamblul de sisteme ce au ca scop evitarea accidentelor. Domeniul in care se regaseste: legatura cu solul, ergonomie, vizibilitate, informare conducator. Exemple : ABS, ESP, trenul rulant, volan reglabil pe inaltime, suprafete vitrate.

Securitatea pasiva (secundara) fiind definite ca ansamblul de sisteme ce au ca scop protectia pasagerilor in timpul producerii coliziunilor.

Securitatea tertiana, este ansamblul de sisteme cu rol in accelerarea interventiilor mijloacelor de securitate si consta in mijloacele de prevenire a accidentelor in lant, mijloace de localizare a autovehicolului si modul de acces in interiorul acestuia. Din aceasta categorie fac parte: sistemul de apelare in caz de urgenta prin GSM si localizare prin GPS (ODYSLINE), aprinderea lampilor de avarie, mod de interventie a pompierilor pentru airbagurile adaptive.

Lucrarea de față se dorește o licenta despre mecatronica sistemului de frânare, mai precis este o prezentare a sistemului ABS.

2. Sistemul de frânare

2.1 Generalități

Sistemul de frânare are rolul de a reduce viteza autovehiculului total sau parțial, de imobilizare a autovehiculului staționat sau de asigurare a unei viteze constante la coborârea unei pante.

Încetinirea sau oprirea roților este obținută prin frecarea între un element fix, conectat într-un fel sau altul cu caroseria sau șasiul vehiculului (plăcuțe de frână sau saboți) și un element solidar cu roțile în mișcare (discuri de frână, tamburi).

Sistemul de frânare trebuie să transforme energia cinetică în energie calorică și să evacueze cât mai rapid această căldură. De aici rezultă că elementele sistemului de frânare între care există frecare trebuie să aibă o bună rezistență la temperatură înaltă și o bună conductibilitate termică.

Sistemele de frânare actuale sunt capabile să obțină decelerații de 6 …6,5 m/s² pentru autoturisme și de 6 m/s² pentru camioane. Efectul este maxim când roțile sunt frânate până la limita de blocare.

Sistemul de frânare trebuie să îndeplinească urmatoarele condiții :

-să asigure o frânare sigură;

-să asigure imobilizarea autovehiculului în pantă;

-să fie capabil de anumite decelerații impuse;

-frânarea să fie progresivă, fără șocuri;

-să nu necesite din partea conducătorului un efort prea mare;

-efortul aplicat la mecanismul de acționare al sistemului de frânare să fie proporțional cu decelerația, pentru a permite conducatorului să obțină intensitatea dorită a frânării;

-forța de frânare să acționeze în ambele sensuri de mișcare ale automobilului;

-frânarea să nu se facă decât la intervenția conducătorului;

-să asigure evacuarea căldurii ce ia naștere în timpul frânării;

-să se regleze ușor sau chiar în mod automat;

-să aibă o construcție simplă și ușor de întreținut.

In procesul de franare intra 3 factori esentiali:

Factorul mecanic

Incetinirea sau oprirea rotilor este obtinuta prin frecarea intre un element fix (placute de frana sau saboti) si un element solidar cu rotile in miscare (discuri de frana, tamburi).

Sistemul de franare trebuie sa transforme energia cinetica in energie calorica si sa evacueze cat mai rapid aceasta caldura.

De aici rezulta urmatoarele calitati indispensabile :

– o buna rezistenta la temperatura inalta ;

– o buna conductibilitate termica.

Factori psihologici

Timpul de reactie

Acesta este timpul care se scurge intre perceptia obstacolului si debutul efectiv al franarii. Acest timp, variaza in functie de individ si in functie de starea generala a organismului, este in medie de 0,75 sec.

Distanta de oprire

Este distanta parcursa pe durata timpului de reactie plus distanta de franare.

Pe de alta parte distanta de franare optima este functie :

– de viteza vehiculului,

– de coeficientul de frecare,

– de deceleratia posibila (functie de caracteristica de franare a vehiculului).

Distanta parcursa intr-o secunda

Soferul trebuie sa se adapteze la conditiile de trafic si la starea drumului. Acesta trebuie sa aprecieze distantele de oprire si viteza limita de intrare intr-un viraj care sa-i permita controlul vehiculului dupa legile fizicii. Pe de alta parte, conditia tehnica a vehiculului ramane intotdeauna primordiala : amortizoare, frane, starea si presiunea de umflare a pneurilor.

Distanta de oprire a unui vehicul

(Pe sol uscat cu o deceleratie de 6 m/s2 )

Factori fizici

Roata in rotatie si comportamentul vehiculului la franare

In timpul unei franari, daca roata se blocheaza si derapeaza fara sa se invarta exista pierdere de aderenta. Cum o diferenta de aderenta intre roti exista, vehiculul se aseaza transversal si isi urmeaza traiectoria rasucindu-se in jurul axei verticale.

Atunci cand se elibereaza pedala de frana, vehiculul se stabilizeaza si reia o traiectorie urmandu-si axa longitudinala diferita de prima. In acelasi mod, se constata ca directia devine inoperanta atunci cand rotile fata sunt blocate.

2.2 Clasificarea sistemelor de frânare

1.După rolul funcțional

a. Frâna principală sau de serviciu (de picior)

-încetinește sau oprește autovehiculul aflat în mers;

-obține decelerații maxime de 6-6,5 m/s²;

-acționează asupra tuturor roților.

b. Frâna de siguranță

-permite oprirea autovehiculului în cazul în care sistemul principal de frânare se defectează;

-este acționată fără ca șoferul să ridice ambele mâini de pe volan.

c. Frâna de staționare;

-asigură imobilizarea autovehiculului staționat, în lipsa conducătorului, pe timp nelimitat;

-trebuie să aibă un sistem de comandă propriu, separat de frâna principală;

-uneori poate înlocui frâna de siguranță.

d. Frâna auxiliară;

-are același rol ca și frâna principală;

-se utilizează pentru a mări efectul frânei principale.

e. Frâna de încetinire;

– micșorează solicitările și uzurile frânei principale atunci când se coboară pante lungi

și se utilizează la autovehiculele de mare tonaj.

2. După forma piesei care se află în mișcare de rotație frânele pot fi:

-cu disc;

-cu tambur;

-combinate.

3. După forma pieselor fixe, care produc frânarea pot fi:

– cu saboți;

-cu discuri (obișnuit sectoare de disc);

– cu bandă;

– combinate.

4. În funcție de tipul mecanismului de acționare se disting:

-cu acționare directă, la care forța de frânare se datorează exclusiv forței exercitate de conducător;

-cu acționare mixtă, la care frânarease datorează atât forței exercitate de conducător cât și energiei unui agent exterior ( aer comprimat sau ulei sub presiune);

-frâne cu servoacționare, la care momentul de frânare apare datorită unui agent exterior, conducătorul având doar rolul de a regla intensitatea frânării.

5. După locul de amplasare a frânei pot fi :

-frâne pe roți;

-frâne pe transmisie.

2.3 Componența sistemului de frânare

În figura 1 este prezentat un sistem clasic de frânare:

Fig.2.1 Componenta sistemului de franare

Pedala de frâna transmite efortul exercitat de piciorul conducătorului prin intermediul amplificatorului de frânare (servofrână) către cilindrul principal de frână . Aceasta generează și distribuie lichidul de frână sub presiune prin blocul de supape spre frânele față și spate, care îl transformă cu ajutorul cilindrilor receptori, în efort mecanic (frecare) pentru a încetini, opri sau imobiliza roțile.

Asistența la frânare sau amplificatorul de frânare (servofrâna) este situat între pedala de frână și pompa de frână, în compartimentul motor. Amplificatorul de frânare (servofrâna) are ca scop creșterea forței exercitate de conducător asupra pompei de frână. Principiul constă în crearea unei diferențe de presiune între două camere separate de o membrană grație :

– depresiunii din galeria de admisie în cazul unui motor pe benzină,

– cu ajutorul unei pompe de vacuum în cazul unui motor diesel.

Frâna de staționare acționează direct prin cabluri pe frânele spate (cu tamburi).

2.4 Noțiunea de adereță

Forța de aderentă Fa se opune forței de deplasare Fx a unui corp în raport cu suprafața pe care acesta este așezat.

Această forță de aderență este funcție de:

– forța verticală (normală), care este reacțiunea planului la forța de greutate a corpului Fz ;

– coeficientul de aderență (sau de frecare) φ.

Forța de aderență se calculează cu relația : Fa=Fz ∙ φ (2.1)

Dacă Fx < Fa atunci corpul rămane imobil,

Dacă Fx Fa corpul va aluneca.

Coeficientul de aderentă (φ) depinde de legătura pneu/natura solului (uscat, lapoviță, ploaie, zăpadă, etc). Câteva valori ale coeficientului de aderență sunt prezentate în tabelul 2.1

Tabelul 2.1

2.5 Forța de frânare

În figura 2.2 sunt prezentate forțele și momentele care acționeză asupra unei roți frânate :

Fig.2.2 Forțele și momentele care acționeză asupra unei roți frânate

GR- greutatea aferentă roții frânate

Ff – forța tangențială ce acționeză asupra roții frânate;

Xf – forța de frânare ;

Mf – momentul de frânare ;

Mr – momentul de rezistență la rulare ;

Mi – momentul de inerție al roții ;

Zf – suma reacțiunilor căii de rulare asupra roții frânate.

În cazul în care roata frânată este decuplată de la motor, forța tangențială care acționează asupra roții frânate este dată de relația :

Mf+Mr –Mi

Ff = ————— (2.2)

r

Dacă prin frânare se ajunge la blocarea roții atunci Mr=0 și Mi=0, iar forța tangențială devine:

Mf

Ff = ––– (2.3)

r

În procesul de frânare există următoarea ecuație de echilibru :

Ff=Xf – Frf ,

Unde: Frf este forța de rezistență la rulare ce apare în procesul de frânare fără blocarea roților

Valoarea maximă a forței de frânare Xf max este limitată de aderența roților frânate cu calea de rulare .

În acest caz,

Ff max= Xf max= φ ∙ Zf

Unde: φ este coeficientul de aderență dintre roata frânată și calea de rulare

Zf este suma reacțiunilor normale la roțile frânate

În cazul în care frânarea are loc fără decuplarea motorului și cu admisiunea motorului la mers în gol, se calculeză forța tangențială asupra roții frânate ,cu relația :

Mf + Mr – Σ(I ∙ (dωr/dt)) + Mrr

Ff= –––––––––––––––––––––––– unde, (2.4)

r

Σ(I*dωr/dt) = suma momentelor de inerție ale organelor rotirii

Mrr = momentul redus la roata frânată al rezistențelor din motor și transmisie, respectiv

momentul fortelor e frecare

Deoarece Mrr> Σ(I*dωr/dt), rezultă o valoare mai mare a forței tangențiale a roții frânate, ceea ce arată că în cazul nedecuplării roții frânate de la motor se obține o eficacitate mai mare a frânării, mai ales în prima perioadă a frânării.

În cazul în care momentul de frânare Mf crește, se va ajunge la mărirea procentului de patinare a roții frânate, situație ce influențează asupra aderenței.

Din figura 2.3 rezultă că aderența dintre calea de rulare și roata frânată este maximă la o patinare parțială cuprinsă între 20% ….30%.

Fig.2.3

.

În cazul când patinarea crește, aderența se micșorează. Prin urmare, blocarea roților în timpul frânării este de nedorit, deoarece în primul rând reduce eficacitatea frânării, apoi poate determina deraparea roților și mărește uzura pneurilor.

Aceste probleme a frânării fără blocarea roților și a evitării derapării în timpul frânărilor de urgență, le rezolvă ABS- ul.

2.6 Parametrii capacității de frânare a autovehiculelor

Capacitatea de frânare se apreciază cu următorii parametri: decelerația maximă la frânare, timpul minim de frânare și spațiul minim de frânare.

2.6.1 Decelerația maximă la frânare

În cazul frânării autovehiculului cu ambreiajul decuplat, când nu este nici o legătură între motor și roțile autovehiculului, se calculează decelerația maximă absolută af sau relativă af rel .

dVa Ff+ΣR

af = – ––––– = ––––––– (2.5)

dt δ’ * ma

unde : ΣR = Rr ± Rp+Ra este suma rezistențelor la înaintarea autovehiculului

Rr – rezistența la rulare,

Rp – rezistența la urcarea pantei (“+” urcare, “-“ coborâre)

Ra – rezistența aerului

Ff – forța tangențială a roților frânate

ma=Ga/g – masa autovehiculului

δ’ – coeficientul maselor de rotire ale autovehiculului în procesul de frânare cu

ambreiajul decuplat

φGacosα + fGacosα ± Gasinα + KSVa2

af= –––––––––––––––––––––––––––––––– (2.6)

δ’ma

Dacă în această relație facem :

ma=Ga/g ;

Ra=0 (frânare la viteze mici) ;

α=0 (cale de frânare orizontală) si δ’=1 atunci se obține :

af=g ∙ (φ+f) unde g=9,8 m/s2 ;

φ= coeficient de aderență ;

f=coeficientul de frecare la rostogolire a pneului pe calea de rulare

Din această relație rezultă că decelerația la frânarea fără blocarea roților este mai mare decât în cazul blocării roților.

Dacă toate roțile autovehiculului sunt blocate prin frânare (f=0) atunci se obține:

af = g ∙ φ (2.7)

af

Decelerația relativă af rel = –– , ne dă o aprecire cantitativă a procesului de frânare.

g

2.6.2 Timpul minim de frânare

Dacă frânarea autovehiculului se face între două viteze V1 și V2 , se poate face determinarea timpul minim de frânare tf min atfel :

dVa dVa V2 dVa V1 – V2

dt= – ––– = – ––––––– ; tf min = – ∫ –––––– = ––––––– (2.8)

af g ∙ (φ+f) V1 g ∙ (φ+f) g ∙ (φ+f)

La frânarea autvehiculului pe o cale orizontală, dar fără blocarea roților frânate rezultă :

V1

tf min = –––––––– unde: V1 este viteza inițială a autovehiculului , V2=0 (2.9)

g ∙ (φ+f)

În relațiile de calcul ale timpului minim de frânare, precum și în cele ale spațiului minim de frânare, trebuie să se folosească și coeficientul de eficacitate al frânelor Ke , care depinde de tipul autovehiculului, încărcătură și felul sistemului de frânare.

Sr

Ke = ––– unde: Sr este spațiul de frânare real realizat; (2.10)

St St spațiul teoretic de frânare.

Coeficientul eficacității frânelor Ke se mai definește și ca raport între decelerația maximă posibilă g ∙ (φ+f) și decelerația dezvoltată în cazul unei frânări violente afv .

g ∙ (φ+f)

Ke = –––––––– (2.11)

afv

Pentru autovehiculele frecent întâlnite, coeficientul Ke are valorile cuprinse în tabelul 2.2

Tabelul 2.2

Ținând seama și de coeficientul de eficacitate al frânelor, se calculează timpul minim de frânare cu relația :

Ke ∙ V1

tf min = –––––––– (2.12)

g ∙ (φ+f)

Ke ∙ V1

sau, dacă roțile sunt blocate , cu relația : tf min = –––––––– (2.13)

g ∙ φ

2.6.3 Spațiul minim de frânare

Pentru determinarea spațiului minim de frânare Sf min , se pleacă de la egalitatea dintre energia cinetică a autovehiculului la viteza V1 și lucrul mecanic de frânare.

Dacă frânarea are loc între vitezele V1 și V2, se scrie:

ma ∙ (V12 – V22)

–––––––––––– = Sf min ∙Ff = Sf min∙ma∙af (2.14)

2

unde : V1 și V2 sunt limitele de viteză între care se produce frânarea [ m/s];

ma=Ga/g masa autovehiculului frânat

Ff este forța tangențială la roțile frânate

Rezulta ca:

V12 – V22

Sf min= –––––––––– , pentru cazul când Ke=1, drum orizontal,roțile frânate nu sunt blocate ( 2.15)

g ∙ (φ+f)

Pe o cale înclinată cu un unghi α , se obține :

V12 – V22

Sf min= ––––––––––––––––––– , unde s-a neglijat rezistența aerului (2.16)

2 g ∙ [(φ+f)cosα ± sinα ]

Dacă se consideră coeficientul de eficacitate a frânelor Ke (tabelul 2.,2) atunci:

Ke ∙(V12 – V22)

Sf min= ––––––––––––––––––– (2.17)

2 g ∙ [(φ+f)cosα ± sinα ]

Dacă V2=0 , f=0 și α=0 atunci :

Ke ∙V12

Sf min= –––––––––– pentru franarea totala cu rotile blocate de la viteze mici, pe plan orizontal (2.18)

2 g ∙ φ

2.6.4 Spațiul suplimentar de frânare

În relațiile de calcul ale procesului de frânare nu s-a ținut seama de conducătorul auto și de construcția sistemului de frânare.

Procesul de frânare care să conțină atât contribuția conducătorului auto, cât și calitățile autovehiculului este prezentat în figura 2.4.

Fig.2.4 Procesul de franare

În figura 2.5 este prezentată diagrama frânării autovehiculului.

Va variația vitezei autovehiculului frânat,

Qp –forța de apăsare pe pedala de frână,

Ff –forța de frânare,

af – decelerația la frânare,

timpii t0 , t’1 ,t”1 (t1=t’1+t”1) sunt definiți în tabelul 3,

t2 – este timpul în care are loc frânarea propriu-zisă,

t3 – este timpul de slăbire a pedalei de frână până la anularea forței de frânare

Fig.2. 5

Diagrama frânării

autovehiculului

Tabelul 2. 3

Timpii corespunzători diagramei frânării

Ținând cont de timpii specificați mai înainte, se calculează spațiul suplimentar Ss parcurs de autovehicul în timpul întârzierilor analizate:

Ss = V1 ∙ (t0 + t1) =V1 ∙ tr unde tr – este timpul total de reacție

2.6.5 Mecanisme de actionare a franelor

Transmiterea comenzii de la pedala/ parghie la frane se poate realiza mecanic, hidraulic, pneumatic, electric sau mixt.

Actionarea mecanica se realizeaza obisnuit prin sisteme de parghii si cabluri. In prezent mai este utilizata la frana de serviciu datorita unor dezavantaje:

– necesitatea reglarii frecvente;

– apar deformatii ale elementelor, uzuri necontrolabile;

– randament scazut;

Se mai utilizeaza doar la franele de stationare.

Astfel cablurile flexibile, 4, care realizeaza actionarea franelor, sunt actionate de parghia de egalizare, 3, actionata de levierul 1. Imobilizarea levierului in pozitia „franat” este realizata de mecanismul cu clichet 2.

Actionarea hidraulica este cea mai folosita;

– actioneaza simultan pe toate franele;

– randament bun;

– poate fi cu mai multe circuite, pe punti sau pe roti;

– cursa reala a pedalei buna;

– constructie simpla;

– reglare usoara;

Dezavantaje;

– spargerea unei conducte duce la defectarea intregului sistem;

– are elasticitate la patrunderea aerului in sistem;

– sensibil la temperatura;

Sistemele pot fi cu simplu circuit sau cu dublu circuit.

Pompa centrala ,2, este cu dublu circuit, pentru fata si spate, fiind actionata de pedala 1. O sectiune a pompei comanda franele 4, ale puntii fata, iar a doua sectiune comanda franele 8 ale puntii spate. Supapa de siguranta dubla, 6, are rolul de a izola un circuit atunci cand in acesta apar deficiente.

Actionarea mixta(hidraulica cu servomecanism)

Repartizarea presiunii de franare se efectueaza in diagonala : fiecare circuit de franare actioneaza pe o roata fata si pe roata spate diagonal opusa.

– Avantaj : oricare ar fi circuitul defect pierderea de eficacitate este constant de 50%.

– Dezavantaj : in caz de defectiune, sub actiunea fortelor de franare, vehiculul va avea tendinta de a trage spre stanga sau spre dreapta.

Actionarea electrica

Acest concept este inca in cercetare si dezvoltare, fiind un pas important spre crearea automobilului 100% electric sau chiar a automobilelor complet autonome, care nu au nevoie de participarea activa a conducatorului.

Firma Mercedes a incercat introducerea unui astfel de sistem de franare 100% electric, insa a fost retras la scurt timp de pe piata deoarece performantele efective si durata de viata s-au dovedit a fi cu mult mai mici decat ale franelor clasice, cu actionare hidraulica. In acest domeniu s-au demarat trei proiecte de frana electrica. Unul de catre firma Continental, ce mentinea sistemul de franare clasic, pe baza de discuri de frictiune, actionarea fiind realizata de un motor electric, prin intermediul unui reductor, cu rol de amplificare a momentului, si deplasare prin intermediul unui surub cu bile.

Alte doua proiecte de frana electrica au fost demarate separat de firmele Siemens VDO si Bosch. Acestea au venit cu un nou concept de frana electrica, denumit Electronic Wedge Brake (EWB), ce va fi prezentat in cele ce urmeaza. In urma cumpararii firmei Siemens VDO de catre firma Continental, proiectul pentru frana electrica a fost sistat. In cele ce urmeaza este prezentat tocmai acest proiect, fiind unul inovator si care, in urma testelor s-a dovedit a fi si cel mai eficient.

Sistemul EWB ce era cercetat de firma Siemens VDO era programat sa apara in productia de serie a automobilelor din Germania in 2008 ca o prima parte a unui concept mai larg numit ’’ eCorner ‘’. Acest sistem a fost conceput sa elimine sistemele hidraulice de actionare a franei din tehnologiile actuale. El lucreaza pe acelasi principiu utilizat la franarea trasurilor trase de cai, unde o pana era utilizata pentru a bloca roata. Sistemul EWB, insa, se bazeaza pe tehnologii senzoriale sofisticate si electronica pentru a impiedica frana sa se blocheze si sa asigure o franare foarte eficienta si controlata.

Pana foloseste energia cinetica a autovehiculelor, convertind-o in energie de franare. Astfel, noul concept necesita doar o zecime din energia necesara in sistemele hidraulice pentru obtinerea aceleasi forte de franare. In ciuda eficientei net superioare, acest nou concept de frana are de asemenea dimensiuni mai mici, ce reduc greutatea totala a autovehicolului, iar prin eliminarea rezervorului si conductelor pentru lichidul de frana si a altor sisteme, se va elibera un spatiu de aproximativ 22 litri in compartimentul motorului, oferind designerilor noi posibilitati.

De asemeni, sistemul de antiblocare a franei (ABS) si sistemele aditionale de stabilitate si asistenta la franare vor fi inlocuite de un software integrat in sistemul EWB. Acest lucru necesita un nou algoritm care sa preia aceste functii, permitand noii frane sa reactioneze mai rapid decat sistemul ABS. Astfel, daca sistemul ABS necesita intre 140 si 170 milisecunde pentru atingerea fortei maxime de franare, EWB necesita doar 100 ms, scurtand astfel distanta de franare.

Un vehicol folosind sistemul EWB are un modul inteligent, separat pentru fiecare roata. Modulul consta dintr-un sabot de frana, pana si rulmenti conici, transmisia pentru cele doua motoare electrice si un sistem senzorial pentru detectarea miscarii si a fortei. Senzorii masoara viteza fiecarei roti, fortele ce apar si pozitia penei actionand frana de aproximativ o suta de ori pe secunda sau chiar la rezolutii mai mari. Cand soferul actioneaza pedala de frana, sistemul tranzmite un semnal electronic de franare modulelor interconectate. Depinzand de citirile senzorilor si de intensitatea semnalelor de franare primite, motoarele electrice deplaseaza pana in pozitia dorita. Aceasta miscare este realizata prin rulmenti conici de mare viteza, alcatuiti din cateva suruburi cu bile, ce preseaza sabotul de rotor.

Efectul de franare este unul ‘’autoalimentat’’, acumuland forta foarte repede. Controlul inteligent eliminand riscul ca pana sa blocheze accidental frana. Principiul controlului logic de tip ‘’fuzzy’’(difuz) a fost adoptat de la sistemele critice de securitate folosite in aeronautica si adaptat pentru utilizarea in industria auto.

In final, sistemul EWB nu este doar pentru franarea in timpul condusului, putand functiona si ca o frana automata de parcare. Manerul standard al franei de mana nu mai este necesar, dat fiind ca noul sistem previne automobilul de la a se deplasa neintentionat. Decuplarea mecanica a pedalei de frana poate fi utilizata pentru a reduce sau evita complet pulsatiile pedalei, gresit interpretate atunci cand sistemele ABS conventionale sunt activate. Aditional, decuplarea mecanica a pedalei de frana, respectiv a franei are potentialul de a mari protectia soferului in zona picioarelor in cazul unui accident.

Sistemul EWB este capabil sa functioneze alimentat de la sistemul electric traditional de 12V. Noi posibilitati sunt de asemeni deschise, deoarece acest concept, fara parte hidraulica, necesita mai putin spatiu in compartimentul motorului si pe sasiu. Numarul componentelor sistemului de franare sunt reduse, la fel ca si timpul de asamblare al autovehicolului.

3.ABS (Anti-lock Braking System)

3.1 Scurtă istorie a ABS-ului

Sistemele ABS au fost dezvoltate pentru prima dată în 1929 de către pionierul francez în aviație și automobile Gabriel Voisin și erau destinate frânării avioanelor. În 1950 este introdus sistemul Dunlop Maxaret care este încă în uz la unele modele de avioane.

Un sistem ABS complet mecanic s-a utilizat în 1960 pe câteva automobile de curse (Ferguson P99, Jensen FF și pe mașina experimentală cu tracțiune integrală Ford Zodiac), dar acest sistem s-a dovedit nesigur și foarte scump pentru a fi implementat pe automobile.Un alt sistem ABS a fost montat în 1964 pe Austin 1800 și utiliza o supapă care putea modifica distribuția forței de frânare între puntea față și spate când se bloca o roată.

În 1971 Chrysler împreună cu Bendix Corporation au introdus pe modelul Chrysler Imperial un sistem ABS complet computerizat numit „Sure Brake” , sistem care s-a dovedit sigur în funcționare și care a fost disponibil câțiva ani după aceea.Tot în același an General Motors a introdus pe modelele Cadillac cu propulsie spate, ca o opțiune , un sistem ABS doar pentru puntea spate, numit „Trackmaster”.

În 1975, Robert Bosch a cumpărat companiile Telefunken și Bendix și a înființat compania Teldix și a folosit toate brevetele celor două companii achiziționate,pentru a pune bazele unui sistem ABS pe care avea să-l scoată pe piață câțiva ani mai târziu. Firmele germane Bosch și Mercedes-Benz au dezvoltat împreună o tehnologie ABS încă din anii 70, dar au introdus primul sistem ABS pentru 4 roți, complet electronic în 1978 la camioanele Mercedes și la Mercedes S-Class. Acest sistem proiectat de Mercedes a fost introdus mai târziu și pe alte modele de mașini și motociclete.

În 1988 ,BMW K100 a fost prima motocicletă dim lume dotată cu un sistem ABS electronic-hidraulic.

În 1992 și-a lansat primul sistem ABS pe modelul ST1100 Pan European.

În 1997 Suzuki a lansat modelul de motocicletă GSF1200SA (Bandit) cu ABS.

3.2 Relația alunecare-aderență; stabilitatea autovehiculului în timpul frânării

Automobilele moderne sunt echipate cu sisteme de frânare performante și fiabile, capabile să atingă excelente valori de frânare chiar și la viteze ridicate. Totuși, chiar și cele mai bune frâne nu sunt în măsură să evite reacțiile necontrolate și o frânare excesivă din partea conducătorului mașinii, confruntat cu condiții de circulație critice sau cu o situație neașteptată.

Specialiștii au estimat că 10 % dintre accidentele rutiere au fost produse datorită faptului că vehiculele devin necontrolabile și derapează ca urmare a blocării roților. Sistemul de anti-blocaj al roților (ABS) permite remedierea acestei probleme.

Vehiculele echipate cu acest sistem își conservă maniabilitatea și stabilitatea direcțională, chiar și în cazul frânarii violente. Sistemul ABS ameliorează securitatea rutieră. La ora actuală clienții de automobile consideră sistemul ABS ca fiind cea mai importantă opțiune (60% din preferințe), devansând airbag-ul (53%) și direcția asistată (51%).

Comportametul dinamic al unui vehicul este legat în permanență de 3 parametrii :

– conducătorul mașinii,

– vehiculul,

– calea de rulare.

Când condițiile de circulație necesită încetinirea sau oprirea completă a vehiculului (frânare normală sau de urgență), conducătorul trebuie să acționeze asupra :

– pedalei de frână,

– volanului pentru a evita obstacolele apărute în fața lui.

Vehiculul reacționează cu ajutorul frânelor care vor exercita un cuplu pe diferitele roți, creând astfel forțele de frânare.

Oprirea vehiculului este totdeauna condiționată de :

– buna apreciere a conducătorului ca timp și ca dozare a reacțiilor sale.

– răspunsul prompt al vehiculului.

– starea carosabilului care definește nivelul de aderență al anvelopelor.

Relația alunecare/aderență

Alunecarea se calculează astfel :

Alunecarea = [%], V=viteza vehiculului, v = viteza roții frânate.

Fig.3.1

Fig.3.2

Dacă alunecarea crește peste o anumită valoare, forța de aderență scade. Blocajul unei roți este de asemenea obținut cu o alunecare de 100 %.

Alunecarea și forța de aderență sunt strâns legate, deci pentru a obține cea mai bună forță de aderență între anvelopă și șosea este necesar să se atingă o anumită valoare de alunecare. Această alunecare provoacă în schimb o uzură a anvelopelor.

Se remarcă faptul ca în curbe are loc o creștere importantă a alunecării până la blocajul roții ceea ce provoacă o diminuare a forței de aderență longitudinală, iar pe de alta parte, provoacă în egală măsură o scădere foarte importantă a forței de aderență transversală – și astfel posibilitatea derapării laterale crește.

De asemenea, dacă se privește vehiculul în totalitate, blocajul roților din față provoacă o pierdere a « dirijabilității » vehiculului, iar blocajul roților spate produce o pierdere a stabilității acestui vehicul (apare riscul de răsucire).

Constatăm că o alunecare situată în jurul a 20 %, dă un bun compromis între stabilitatea și maniabilitatea direcțională a forței de frânare.

Dacă automobilul dotat cu ABS se află în curbă și se produce o frânare de urgență, vehiculul rămâne pe traiectoria impusă de conducător în 85% din situații. În absența ABS-ului, numai 38% din vehicule rămân pe traiectoria impusă.

Concluzie:

Dacă se ajunge la blocarea roților în timpul unei frânări violente, atunci se va pierde o mare parte din aderență, ceea ce va conduce la :

diminuarea eficacității frânării și a stabilității vehiculului,

pierderea maniabilității direcționale,

creșterea distanței de oprire.

Forța de frânare maximă este obținută atunci când pneurile sunt la limita de aderență. Cu cât forța de aderență va fi mai mare, cu atât distanța de oprire va fi mai scurtă. Cu scopul de a remedia aceste 3 inconveniente, este necesar să se limiteze forța de frânare la o valoare corespunzătoare unei alunecări între pneu și sol, de ordinul a 20 %.

Ar fi iluzoriu să ne gândim că un șofer, chiar foarte antrenat, în cazul unei frânări «de panică» să aibă reacțiile adecvate care ar permite dozarea forței de frânare adecvată. În figurile 3.3 și 3.4 sunt exemplificate cazurile frânării de urgență cu ABS (fig.3.3) și fără ABS (fig.3.4)

Fig.3.3

În momentul (1) are loc frânarea bruscă, în momentul (2) are loc virarea roților directoare, iar în ultimul moment (3) se produce evitarea obstacolelor. Principalul avantaj al frânării cu ABS este așadar ,menținerea autovehiculului pe direcția dorită chiar și în timpul frânării de urgență.

Fig.3.4

În momentul (1) are loc frânarea bruscă, iar în momentul (2) sunt virate roțile directoare. Datorită blocării roților la frânare, direcția vehicului nu poate fi controlată. În concluzie, în lipsa ABS-ului, în cazul frânării de urgență cu blocarea roților, direcția autovehiculului nu poate fi controlată.

3.3 Principiul de funcționare al ABS-ului

Principiul de funcționare al unui dispozitiv ABS este prezentat în figura 3.5.

Astfel, perioada t1-până în A se numește faza de activare, în care conducătorul apasă pedala de frănă; viteza periferică a roții scade (a) în timp ce presiunea din circuitul de frânare crește (b), iar roata începe să fie decelerată(c). Punctul A corespunde atingerii forței tangențiale maxime (d). În absența ABS-ului presiunea din sistem va continua să crească, ajungându-se la blocare (punctul F). În cazul ABS-ului, imediat ce se trece de punctul A , începe faza de descărcare, în care, deși conducătorul apasă pe pedală, presiunea din sistem scade (zona X-Y, fig b), ca urmare , decelerarea roților scade (zona X-Y, fig.c).

În punctul Y începe faza de izolare, pe parcursul căreia presiunea în sistem este constantă (Y-Z, fig. b),la o valoare mai mică decât cea care duce la blocarea roții. Această fază durează până când, datorită decelerării roții și apoi accelerării ei, patinarea scade sub valoarea optimă. În punctul Z începe faza de reactivare, pe parcursul căreia presiunea din cilindrii de frână scade, accelerația crește din nou și ciclul de funcționare a dispozitivului antiblocare se reia. Comanda dispozitivului ABS este dată , prin calculator, de decelerația sau accelerația roții, pragul S1 stabilind momentul începerii fazei de izolare, iar pragul S2 stabilind începutul fazei de reactivare. Un ABS ideal ar trebui să mențină forța tangențială specifică la valoarea maximă, însă practic nu se poate obține; funcționarea pulsatorie a ABS-ului reduce eficacitatea frânării față de cazul ideal (suprafața a, fig d), dar o marește față

de blocarea roții (suprafața b , fig.d).

Fig.3.5 Principiul de functionare al ABS

În figura 3.6 este prezentat simplificat un sistem ABS în timpul funcționării și anume în cazul când roata de culoare roșie se află pe o suprafață alunecoasă.

Fig.3.6 Sistem ABS in timpul functionarii

În timpul frânării de urgență roata roșie ,aflându-se pe o suprafață alunecoasă tinde să se blocheze, ca urmare viteza unghiulară a roții va scădea în comparație cu vitezele unghiulare ale celorlalte roți. Calculatorul ABS-ului “culege” această informație de la fiecare roată cu ajutorul traductoarelor de viteză unghiulară, compară vitezele unghiulare ale celor patru roți și constată că roata de culoare roșie are o viteză unghiulară mai mică, în consecință va transmite modulatorului de presiune decizia de

a micșora presiunea de frânare la roata roșie, prin comanda unei electrovalve .

Deasemenea, când calculatorul ABS-ului “simte” că viteza unghiulară a roții de culoare roșie crește și devine egală cu vitezele celorlalte roți, poate comanda modulatorului de presiune creșterea presiunii de frânare la această roată. Acest lucru este posibil datorită unei pompe hidraulice acționate de un motor electric care face bloc comun cu modulatorul de presiune. Acest ciclu de scădere și creștere a presiunii de frânare de desfășoară cu o viteză de până la 50 Hz pentru ABS-urile actuale.

Fig.3.7. Reglare ABS

În figura 3.7, se observă că în timpul unei frânări puternice ABS-ul încearcă să mențină o valoare a alunecării în jur de 20 %.

Pentru a face aceasta, el încearcă să mențină presiunea de frânare constantă de îndată ce alunecarea ajunge la această valoare (într-adevăr, de la un anumit prag al alunecării, capacitatea direcțională a vehiculului este foarte mult diminuată).

Apoi, dacă alunecarea continuă să crească, va scădea presiunea de frânare pentru a readuce alunecarea sub 20 %. Și astfel se desfasoara toată faza de reglare.

Scopul este de a reduce cât mai mult amplitudinea oscilațiilor și de a mări frecvența lor

3.4 Elemente componente ale subansamblului

mecatronic ABS

3.4.1 Captorii de viteză ai roții

Există două familii de captori de viteză ai roții :

-captorii pasivi,

-captorii activi.

3.4.1.1 Captorii pasivi

Fig.3.8.Captorul pasiv

Captorul pasiv nu este alimentat. El funcționează după principiul inducției. Captorul conține doi magneți permanenți și o înfășurare (bobină). Fluxul magnetic se modifică datorită trecerii dinților coroanei dințate, iar variația câmpului magnetic care traversează bobina generează o tensiune alternativă sinusoidală a cărei frecvență este egală cu viteza roții. Avem nevoie de o anumită viteză de defilare a dinților (viteză roată) pentru a se obține un semnal de formă cvasisinusoidală la bornele traductorului (în general o viteză de 5 – 10 km/h).

Frecvența și amplitudinea semnalului sunt variabile cu viteza de rotație!

Numai amplitudinea semnalului se modifică odată cu întrefierul!

3.4.1.2 Captorii activi

Fig.3.9. Captor activ

Captorii activi sunt alimentați de către calculator. Ei funcționează după principiul măsurării unui câmp magnetic. În corpul captorului se găsește un element sensibil electronic. Fluxul magnetic este modificat prin defilarea dinților unei coroane dințate.

Variația câmpului magnetic care traversează partea activă a captorului generează un semnal de ieșire rectangular a cărui frecvență este proporțională cu viteza roții.

Amplitudinea semnalului este constantă oricare ar fi valoarea de întrefier până la o valoare de întrefier maximă. La aceasta valoare de întrefier maximă, semnalul corespunde unei viteze a roții egală cu zero.

Pe vehicule pot fi montate două tipuri de coroană dințată – clasice (roți fonice) și magnetice (coroană magnetică). Citirea informației va fi efectuată de către un captor cu efect HALL pentru o coroană clasică sau de către un captor MAGNETO-REZISTIV pentru cealaltă.Cu ajutorul acestor captori se pot citi viteze ale roților de până la 0 km/h !

Montarea pe vehicul a unui captor cu efect magneto-rezistiv presupune o modificare la nivelul rulmentului roții, acestuia adăugându-i-se coroana (ținta) magnetică.

Fig.3.10.

Captorul (1) este fixat în fața țintei magnetice grație unui inel de fixare (2) montat pe fuzetă. Aceasta permite ca întrefierul între captor și ținta magnetică să rămână constant.

Ținta magnetică (Fig.3.11) se prezintă sub forma unei succesiuni de poli Nord și Sud. La fiecare inversare a polilor prin fața captorului, se inversează și câmpul magnetic. Aceasta creează o modificare a intensității câmpului.

Fig.3.11.

3.4.2 Captorul I.L.S.

Informația primită de la acest captor este o tensiune de tip totul sau nimic ceea ce înseamnă că informația de decelerare nu apare decât de la un anumit prag al decelerație.Captorul este costituit din două comutatoare pendulare care corect montate pe automobil vor fi închise în situația unui rulaj normal sau rulaj cu accelerare sau decelerare scăzute.Când pragul este depășit contactele se vor deschide. Montarea captorului se face cât mai aproape de centrul de masă al automobilului.

Fig.3.12 Captorul I.L.S.

3.4.3 Captorul analogic

Informatia primită de la acest captor este o tensiune variabilă proporțională cu accelerația sau decelerația automobilului. În general numai informația de decelerație este utilizată de calculator.

Fig.3.13. Captorul analogic

Calculatorul ABS furnizează informația de viteză tuturor calculatoarelor cu care se află în interconexiune (tablou de bord, UCE injecție, regulator de viteză, direcție asistată variabil…) astfel:

-prin rețeaua multiplexată,

-printr-o legătură filară pentru sistemele neincluse în rețeaua multiplexată.

Pentru aceasta, este necesar ca unitatea de comandă a ABS-ului să învețe cu precizie circumferința anvelopelor. De aceea se programează indexul tahimetric.Această informație va duce la suprimarea captorului clasic de viteză situat la nivelul cutiei de viteze. Calculul vitezei automobilului se face pe baza vitezelor roților și a anvelopelor utilizate.

3.4.4 Contactorul STOP

Este un captor de tipul totul sau nimic și are rolul de a informa calculatorul în vederea intrării în gardă a funcției ABS. Informația este folosită de calculator și pentru a depista sursa de decelerație a automobilului ( putem avea frâna de mână trasă sau roată blocată din diverse motive.Dacă sistemul se află în faza de reglare iar conducătorul eliberează pedala de frână semnalul transmis prin contactor permite calculatorului să părăsească rapid această fază.

În cazul defectării contactorului sistemul funcționează în continuare pentru că informațiile principale sunt cele de viteză roată.

Captorul pentru cursă pedală frână

Fig.3.14. Captorul pentru cursa pedalei de frana

Acest captor se întâlnește la sistemele TEVES I din prima generație.

Rolul său este acela de a determina pragurile de punere și scoatere din funcționare a grupului electropompă.

Totodată el permite ca sistemul ABS să–și întrerupă funcționarea dacă pedala de frână este apăsată mai mult de un anumit prag. Traductorul este de tip reostat plasat la nivelul servomecanismului de frânare. Cursorul său se află solidarizat în mișcare cu diafragma servomecanismului. Informația de poziție pedală de frână este dată calculatorului sub formă de rezistență variabilă. Calculatorul alimentează în curent continuu captorul și determină poziția pedalei prin căderea de tensiune pe captor.

3.4.5 Vehiculele cu 4 roți motoare

Fig.3.15. Captorul de acceleratie

Pe un vehicul cu 4 roți motoare, apare o problemă suplimentară. Într-adevăr, lanțul cinematic de transmisie leagă roțile între ele. În faza de frânare aderența la cele 4 roți poate diferi, mai ales pe un sol cu aderență slabă, situație în care una din roți va avea tendință de blocare. Acest lucru va duce și la tendința de blocare a celorlalte roți în timp ce masina este in miscare.

Calculatorul nu va putea analiza blocarea unei roți prin raport cu altă roată și nu va intra în faza de reglare. Este necesară o informație suplimentară pentru a cunoaște decelerația roților în raport cu cea a vehiculului. Se utilizează un captor de accelerație (captor analogic), montat aproape de centrul de greutate al vehiculului.Atunci când viteza unei roți devine din nou semnificativă calculatorul va putea aplica din nou o strategie.

3.4.6 Blocul ABS

Fig3.16. Blocul ABS

Blocul ABS (1) (Fig.3.16) este compus din:

Grupul hidraulic (2)

(electrovane, pompă hidraulică, motor de pompă, acumulator de joasă presiune, clapetă de anti-retur).

Calculatorul (3).

Aceste două elemente, după model, pot fi înlocuite independent.

Fig.3.17. Grupul hidraulic

3.4.6.1 Grupul hidraulic

Grupul hidraulic (Fig.3.17) conține :

cele opt electrovane ale roților (1),

pompa hidraulică (2).

Fiecare roată dispune de două electrovane :

una de admisie deschisă în repaus,

una de evacuare închisă în repaus.

3.4.6.1.1. Funcționarea grupului hidraulic

Se disting mai multe situații în care se poate afla la un moment dat grupul hidraulic :

1. În repaus, fără a se acționa pedala de frână (Fig.3.18)

În poziția de repaus, clapetele centrale ale cilindrului principal sunt deschise făcând legătura dintre camerele din amonte și din aval. Electrovanele de admisie sunt deschise, electrovanele de evacuare susunt închise.

Fig.3.18. Fnctionarea grupului hidraulic

Pedala de frana

Servofrana

Cilindrul principal si rezervorul de lichid de frana

Circuit primar

Circuit secundar

Pompa hidraulica si motorul ei

Clapeta anti-retur

Electrovane de admisie fata stanga/dreapta

Elecrtovane de evacuare fata stanga/dreapta

Electrovane de evacuare spate stanga/dreapta

Electrovande de admisie spate stanga/dreapta

Roata fata stanga

Roata spate dreapta

Roata fata dreapa

Roata spate stanga

Acumulatori de joasa presiune

Frânarea clasică (Fig.3.19)

Fig.3.19. Franarea clasica

Prin acționarea pedalei de frână cu ajutorul piciorului se stabilește o presiune hidraulică uniformă în ambele circuite și se determină un cuplu de frânare proporțional cu efortul aplicat. Electrovanele și pompa rămân în repaus.

3. Frânarea cu reglare : faza de menținere a presiunii (Figura 3.20)

Fig.3.20. Franarea cu reglare

În cazul în care alunecarea roții a depășit pragul, calculatorul pilotează electro-vana de admisie (8),închizând-o, și astfel se izolează cilindrul principal (3) de etrierul (12) al roții. Creșterea presiunii de frânare în frână devine imposibilă.

4. Frânarea cu reglare : faza de scădere a presiunii (Figura 3.21)

Fig.3.21. Franarea cu reglare

Această fază nu intervine decât dacă efectul fazei de menținere a presiunii n-a fost suficient pentru a evita creșterea alunecării roții (pericol de blocare a roții).

Electrovana de admisie (8) rămâne închisă. Simultan, electrovana de evacuare (9) se deschide și pompa hidraulică (6) se pune în funcțiune.

Scăderea presiunii se efectuează instantaneu grație acumulatorului de joasă presiune (16). Acțiunea pompei permite să refuleze lichidul înmagazinat în acumulator spre cilindrul principal. Acumulatorii de joasa presiune servesc doar pentru a absorbi creșterile de debit în timpul căderii de presiune.

Pompa refulează lichidul de frână din acumulatorii de joasă presiune spre circuitul de frânare (cilindrul principal sau cilindrii receptori ai roților, în funcție de faza de funcționare a electrovanelor de admisie).

Deschiderea electrovanelor de evacuare provoacă o coborâre a pedalei, funcționarea pompei generează o ridicare a pedalei de frână. Combinarea acestor două efecte provoacă o mișcare a pedalei care „vibrează” și semnalează conducătorului că o regularizare este în curs.

5. Frânarea cu reglare : faza de creștere a presiunii (Figura 3.21)

Electrovana de evacuare se închide și electrovana de admisie se deschide. Cilindrul principal este din nou in legatura cu frâna roții.Alimentarea hidraulică se efectuează grație cilindrului principal, dar de asemenea prin intermediul pompei în cazul în care acumulatorul nu ar fi gol.

Concluzie

Distingem trei faze :

-menținerea presiunii.

-scăderea presiunii.

-creșterea presiunii.

Aceste 3 faze (menținere, scădere și creștere de presiune) constituie o reglare ABS. Cu cât numărul de reglări ABS este mai mare, cu atât reglarea presiunii de frânare este mai fină.

3.4.6.2. Calculatorul ABS-ului (Figura 3.22)

Fig. 3.22. Calculatorul ABS

Calculatorul conține :

-electronica și programul de gestiune a sistemului (1),

-bobinele de comandă ale elctrovanelor (2).

Calculatorul de ABS îndeplinește următoarele funcții :

1. Reglarea presiunii de frânare.

2. Supravegherea componentelor electronice ale sistemului.

3. Memorarea defectelor apărute.

1.Reglarea presiunii de frânare :

În funcție de informațiile primite de la captorii de viteză ai roților, calculatorul ABS determină alunecarea fiecărei roți. De îndată ce una dintre ele tinde să se blocheze, el comandă atunci electrovanele grupului hidraulic.

Calculatorul comandă electrovanele și pompa hidraulică utilizând :

Viteza vehiculului : Calculatorul determină viteza vehiculului făcând media vitezelor celor 4 roți. Această medie este numită viteza de referință. Viteza de referință este calculată cu ajutorul informațiilor furnizate de captorii roților, dacă vehiculul este echipat cu 4 captori. Pentru vehiculele echipate cu 2 captori, mai este necesar un captor de accelerație care participă la determinarea vitezei de referință. Pentru vehiculele 4X4, acest tip de captor determină dacă vehiculul este în mișcare.

Accelerația și decelerația fiecărei roți : Informațiile măsurate de captor sunt transformate electric și analizate în paralel prin două microprocesoare. După procesare, semnalele de ieșire asigură comanda electrovanelor și a motorului de pompă. El calculează viteza de referință a vehiculului raportată la decelerația (sau accelerația) roților (captori de viteză ai roților) și în consecință deducând alunecarea.

2.Supravegherea componentelor sistemului :

La primul demaraj al motorului, de îndată ce vehiculul depășește o viteză dată (în jur de 10 km/h), calculatorul comandă :

cele 8 electrovane,

motorul pompei.

Aceasta permite să se controleze funcționarea grupului hidraulic. Datorită acestei strategii, la nivelul pedalei de frână sunt perceptibile vibrații slabe asemănătoare cu reglarea ABS.

3.Memorarea defectelor :

La punerea contactului, calculatorul testează toate componentele electronice, ca și toate informațiile primite. Aceasta provoacă aprinderea martorului de ABS în tabloul de bord. Dacă nici un defect nu este detectat, martorul se stinge 3 secunde mai târziu. Când martorul este aprins, calculatorul de ABS nu mai reglează presiunea de frânare, sistemul de frânare redevine unul clasic (pentru ABS-urile de tip adițional).

În funcție de decelerația calculată de calculator, acesta poate activa aprinderea luminilor de semnalizare timp de câteva secunde, cu scopul de a alerta ceilalți șoferi din trafic că vehiculul frânează violent.

O dată pragul de decelerație atins, calculatorul ABS trimite o cerere de aprindere a luminilor de semnalizare Unității Centrale Habitaclu (UCH) prin rețeaua multiplexată a vehiculului. UCH-ul comandă aprinderea, apoi stingerea lămpilor de semnalizare (în mod automat).

3.5 Rețeaua multiplexată

Din ce în ce mai mult, calculatoarele de ABS sunt legate in rețeaua multiplexata a vehiculului. Aceasta permite :

schimbul mai bun de informații,

diagnosticul calculatorului

Fig.3.23. Reteaua multiplexata a vehicolului

Dacă se efectuează o încercare rutieră cu testerul de diagnostic branșat la calculatorul ABS, pot să survină două situații :

-de la un anumit prag (v > 10 km/h), calculatorul de ABS iese din modul diagnostic pentru a-și relua prestațiile uzuale (Bosch 5.3),

-calculatorul rămâne în modul diagnostic, el nu mai își asigură obligațiile (exemplu Continental Teves MK60).

2. CAN BUS – exemplu de magistrală serială în automobil [DUM04a]

Dezvoltarea CAN a început odată cu implementarea unui număr tot mai mare de dispozitive electronice în autovehiculele moderne. Exemple de astfel de dispozitive sunt sistemele de management al motorului, suspensiile active, ABS, controlul cutiei de viteze, controlul farurilor, aerul condiționat, airbag-urile și închiderea centralizată (fig.3.24).

Fig 3.24 CAN Bus pentru conectarea subsistemelor în automobil

Controller Area Network (CAN) este un protocol de comunicație serial, care asigură controlul distribuit, în timp real, cu un mare grad de siguranță. A fost dezvoltat inițial de firma Bosch, care deține și licența CAN, în ultima parte a anilor 1980. Este standardizat pe plan internațional de International Standardization Organization (ISO) și de Society of Automotive Engineers (SAE).

CAN de viteză mare are la bază standardul ISO 11898 (rate de transmisie de până la 1 Mbit); Extensii în specificațiile 2A and 2B (datorită cerințelor producătorilor de hardware) fidiferite lungimi ale identificatorilor (2A cu identificatori de 11 biți; 2B cu identificatori de 29 biți);

CAN de viteză mică (rate de transmisie 125 Kbit) se bazează pe ISO 11519-2; Un alt standard este CiA DS-102: standardizeză ratele de transmisie (baud-rates) și timpii impuși pentru transmiterea biților și stabilește conductorii, conectorii și liniile de putere.

CAN în autovehicule:

SAE CAN clasa B (are la bază standardul ISO 11519-2), cu până la 32 de noduri, este implementat în spațiul interior al vehiculului și leagă componente ale șasiului și electronica destinată confortului

SAE CAN clasa C (are la bază standardul ISO 11898), cu până la 30 de noduri, este implementat pentru conectarea și controlul motorului, a transmisiei, a frânării, suspensiei

CAN este protocolul cel mai utilizat în autovehicule și automatizări. Cele mai importante aplicații pentru CAN sunt automobilele, vehiculele utilitare și automatizările industriale. Alte aplicații ale CAN se regăsesc la trenuri, echipamente

medicale, automatizarea clădirilor, echipamente electrocasnice și automatizarea birourilor.

Concepte de bază

Structura liniilor CAN bus line și nivelele de tensiune care corespund celor două stări ale magistralei – dominant si recesiv, sunt prezentate în figura 7.

Fig.3.25. Liniile și nivelele de tensiune ale CAN Bus (ISO 11898)

Propietăți ale CAN

Iată câteva dintre cele mai remarcabile propietăți ale CAN:

Priorizarea mesagelor: Identificatorul (identifier) definește o prioritate statică a mesajului în timpul accesului la magistrală. Atunci când magistrala este liberă, oricare unitate poate demara începerea unei transmiterii unui mesaj. Dacă încep să transmită simultan două sau mai multe unități, conflictul de acces pe magistrală este rezolvat prin arbitrarea bit cu bit, utilizând identificatorul. Mecanismul arbitrării garantează că nu se pierde nici timp nici vreo informație. Pe parcursul arbitrării fiecare transmițător compară nivelul bitului transmis cu nivelul existent pe magistrală. Dacă nivelele sunt egale, unitatea continuă să transmită. Dacă ea transmite un nivel “recesiv” și magistrala monitorizează un nivel “dominant”, unitatea pierde arbitrarea și trebuie să se retragă, fără a mai transmite un singur bit. Acest sistem de arbitrare, conceput special pentru autovehicule, permite rezolvarea unor evenimente de importanță mai mare în funcționarea mașinii, care necesită o decizie mai rapidă, prioritar față de evenimente pentru care deciziile mai pot întârzia.

Multimaster: Magistrala nu presupune o ierarhizare a nodurilor; când magistrala este liberă, oricare unitate poate începe transmiterea unui mesaj. Unitatea cu mesajul cel mai prioritar va câștiga accesul la magistrală.

Siguranță: Pentru a realiza cea mai mare siguranță în transferul datelor, în fiecare nod al magistralei CAN sunt implementate mijloace puternice pentru detectarea erorilor, semnalizarea acestora și auto-verificare.

Conexiuni: Legătura serială de comunicație CAN este o magistrală la care pot fi conectate un anumit număr de unități. Acest număr nu are o limită teoretică, limita practică fiind determinată de timpii de întârziere și/sau consumul de putere pe magistrală. Nodurile magistralei nu au adrese specifice, adresa informației fiind conținută în identificatorul mesajului transmis și în prioritatea acestuia. Numărul nodurilor poate fi modificat dinamic, fără ca acest lucru să perturbe comunicația dintre celelalte noduri.

Rata de transmisie: Viteza CAN poate fi diferită în diferite sisteme, dar pentru un anumit sistem rata de transmisie este fixată și constantă.

4. Standul ABS

Standul ABS simuleaza conditiile de functionare reale ale unui sistem de franare cu ABS aflat pe un autovehicul.

Modul de functionare a standului este urmatorul:

Sistemul ABS este alimentat de la o baterie auto de 12V.

Pentru a functiona standul este nevoie de o baterie de 12V bine incarcata si o priza de 380V

Dupa ce a fost conectat la reteaua de curent si la baterie se porneste motorul electric trifazat, acesta actionand butucii rotilor , se apasa pedala de frana astfel butucii rotilor se franeaza si se blocheza , sistemul ABS fiind inactiv, astfel sistemul de franare devenind unul clasic.

Butuci de roata care simuleaza puntea fata a masinii sunt antrenati de un motor asincron trifazat prin intermediul unei transmisii prin cuea.

Pentru a simula franarea cu sistem ABS se porneste sistemul ABS apoi se porneste motorul electric dupa care se actioneaza pedala de frana ,astfel se produce o franare a puntii fata ducand la o diferenta de viteze intre cele doua punti,sistemul sesizeaza diferenta si intervine in procesul de franare prin conditionarea fortei de franare , ducand la aparitia vibtatiei pedalei de frana .

In urma masuratorilor sa constatat ca sistemul de electrovalve actioneaza cu ofrecventa intre 35……40Hz.

4. Motorul de antrenare

Fig4.1 Motor de antrenare

Motorul de antrenare este un motor electric asincron trifazat cu rotor in scurt circuit si este echipat cu doua coroane dintate pentru senzorii de viteza ,acesta simuland puntea spate a autovehicolului.

Motorul electric este actionat prin intermediul unui contactor de tip AC3 care functioneaza dupa schema electrica di figura.4.2

Fig. 4.2 Schema de comanda a pornirii directe a unui motor asincron trifazat nereversibil

In schema de comanda se remarca prezenta separatorului I si a contactorului L pe coloana de forta. Totodata ,pentru prevenirea regimului de suprasarcina a fost prevazut si releul termic RS. Schema de actionare include butoanele de comanda pornit P si oprit O. Dupa inchiderea separatorului I, prin apasarea butonului P se alimenteaza cu energie electrica bobina contactorului L. Aceasta inchide contactele de forta si alimenteaza astfel motorul cu energie electrica. Concomitent, dupa depresurizarea butonului P, alimentarea bobinei L se mentine prin contactul auxiliar L4. Oprirea motorului se realizeaza prin apasarea butonului de comanda O, care intrerupe alimentarea bobinei L, fapt urmat imediat de deschiderea contactelor de forta ale contactorului L. In cazul aparitiei suprasarcinii de durata, releul termic RS deschide contactul normal inchis.

Circuitul hidraulic

Pentru a opera asupra sistemului de frânare se aplică o forță de apăsare pe pedala de frână deplasând tija pistonul servomecanismului. Servomecanismul amplifică forța de apăsare pe pedală și o transmite pistonului pompei centrale. Pompa centrală face conversia forței din tijă în presiune. Cele două pistoane ale pompei centrală măresc presiunea lichidului de frână din conducte care se transmite mai departe blocului hidraulic al sistemului ABS si apoi frânelor cu disc. În cazul unei avarii la unul dintre circuite, sistemul rămâne funcțional datorită celui de-al doilea circuit. Rezervorul cu lichid de frână conectat la pompa centrală are rolul de a compensa fluctuațiile de volum de lichid din sistemul de frânare.

Fig.4.3 Circuitul hidraulic

Butucul rotii

Fig.4.4 Butucul rotii

Pe butucul rotii este montat discul de frana care impreuna cu etrierul si placutele de frana formeaza un mecanism de franare . Acest mecanism functioneaza datorita presiunii lichidului care intra in cilindrul de frana si determina deplasarea placutelor de frana . Etrierul este montat fix fata de discul de frana astfel prin strangerea discului de catre placutele de frana se produce frecare care duce la franarea rotii. Tot pe butucul rotii se gasesc si senzorul de viteza al sistemului ABS si coroana dintata.

Calculatorul ABS

Fig.4.5. Calculatorul ABS

Calculatorul ABS are rolul de a culege informatiile furnizate senzori, procesorea lor, cu ajutorul softului si luarea de decizii privind modul in care se face franarea rotilor autoturismului. Totodata calculatorul detecteaza si memoreaza defectele care apar in cadrul sistemului si avertizeaza conducatorul auto prin intermediul uni semnal luminos.

Sistemul ABS dispune de mai mulți martori și avertizari transmise tabloului de bord. Aceștia permit utilizatorului să verifice buna funcționare a acestor funcții.În toate cazurile, rolul calculatorului de ABS este de a stinge martorii asociați. Din acest motiv, dacă se debranșează calculatorul, martorii din tabloul de bord se aprind.

In tabelul de mai jos sunt sintetizate cauzele de aprindere ale martorilor :

* : martorul clipește la 2 Hz

** : martorul clipește la 8 Hz

Fig.4.6 Schema electrica a sistemului ABS

5.Concluzii

Sistemul ABS și-a manifestat utilitatea și este recomandat oricărui tip de autovehicol.

Sistemul ABS ajută la păstrarea direcției de parcurs dar nu este suficient. Asigură anti-patinarea dar nu păstrează în totalitate parcursul dorit de conducător. Perfecționarea sistemului necesită introducerea ESP-ului și a ASR-ului( Acceleration Slip Regulation) astfel încât automobilul să păstreze traiectoria dorită de conducător și să demareze fără patinare.

Începând din 2009 toate vehicolele au din fabrică ca și dotare standard dispozitive ABS. Acest lucru va reduce semnificativ numarul victimelor cauzate de accidente rutiere în special în randul pietonilor.

Începând cu 2012, ca și dotare standard va fi introdus și Esp-ul (Sistemul Electronic de Control al Stabilității).

În prezent se pune un mare accent pe siguranța în traficul rutier și se investesc sume importante în cercetarea și dezvoltarea sistemelor de siguranța atat pasivă cât și activă.

Bibliografie

1. Comunicate de presa ale Siemens VDO privind sistemul EWB.

2. Flavian Farcaș, Note de curs, U.T.Gh.Asachi – Iași 2009

3. Paul Crowe, Electronic Wedge Brakes Signal Future Electric Cars, nov 2006

4. Gh.Frățilă, Calculul și construcția automobilelor, E.D.P.- București ,1977

5. Vasile Neculăiasa, Mișcarea autovehiculelor, Ed. Polirom – Iași, 1996

6. http://comymanele.xhost.ro/istorie.htm

7. http://www.drivingfast.net/technology/ABS.htm

8. http://en.wikipedia.org/wiki/Anti-lock_braking_system

9. http://www.prealign.com/images/brakes111.jpg