Умные тормозные механизмы. Системы ABS, ESP и TSC

 Серийные и тюнинговые автомобили имеют, как правило, весьма простые по конструкции и эффективные тормозные системы. Но время идет вперед - электроника проникает даже в эти, казалось бы, заповедные зоны. Попробуем разобраться, как она работает.

Неожиданно возникшее препятствие, удар по педали тормоза, занос... Знакомая картина, не правда ли? Если колеса автомобиля во время торможения оказались заблокированными хотя бы на мгновение, то потеря курсовой устойчивости может быть вызвана действием даже ничтожной поперечной силы. Откуда она берется?

Помимо центробежной силы, действующей на автомобиль при повороте, поперечная может возникнуть из-за неравномерного срабатывания тормозных механизмов разных колес, из-за того, что эти колеса находятся на различных по сцепным свойствам покрытиях, из-за разницы в износе протектора... Причин много. В результате экстренное торможение, почти неизбежно влекущее на мокрой и тем более скользкой дороге блокировку колес, превращает машину в неконтролируемый водителем снаряд, произвольно изменяющий под воздействием упомянутой силы направление движения со всеми вытекающими последствиями.

Первые системы, предотвращающие блокировку колес и позволяющие водителю, слишком надавившему на педаль тормоза, управлять автомобилем, появились более тридцати лет назад. Сейчас такие антиблокировочные системы ABS (Antilock Brake System) можно увидеть разве что в политехнических музеях. Однако испытанные на них принципы построения подобных систем используются и поныне.

Любая ABS состоит из трех основных элементов: датчиков скорости вращения колес, модулятора тормозного давления и электронного блока управления. Задача датчиков - фиксировать начало блокировки колес. Как только это произошло, сигнал передается блоку управления, который в свою очередь отдает команду модулятору, понижающему давление жидкости в гидросистеме тормозов. Когда колесо разблокировалось и снова начало вращаться, давление жидкости возвращается к первоначальной величине и вновь заставляет тормозные механизмы срабатывать. Процессы торможения и растормаживания колес будут циклически повторяться до тех пор, пока угроза блокирования не исчезнет. Водитель ощущает работу ABS по толчкам, передающимся на педаль тормоза.

TCS - Traction Control System (другие названия ASR, ASC, ETS) Колеса способны также сорваться в скольжение в момент начала движения, при разгоне, в случаях энергичного движения по участкам с разнородными по сцепным свойствам покрытиями. Желание избавиться от этих недостатков обусловило появление TCS - Traction Control System (другие названия ASR, ASC, ETS). Собственно говоря, своим существованием противобуксовочные системы обязаны ABS. Конструкторы воспользовавшись компонентами ABS, расширив лишь программное обеспечение процессора этой системы. Блок управления ABS "обучили" распознавать колеса. Когда ведущие начинают вращаться быстрее, чем катятся ведомые, это логично воспринимается процессором как пробуксовка. Далее возможны два варианта. Первый - электроника "придушит" двигатель, не обращая внимания на то, как активно давит на педаль газа водитель; второй - ведущие колеса притормаживаются до тех пор, пока не перестанут буксовать и не зацепятся протектором за покрытие. Впрочем, обычно "работают" оба сценария.

Что в TCS примечательно, так это способность системы, которая по своей сути является "довеском" к ABS, самостоятельно управлять двигателем и тормозами отдельных колес. Получив в руки такие козыри, конструкторы смогли вплотную подойти к разработке еще одного электронного помощника - программы электронной стабилизации ESP (Electronic Stability Program). Кроме того, возможность электронного управления тягой и тормозами впоследствии воспользовались, чтобы имитировать блокировку дифференциала. Так появились современные системы полного привода 4-Matic Mercedes-Benz и x-Drive BMW.

В чем заключается недостатки ABS? Эта система, регулируя давление тормозной жидкости, предохраняют колеса от блокировки и обеспечивают водителю даже при его панических действиях возможность управлять автомобилем. Но выходить из критической ситуации он должен сам, полагаясь исключительно на собственное мастерство и хладнокровие. А если и того и другого оказывается недостаточно? Типичный пример: автомобиль входит в вираж на слишком высокой скорости, и в зависимости от направления поворота его сносит либо в кювет, либо на встречную полосу. Водитель в ответ резко тормозит и дополнительно выворачивает руль в сторону сноса, желая остаться на безопасной траектории. В итоге - снос или занос, хотя ABS и не позволила колесам скользит.

А будь автомобиль оборудован системой ESP (DSC, VSC, VSA), такого не произошло бы. ESP уменьшит подачу топлива, чтобы мощность двигателя и обороты коленчатого вала, а с ним и скорость машины точно соответствовали требованиям конкретной ситуации. Но главное - ESP выберет тормозные усилия для каждого колеса отдельно, причем таким образом, чтобы результирующая тормозных сил противодействовала моменту, стремящемуся развернуть автомобиль вокруг вертикальной оси, и удерживала его на оптимальной траектории.

Если при входе в поворот начнется занос задней оси, ESP обеспечит подтормаживание наружного переднего колеса. Благодаря этому возникнет стабилизирующий момент сил, возвращающий автомобиль на безопасную траекторию движения. Если же поворачиваемость автомобиля будет недостаточной, из-за чего по причине сноса передних колес он не вписывается в вираж, ESP притормозит заднее внутреннее колесо, помогаю водителю сохранить контроль над машиной.

Чтобы ESP работала, к имеющимся колесным датчикам потребовалось добавить датчики курсового отклонения, поперечного ускорения и положения рулевого колеса, а также в очередной раз расширить программное обеспечение процессора. В результате ESP не только контролирует скорость вращения каждого из колес и давление в тормозной системе, как это делает ABS, но и одновременно следит за поворотами руля, боковым ускорением автомобиля, его угловой скоростью, а также управляет режимами работы двигателя и трансмиссии.

 Кроме ABS, TSC, ESP, существует также электронная программа, получившая название EBD (Electronic Brake Distribution) - электронное распределение тормозных сил. Эта система обычно выступает в роли "довеска" к ABS, TSC и ESP, оптимизируя прежде всего тормозные силы на задних колесах. Когда EBD оказывается востребованной? Как известно, в обычных условиях основная нагрузка ложится на тормоза передних колес, которые имеют лучший контакт с дорогой, потому что при торможении автомобиль как бы " клюет" носом, перераспределяя вес на переднюю часть. Но представим, что надо затормозить, когда машина едет в гору - основная нагрузка теперь приходится на задние колеса. Система EBD предназначена как раз для таких случаев.

Во второй половине 1990-х годов появилась еще одна система, призванная улучшить работу тормозов, - Brake Assist System (BAS). Тормозной "ассистент" включался по команде датчика, регистрировавшего чересчур быстрое перемещение педали тормоза, свидетельствующее о начале экстренного торможения, и обеспечивает создание в тормозах максимально возможного давления жидкости. Однако, как полагали многие специалисты, BAS вряд ли имел практическую ценность. В автомобилях с ABS давление жидкости ограничивалось, чтобы не допустить блокировку колес, поэтому BAS был воспринят как "наворот", чтобы заставить покупателя раскошелиться.

Первым BAS использовал Mercedes-Benz, которому и пришлось доказывать свою правоту. Выяснилось, что BAS предназначен для создания максимального давления в системе торможения только в начальный момент экстренной остановки автомобиля. Но даже этого оказалось достаточно, чтобы на 15% уменьшить тормозной путь автомобиля Mercedes-Benz S-класса при торможении со скорости 100 км/ч до полной остановки. Такое сокращение тормозного пути может оказаться решающим: система BAS вполне способна спасти чью-то жизнь. Поэтому сегодня BAS и подобные ей системы устанавливаются не только на Mercedes-Benz, но и на автомобили других марок.

EBD (Electronic Brake Distribution) - электронное распределение тормозных сил В отличии от BAS и вопреки распространенному заблуждению, ABS и ESP не уменьшают тормозной путь, а, напротив, нередко его увеличивают. В конечном итоге сцепление с дорогой определяется рисунком протектора, шириной профиля и характеристиками шин, а ABS и ESP часто не позволяют протектору проявить "характер". Правда, на асфальте увеличение тормозного пути оказывается незначительным (или вообще не проявляется), однако на рыхлом снегу, гравии, сыпучем грунте проигрыш в длине тормозного пути может достигать 20% и более. Кроме того, может статься, что в некоторых ситуациях (например, при попытке освободить застрявший автомобиль, раскачивая его вперед-назад) ESP будет мешать, что вынуждает делать эту систему отключаемой.

Впрочем, на скользком ледяном покрытии поддержка ABS, наоборот, обеспечивает уменьшение пути до полной остановки на 15% по сравнению с автомобилем без ABS, колеса которого были заторможены "в юз". Однако главное заключается в том, что ABS в критической ситуации сохраняет возможность управлять автомобилем, а ESP еще и помогает вернуть машину на безопасную траекторию движения.

Еще одна новинка в тормозной технике - система VSC от фирмы TRW. VSC сочетает достоинства и возможности ABS, системы контроля тяги и новой системы контроля над боковым уводом автомобиля. Она также компенсирует некоторые недостатки, присущие каждой из систем, что обеспечивает уверенного движение даже на извилистых скользких дорогах.

Датчика VSC отслеживают режимы работы двигателя и трансмиссии, скорость вращения каждого из колес, давление в тормозной системе, угол поворота руля, поперечное ускорение и отклонение от курса, а полученные данные передают блоку электронного управления. Микрокомпьютер VSC, обработав информацию, поступившую от датчиков, и оценив обстановку, принимает единственно правильное для конкретной ситуации решение и отдает команду исполнительным механизмам. Степень быстродействия соответствует возможностям современной электроники, поэтому в ситуациях, которые могли бы стать аварийными из-за излишней уверенности либо просто вследствие недостаточного опыта водителя, система VSC скорректирует его действия, исправит ошибку, и не позволит автомобилю выйти из под контроля.

Как это выглядит в реальной жизни? Допустим, автомобиль движется по кривой. Возникающая при этом центробежная сила стремится сместить его к внешней стороне поворота или опрокинуть. Предположим, автомобиль входит в вираж на слишком большой скорости, а водитель, осознав, что ошибся с ее выбором и сейчас окажется на встречной полосе или в кювете, делает другую ошибку - резко тормозит или чрезмерно выворачивает руль в сторону поворота. Получив информацию от датчиков, система VSC практически мгновенно регистрирует, что автомобиль оказался в критическом положении, и, не допуская блокировки колес до юза, перераспределяет тормозные усилия на колесах таким образом, чтобы их результирующая противодействовала поперечной силе, стремящейся развернуть автомобиль вокруг вертикальной оси.

По мнению специалистов компании TRW, в самом ближайшем будущем стоимость компонентов и всей системы VSC должна резко снизиться, и она станет доступной для всех сегментов автомобильного рынка, как это произошло а антиблокировочной системой тормозов в 80-90-е годы. Это полностью соответствует философии компании TRW, которую озвучил директор по тормозным системам Фил Канингем: "Почему лишь владельцы машин высшего класса должны иметь такую важную составляющую безопасности? Эти узлы должны устанавливаться на все автомобили, чтобы каждый мог получить выгоду от их использования. В недалеком будущем VSC станет такой же рядовой, как и ABS". А способствовать этому должно привлечение технологий, используемых TRW в космических и оборонных программах.