Cum functioneaza sistemul de franare cu ABS

cu totii stim ca ABS-ul este o dotare a masinilor care ajuta la franare. Si mai stim ca este o trasatura de siguranta, care se ofera acum la toate masinile in varianta standard. Mai stim ca o masina cu ABS ne lasa sa viram chiar daca am apasat frana la maxim, pentru ca nu se blocheaza rotile. Dar cum se intampla toate astea?

Scurt istoric

ABS este denumirea prescurtata din germana - Antiblockiersystem, care se traduce prin Sistem anti-blocare a franei. Denumirea de ABS s-a pastrat pentru ca, neoficial, Mercedes-Benz, marca germana, a fost primul brand care a dotat o masina de serie cu un asemenea sistem modern, cum il stim azi. Dar nu e chiar asa. Istoria sistemului anti-blocare a franei dateaza inca din 1929, cand a fost inventat si utilizat de Gabriel Voisin pentru avioane, pentru ca sistemul clasic de franare era aproape imposibil la un avion cu elice frontala.

In 1958, un sistem ABS a fost testat cu succes pentru motociclete, si asta datorita faptului ca multe accidente se datorau franarii bruste a rotii fata. Insa la acea vreme, sistemul era scump si nu a avut succes.

Sistemele moderne pentru masini ce nu permit franei sa se blocheze au inceput sa apara in anii '70. Chrysler a dotat in 1971 modelul Imperial cu sistemul "Sure break", adica "frana sigura". Era un sistem ABS pentru toate cele 4 roti, cu 3 cai si un modul computerizat. Tot in 1971, General Motors a pus un sistem similar, dar numai pentru rotile din spate, la masinile Cadillac cu tractiune spate. La fel, cei de la Nissan au venit cu sistemul EAL - Electro Anti-Lock System, pentru modelul de varf Nissan President, dar ca si dotare optionala.

Mercedes in teste cu si fara sistem ABS

Cei care au dus la perfectiune sistemul si l-au oferit lumii asa cum il stim si in prezent au fost insa cei de la Mercedes-Benz, care au pus ABS-ul pe modelul de varf S-Class, in 1979. Sistemul era optional pana in 1992, cand a devenit standard pe toate masinile. Dupa Mercedes a venit si BMW, care, in 1980, oferea sistemul optional pentru Seria 7. Cei de la BMW, chiar daca nu au fost primii la masini, au fost primii care au dotat o motocicleta cu ABS, in 1988, modelul K100.

Din ce este format un sistem ABS

Principalele componente ale unui sistem anti-blocare sunt 4 la numar: senzori de viteza pentru roti, valve pentru conductele de franare (modulator de presiune), pompa speciala, controller electronic.

Modulator de presiune, controller si senzori de viteza

Senzorii de viteza sunt in prezent montati pe fiecare roata in parte. Mai demult, era montat un singur senzor, ce citea viteza de pe cutia de viteze sau de pe volanta. Ulterior au fost doi senzori, pentru rotile din fata, dar cel mai modern si mai bun sistem cuprinde cate un senzor pentru fiecare roata. Acesti senzori transmit viteza fiecarei roti modulului de control, care actioneaza diferit presiunea lichidului de frana pe fiecare roata.

Valvele sunt acum incastrate intr-un distribuitor legat de pompa de frana. Acesta se cheama modulator. Modulatorul primeste informatii de la controllerul electronic, ce primeste la randul sau informatii de la cei 4 senzori de viteza. In functie de viteza fiecarei roti, controllerul transmite modulatorului ce presiune sa exercite asupra franelor.

Cum functioneaza sistemul ABS

- Senzorii de viteza citesc constant cat de repede se invarte fiecare roata. O decelerare rapida, instantanee, asa cum se intampla cand franezi brusc, transmite senzorului informatia ca roata tinde sa se blocheze.

- Senzorul transmite informatia ca roata vrea sa se blocheze complet controllerului electronic.

- Controllerul da informatia mai departe la modulatorul de presiune, care reduce presiunea din acea roata cu ajutorul valvelor.

- rezultatul este ca roata va avea aceeasi viteza ca si masina, nu se va opri mai repede si nu se va bloca.

De unde este tremuratul pedalei cand franam brusc si avem ABS?

Multa lumea recunoaste ca propria masina are sau nu ABS daca pedala de frana vibreaza puternic atunci cand se exercita o presiune mare. Adica vrei sa blochezi rotile, dar pedala tremura si oscileaza. Acel tremurat al pedalei vine de la actiunea valvelor care lasa presiunea lichidului din conducte sa scada, putin cate putin. Valvele se elibereaza si se blocheaza repede, ca sa nu lase presiunea sa scada deodata. La randul lor, valvele primesc impulsuri de la modulul electronic, cand sa elibereze presiunea si cand nu.

De ce este mai buna franarea cu ABS decat blocarea totala a rotilor

Studii ale centrelor de siguranta auto au aratat ca rotile au un punct optim de franare. O roata poate avea 0 aderenta, cand se invarte normal, sau 100%, atunci cand e complet oprita. Acele studii au demonstrat ca franarea este optima atunci cand frecarea ei este undeva pe la 15-20%. Asta face sistemul ABS: permite rotii sa se blocheze complet, adica sa adere perfect la asfalt, numai 15-20% din timp, blocand si deblocand rotile foarte des (pulsatiile din pedala de care ziceam mai sus).

In afara de eficienta maxima a franarii, ABS-ul mai permite ceva soferilor: sa manevreze masina chiar si in franare maxima. Este stiut ca o masina fara ABS, daca are rotile blocate, nu va permite soferului sa dea de volan. Cu sistemul ABS, care blocheaza din cand in cand roata, soferul poate evita un obstacol, tragand de volan.

Logic si fara indoiala, cea mai buna franare ar fi una cu presiunea constanta si progresiva asupra rotilor, "din picior". Insa pana si cei mai indemanatici piloti de curse, nu pot frana constant la fel de bine ca sistemul ABS. Tocmai de aceea, nu e de mirare ca toate masinile din ziua de azi vin cu astfel de sisteme in varianta standard.

Care sunt punctele slabe ale unei masini cu ABS?

Ca orice alt sistem electronic, si ABS-ul are punctele sale slabe. Oricum, mai putine decat avantaje. Este vorba de franarea pe gheata sau zapada. De obicei, o masina cu ABS va avea o distanta mai lunga de franare pe gheata sau zapada, decat o masina fara ABS. Si asta pentru ca in acest conditii, anvelopele de iarna sau chiar cele cu tinte metalice, functioneaza mai bine la frecare 100%. Adica o roata blocata pe zapada va frana mai repede decat una care se blocheaza sacadat, de la ABS. Asadar, e bine de tinut minte ca ABS-ul functioneaza ceva mai dificil pe timp de iarna.

In plus, de exemplu, daca intalnim o situatie in care una dintre roti este in aer, in momentul franarii, aceasta se blocheaza automat, transmite prin senzori modului ca acea roata este oprita, presiunea scade si in momentul in

care roata revine pe asfalt, franarea este foarte slaba. Sunt situatii rare, dar care sunt intalnite atunci cand masina nu are suspensiile corespunzatoare.

Asadar, sper ca v-ati convins ca un sistem ABS este o minune tehnologica, menita sa ajute soferul si sa salveze vieti. Siguranta data de ABS consta atat intr-o franare mai buna, cat si in evitarea diferitelor obstacole, pietoni, masini, etc. Asa ca atunci cand va hotarati sa luati o masina la mana a doua, sa intrebati de ABS. Si de acum, atunci cand franati cu orice masina, stiti cum functioneaza acest sistem care va da un plus de siguranta.

Sistemul de frânare hidraulic pentru automobile

(0)

    Capacitatea de frânare a unui automobil are o importanță deosebită, deoarece determină direct

securitatea activă a automobilului şi posibilitatea de utilizare integrală a vitezei și accelerației acestuia

în timpul exploatării. În timpul frânării, o parte din energia cinetică acumulată de automobil se

transformă prin frecare în căldură, iar o parte se pierde pentru învingerea rezistențelor la rulare.

    Echipamentul de frânare reprezintă totalitatea sistemelor de frânare de pe un automobil, care au

rolul de a reduce viteza automobilului parțial sau până la oprire și de a-l menține în poziție de

staționare dacă acesta a fost deja oprit.

    Sistemul de frânare de serviciu este compus din toate elementele ale căror funcții pot fi controlate

astfel încît să permită conducătorului auto să reducă viteza automobilului în timpul deplasării până la

oprire. Sistemul de frânare de serviciu constituie principalul sistem de frânare al automobilului aflat la

dispoziția conducătorului auto. Acesta trebuie să funcționeze în mod sigur și eficient, indiferent de

starea de încărcare și viteză și să acționeze pe toate roțile.

    Din punct de vedere constructiv sistemul de frânare de serviciu este acționat pe cale hidraulică,

pneumatică sau hidropneumatică. De asemenea acționarea poate fi făcută cu sau fără

servomecanism.

    Sistemul de frânare de parcare este compus din toate elementele care permit menținerea

automobilului în poziție staționară, printr-o acționare mecanică, chiar și pe o suprafața înclinată, un

timp nelimitat, mai ales în absența conducătorului auto. În cazul în care sistemul de frânare de serviciu

se defectează sistemul de frânare de parcare are rolul unui sistem de frânare de siguranță.

    Standardele în vigoare impun utilizarea unui sistem de frânare dublu. Dintre cinci variante posibile

versiunile II (în paralel) şi X au devenit opţiuni standard ale producătorilor de automobile.

Foto: Configuraţii ale sistemului de frânare de serviciu

Sursa: e-automobile.ro

a. structura II

b. structura X

c. structura HI

d. structura LL

e. structura HH

1. primul circuit de frânare

2. al doilea circuit de frânare

Structura II - distribuie forţa de frânare între cele două punţi; primul circuit frâneaza puntea faţă iar cel

de-al doilea puntea spate.

Structura X - distribuie forţa de frânare pe diagonală; primul circuit frânează rota faţă stânga şi roata

spate dreapta, cel de-al doilea circuit frânează roata faţă dreapta şi roata spate stânga.

Structura HI - primul circuit frânează ambele punţi (faţă + spate), cel de-al doilea circuit frânează în

paralel doar puntea faţă.

Structura LL - primul circuit frânează puntea față și o roată a punții spate în timp ce de-al doilea

circuit frânează în paralel doar puntea față.

Structura HH - este cel mai complex sistem, ambele circuite de frânare acționând asupra celor patru

roți ale automobilului.

    Alături de sistemul de direcţie, sistemul de frânare de pe un automobil este utilizat aproape integral

în timpul deplasării acestuia. Componentele sistemului de frânare trebuie astfel proiectate încât să

utilizeze în mod optim forţa de apăsare pe pedală, forță exercitată de către conducătorul auto, şi să

menţină la un nivel constant forţa de frânare pentru o comandă constantă.

Foto: Componentele unui sistem de frânare hidraulic cu structură în paralel pentru automobile

Sursa: Bosch

1. etrier cu disc de frână

2. conductă flexibilă

3. element de îmbinare

4. conductă rigidă

5. pompa centrală

6. rezervor lichid frână

7. servomecanism

8. pedală frână

9. levier frână de parcare

10. cablu acţionare frână de parcare

11. supapă de reglare a presiunii

12. frână cu tambur

    Pentru a opera asupra sistemului de frânare pe un autovehicul convenţional (sistem de frânare

mecano-hidraulic) conducătorul auto aplică o forţă de apăsare pe pedala de frână 8 deplasând tija

pistonul servomecanismului 7. Servomecanismul amplifică forţa de apăsare pe pedală şi o transmite

pistonului pompei centrale 5. Pompa centrală face conversia forţei din tijă în presiune. Cele două

pistoane ale pompei centrală măresc presiunea lichidului de frână din conductele rigide 4 şi flexibile

2 care se transmite mai departe frânelor cu disc 1 şi frânelor cu tambure 12. În cazul unei avarii la

unul dintre circuite sistemul rămâne funcţional datorită celui de-al doilea circuit. Rezervorul cu lichid

de frână 6 conectat la pompa centrală are rolul de a compensa fluctuaţiile de volum de lichid din

sistemul de frânare.

    În timpul procesului de frânare, datorită deceleraţiilor, puntea faţă a automobilului este încărcată cu

o greutate mai mare decât cea a punţii spate. Pentru a preveni frânarea excesivă a punţii spate, ce

poate provoca blocarea roţilor acesteia, supapa de reglare a presiunii 11 modulează presiunea de

frânare a punţii spate în funcţie de încărcarea automobilului.

    Sistemul de frânare de parcare (frâna de mână) acţionează asupra roţilor punţii spate prin

intermediul levierului 9 şi a cablului 10.

Sistemul de frânare cu ABS - mod de funcționare

(0)

    Sistemele de frânare, pe lângă o serie de condiții generale pe care trebuie să le îndeplinească

(anumite decelerații impuse, frânare progresivă, fără șocuri, efort minim de acționare, fiabilitate

ridicată, intrarea rapidă în funcțiune, construcție simplă și ieftină), trebuie să împiedice blocarea roților

sau să mențină alunecare între anumite limite.

Foto: Testarea sistemelor de frânare

Sursa: Continental

    Realizarea funcțiilor de mai sus este legată de importanța care se acordă asigurării stabilității în

timpul rulării. În aceeași măsură se urmărește minimizarea distanței de frânare și reducerea uzurii

excesive a pneurilor.

De ce avem nevoie de ABS la automobile?

    În cazul blocării roților la frânarea automobilului pot să apară următoarele neajunsuri: pierderea

stabilității la blocarea roților punții spate; pierderea controlului direcției când se blochează roțile din

față; creșterea spațiului de frânare, deoarece coeficientul de aderență la alunecarea roții este mai

redus decât cazul în care roata se rotește. Pentru a mării eficacitatea frânării și a îmbunătății

stabilitatea și maniabilitatea autovehiculelor se folosesc sisteme de control automat al frânării prin care

se evită blocarea roților indiferent de momentul de frânare aplicat și de coeficientul de aderență.

Foto: Dependența coeficientului de frecare de alunecarea roții unui automobil

Sursa: e-automobile.ro

φ - coeficientul de frecare dintre roată și calea de rulare

λ - alunecarea roții (dată de diferența dintre viteza roții și cea a automobilului)

    Sistemul ABS trebuie să mențină alunecarea roții în domeniul stabil pentru a utiliza coeficientul de

frecare optim. În cazul în care roata se blochează alunecarea tinde la 100% din domeniul instabil iar

distanța de frânare crește datorită unei forțe de frecare mai mici.

    La frânarea unui vehicul, centru de greutate se deplasează spre puntea din față, acestea nu preiau

sarcini egale mai ales la frânări în curbă. Din acest motiv anvelopele din punte spate pot pierde

aderența mult mai ușor decât cele de pe puntea din față. Dacă roțile din spate derapează direcția în

care se mișcă automobilul nu mai poate fi controlată prin sistemul de direcție.

    Sistemul de control automat permite reglarea frânării în următoarele limite:

a. la frânare sub limita de aderență a drumului, sistemul de control automat nu intervine,

momentul de frânare menținându-se la valoarea maximă comandată de conducătorul auto.

b. în cazul frânării la limita de aderență a drumului, sistemul de control automat sesizează

tendința de blocare a roții frânate și comandă menținerea sau scăderea presiunii în sistemul

de frânare astfel încât să fie utilizată aderența maximă a drumului. La apariția tendinței de

blocare a roții sistemul de control automat comandă izolarea cilindrului de frână

corespunzător, de restul sistemului de frânare. În funcție de accentuarea sau dispariția

tendinței de blocare a roților se comandă reducerea sau creșterea presiunii în cilindrul de

frânare, executându-se astfel o succesiune de cicluri de frânare-defrânare ce vor menține

roata în zona optimă de aderență.

c. o frânare combinată are loc la parcurgerea zonelor cu aderență diferită, sistemul de control

automat asigurând prevenirea blocării roților, pe porțiunile cu aderență scăzută, și frânare

maximă, pe porțiunile cu aderență ridicată. De asemenea sistemul de control automat

acționează eficace și în cazul în care o parte a automobilului se află cu roțile pe porțiuni de

drum cu coeficienți de frecare diferiți.

Istoria utilizării sistemului de frânare cu ABS pentru automobile

    Aplicarea sistemelor automate de control al frânării nu este nouă. Ele au fost utilizate prima dată în

1948 la avioane, unde prin blocarea roților se producea deteriorarea aproape instantanee a

anvelopelor. Introducerea în domeniul automobilelor s-a produs mai târziu, în anii ’70, în SUA. Aici a

apărut și prima reglementare legală privitoare la automobilele echipate cu sistem automat de control al

frânării. În 1973 aproape toate sistemele de acest gen erau construite în această ţară folosind circuite

logice şi componente electronice. În Europa, deşi cercetările de crearea a unui sistem de control

automat al frânării sunt semnalate încă din 1959 la Daimler-Benz, abia în 1977 un prototip creat de

Bosch a fost experimentat pe 150 de autoturisme Mercedes și în 1978 a început fabricația de serie.

Aceasta după ce s-au cheltuit în acest scop 50 de milioane de mărci germane, sumă suportată de

firmele Daimler-Benz, Bosch și Teldix.

Foto: Prima generație de ABS de la Bosch

Sursa: Bosch

    Și alte companii au creat astfel de sisteme: Honda, Teves şi Girling. Fiecare dintre ele și-a denumit

creația cu o siglă proprie: Bosch-ABS (Anti-lock Braking System), Honda-ALB (AntiLockBrake), Teves-

ATE (de la denumirea creatorului Alfred Teves), Girling-SCS (Stop Central System).

    Majoritatea sistemelor se deosebesc radical doar prin modul de reglare. Acesta poate fi realizat prin

reglarea presiunii diferențiat la fiecare roată, în funcție de aderența locală. Deși eficient, sistemul este

scump și de aceea, de cele mai multe ori, se aplică numai la roțile unei punți.

    Toate cercetările de până acum au convins că astfel de sisteme reduc substanțial spațiul de

frânare. Dacă, de exemplu, pe asfalt umed un automobil prevăzut ci ABS frânează în 40 de metri, fără

acest sistem imobilizarea automobilului se produce abia după 58 metri. Sistemul intră în funcțiune

automat, când se trece brusc pe o porțiune de drum cu aderență scăzută sau când roțile de pe o

latură a automobilului rulează în condiții diferite față ce celelalte.

    Inițial au fost dezvoltate sisteme de control automat al frânării având la bază doar principii

mecanice. Din această cauză și datorită complexității controlului anti-derapajului, ce necesită o logică

sofisticată, nu s-a putut trece la o producție de serie. În următoarea fază de dezvoltare s-au realizat

sisteme de control cu prelucrarea analogică a semnalelor. Dezvoltarea electronicii a dus la apariția

sistemelor digitale de control automat având ca unitate centrală de calcul microprocesorul.

Principiul de functionare al sistemului de frânare cu ABS pentru

automobile

    De la an la an structura sistemelor hidraulice pentru ABS a evoluat. În continuare ne vom rezuma la

versiunea ABS 8 realizată de compania germană Bosch.

Foto: Modul ABS 8 pentru automobile

Sursa: Bosch

Foto: Componentele sistemului de frânare cu ABS de pe automobile

Sursa: Bosch

1. unitatea de control electro-hidraulică

2. senzori de turație montați pe roțile automobilului

    Din cele prezentate anterior, reiese că componentele principale ale unui sistem ABS sunt: o

unitatea electronică de calcul, senzori de viteză pentru fiecare roată şi modulatoare hidraulice de

presiune. Partea hidraulică este alcătuită din două subsisteme simetrice, fiecare dintre ele acţionând

asupra unei perechi de roți (de obicei opuse pe diagonală).

Foto: Circuitul hidraulic al unui sistem de frânare prevăzut cu ABS generația 8 de la Bosch

Sursa: e-automobile.ro

1. pompă centrală

2. cilindrul de frânare

3. modul hidraulic

4. supape de admisie

5. supape de evacuare

6. pompă de retur

7. acumulator hidraulic

8. electro-motor

SS - stânga spate

DF - dreapta față

SF - stânga faţă

DS - dreapta spate

    Cele două pompe de retur (6) sunt acționate de un singur motor electric (8). Rolul acestor pompe

este de a evacua rapid lichidul de frână din cilindrii de frânare (2) înapoi în pompa centrală (1). 

Pentru a preveni ca presiunea în cilindrii de frânare să depășească presiunea din pompa centrală

supapele de admisie (4) sunt prevăzute cu supape de sens.

    Dacă sistemul ABS este inactiv, atunci sistemul de frânare se comportă ca un sistem de frânare

obișnuit, menținând presiunea din cilindrii receptori în timpul apăsării pedalei de frână. În acest fel

doar circuitul prima (pompă centrală – supapă admisie – cilindru de frânare) este activ, supapele de

refulare (5) fiind închise. Dacă ABS-ul se activează, atunci scăderea presiunii pe cilindrii receptori, de

frână, este realizată de implicarea componentelor circuitului secundar (cilindru de frânare – supapă de

refulare – acumulator – pompă centrală).

    Din punct de vedere hidraulic controlul presiunii este realizat, trecând prin următoarele etape, cum

este arătat în figura de mai jos.

Foto: Modularea presiunii într-un sistem de frânare cu ABS

Sursa: e-automobile.ro

a. aplicarea presiunii - pentru fiecare roată creșterea presiunii este realizată prin deschiderea

unei supape de aspirație și închiderea unei supape de refulare (mod de frânare obișnuit)

b. menținerea presiunii - supapa de aspirație este închisă

c. scăderea presiunii - supapa de refulare este deschisă, acumulatorul se umple rapid; totodată

pompa de retur începe să transporte fluidul înapoi spre cilindrul principal (în acestă etapă se

simt pulsațiile la pedala de frână)

    Pentru a evita frânarea insuficientă a roții presiunea din sistem este mărită iar ciclul de control a

presiunii este reluat.

Componentele principale ale sistemului ABS pentru automobile

    Dezvoltare electronicii a permis utilizarea pe scară largă a sistemelor de acționare electrice.  Și

pentru sistemele ABS controlul presiunii hidraulice se face prin controlul curentului electric în solenoizii

supapelor. În funcție de caracteristica supapei (presiune funcție de curent) aceste se clasifică în:

o electro-supape proporționale: deschiderea supapelor este proporțională cu curentul electric

aplicat

o electro-supape releu: au doar două poziții, deschis sau închis

Foto: Componentele unui modul electro-hidraulic de control pentru ABS

Sursa: Bosch

1. motor electric

2. bloc de electro-supape

3. electro-supape

4. unitatea de control electronică

5. capac de protecție

Componentele indispensabile sistemului de frânare cu ABS sunt senzorii de turație pentru fiecare

roată. Prin compararea valorilor între cele patru roți unitatea electronică de control determină care din

roți tinde să se blocheze.

Foto: Senzori de turație roți pentru ABS (evoluție)

Sursa: Bosch

Evoluția sistemului ABS Bosch pentru automobile

    Sistemele ABS Bosch au evoluat continuu începând cu anul 1978 când s-a comercializat prima

versiune. Dacă prima versiune avea peste 6 kg și echipa doar 0.02% din totalul automobilelor

comercializate la aceea vreme, în 2007, versiunea 8 de ABS avea doar 1.4 kg și echipa aproximativ

76% din automobilele noi comercializate.

Foto: Evoluția sistemului ABS pentru automobile de la Bosch

Sursa: Bosch

    Diferențele din punct de vedere al tehnologiei utilizate între prima versiune și versiunile moderne de

ABS sunt copleșitoare. Din punct de vedere al unității electronice de control prima versiune avea 140

de componente analogice și o memorie de doar 2 kBytes iar generația din 2003 avea doar 16

componente și o memorie de 128 kBytes.

Foto: Comparație între versiunile de ABS pentru automobile de la Bosch

Sursa: Bosch

    Având în vedere viteza medie de deplasare care crește de la an la an, ABS-ul a devenit un sistem

de siguranță activă care devine indispensabil automobilelor moderne. Din acest motiv din ce în ce mai

mulți producători oferă sistemele ABS ca dotare standard pentru automobile.