378 11 Regelungssysteme für Bremsen und Antriebsschlupf
11.3 ABS-Komponenten und ausgeführte Seriensysteme
Auf der Basis dieses Funktionsprinzips gab es bereits vor Jahrzehnten erste Ansätze ruf eine Bremsenregelung. Gearbeitet wurde damals an mechanisch-hydraulischen Systemen, die den Zusammenbruch der Fliehkraft als Erkennungssignal für einen drohenden Radstillstand ausnutzen sollten. Die Bremsdruckabsenkung erfolgte über mechanisch angesteuerte Ventile in der Bremshydraulik; der erneute Druckaufbau wurde mittels eines Pumpensystems für die Bremsflüssigkeit (LUCAS, GIRLING) bewerkstelligt. Solche Systeme scharrten aber nicht den Durchbruch zur Serienreife. Der Weg zur Serie wurde mit elektronisch geregelten Hydrauliksystemen beschritten, wobei auf der Hydraulikseite zwei grundsätzlich unterschiedliche Arbeitsprinzipien zur Anwendung kommen, das Plungersystem und das Ventilsystem. Auf beide Systeme und ihre Unterschiede soll im Folgenden eingegangen werden. BMW war beim Motorrad der ABS-Pionier und stellte 1988 sein ABS I vor, das nach dem Plungerprinzip arbeitete. Es wurde zusammen mit dem Bremshydraulikhersteller FAG entwickelt wurde, Bild 11.9.
Herzstück des gesamten Systems ist der elektro-hydraulischen Druckmodulator, derden Plunger (Regelkolben) enthält. Dieser wird von einem Linearmotor angetrieben und bewirkt durch Volumenänderung im Hydrauliksysstem eine Veränderung des Drucks im Bremssattel und damit eine Veränderung der Radbrernskraft. Wenn die elektronischen Sensoren an den Rädern eine Blockierneigung feststellen, wird der Bremsdruck durch Zurückfahren der Kolben kontinuierlich soweit abgesenkt, bis die Räderwieder drehen können. Anschließend wird der Druck wieder aufgebaut, bis im Falle eines erneuten Blockierens eine neuerliche Druckabsenkung notwendig wird. Dieser Vorgang wiederholt sich, falls erforderlich, bis zu sieben Mal pro Sekunde.
11.3 ABS-komponenten und Ausgeführte seriensysteme 379
Durch eine permanente Auswertung der Raddrehzahlsignale wirdjede Radblockade rechtzeitig erkannt. Ein drohender Radstillstand kündigt sich wie im Bild 11.8 dargestellt in einem Steilabfall der Radumfangsgeschwindigkeit an und wird vom Auswerteprogramm im Steuergerät sofort festgestellt. Entsprechend werden dann Stellsignale an den Druckmodulator gesandt und der Systemdruck abgesenkt. Die Radüberwachung übernehmen induktive Drehzahl-Impulsgeber, die die Raddrehung im Zusammenwirken mit einer Zahnscheibe mit 100 Zähnen zuverlässig erfassen. Eine Blockierneigung wird dabei nicht erst im Augenblick des Stillstands, sondern vorausschauend erkannt.
Während des Regelvorgangs ist die Bremshebelbetätigung durch den Fahrer vom System abgekoppelt, so dass die Regelung ohne spürbare Pulsationen für den Fahrer erfolgt. Dies geschieht über ein Kugelventil, das mittels des Regelkolbens verschlossen wird. Die Aufbringung des Bremsdrucks erfolgt mechanisch über starke Federn im Druckmodulator. Lediglich die Regelkolben verfahren mit elektrischem Antrieb über die Linearmotoren. Dies hat den Vorteil, dass bei Elektrik ausf all die volle Bremswirkung wie bei einer Bremse ohne ABS erhalten bleibt und lediglich die Regelung nicht mehr wirksam ist. Der Ausfall der Regelung wird durch eine Warnlampe angezeigt.
Das System funktioniert in einem weiten Reibwertbereich zwischen μ= 0,1 (wasserüberflutete sehr glatte Fahrbahn) und μ= 1,3 (sehr rauer Asphalt) bis hinunter zur Schrittgeschwindigkeit (ca. 4 km/h); es werden Vorder- und Hinterrad getrennt voneinander geregelt. Für das Hinterrad müssen zusätzlich die Drehzahlsignale des Vorderrades mit ausgewertet werden, um antriebsbedingte Änderungen der Winkelgeschwindigkeit von Bremsvorgängen unterscheiden zu können.
Trotz der erreichten Vorteile für die Fahrsicherheit, weist das dargestellte ABS-System noch Unvollkommenheiten auf. Die Modulation des Bremsdrucks mit einer Regelfrequenz bis zu 7 Hz erzeugt entsprechende Federbewegungen (Nickschwingungen) des Fahrzeugs aufgrund der mit gleicher Frequenz wechselnden dynamischen Radlastverlagerung. Wenn diese auch nur im seltenen Fall der ABS-Regelung auftreten, stellen sie dennoch eine Komfortminderung für den Fahrer/Beifahrer dar. Darüber hinaus wird auch das Fahrwerk, und hier besonders die Vorderradgabel, durch Kraftspitzeninfolge schnell wechselnder Bremskraftamplituden mechanisch stark beansprucht. Ideal wäre, wenn der Bremsdruck so geregelt würde, dass die Radbremskraft dem schlupfabhängigen Reibwertverlauf genau folgen würde.
Diesem Ideal kommt das 1993 auf den Markt eingeführte ABS II, das BMW wiederum in Zusammenarbeit mit FAG entwickelt hat, sehr nahe. Bild 11.10 zeigt den schematischen Aufbau sowie die Arbeitsweise des Systems und lässt die nahe Verwandtschaft zum Vorgängersystem erkennen. Es wurde das bewährte Plungerprinzip beibehalten; grundsätzlich neu ist der Antrieb des Plungers über einen Motor und eine elektronisch gesteuerte Reibkupplung sowie das integrierte Wegmesssystem als wichtigste Innovation. Alle anderen Systemkomponenten sind im Prinzip weiterentwickelte Varianten des Vorgängermodells.
Wird eine drohende Radblockade von den Radsensoren erkannt, wird die Friktionskupplung und der Antriebsmotor angesteuert und der Plungerkolben wie beim Vorgängersystem nach unten gezogen. Anschließend erfolgt eine Phase mit erneutem Druckaufbau. indem der Plunger mittels Federkraft wieder nach oben gefahren wird und dabei das Rad in erneute Blockierneigung bringt. Beides Mal wird vom Wegmesssystem der Verfahrweg des Plungers registriert, und aus der Plungerstellung kann jeweils auf den Systemdruck geschlossen werden.
我來翻譯
中文翻譯378頁:
在基本的工作原理上,一開始就被稱作煞車/制動控制,已經有好幾十年的歷史了。在那時候還是機械和液壓的系統,利用離心力的瓦解作為即將發生「車輪靜止不動」的識別信號。煞車/制動壓力的降低,是靠液壓系統裡機械裝置的液壓閥來實現,而壓力的重新再建立,當然是靠泵把煞車油加壓(LUCAS , GIRLING油壓煞車零件 )來實現的。
Solche Systeme scharrten aber nicht den Durchbruch zur Serienreife.
然而此類系統(機械液壓系統)跟突破還擦不到邊,無法系列化生產。
實際意思比較像是這樣:
然而那些類型的系統都未能突破到適合量產的地步(所以還要等待好幾十年,直到電子液壓系統出現為止)。該系列已經成為電控液壓系統,對於液壓方面的應用,該柱塞系統和閥門系統,是兩種根本不同的工作原理的方法。在這兩個系統和它們的差異將在下面討論。之前寶馬在1988年使用活塞/柱塞工作原理在它的的ABS I,當時BMW曾是摩托車的ABS -先驅。這是BMW與液壓煞車製造商FAG軸承商一起共同開發的,如圖示11.9。
整個系統的心臟是電動液壓壓力調變器,它包含了活塞/柱塞(控制活塞)。它是由一個線性馬達驅動而引起在液壓系統中的體積變化,改變煞車卡鉗裡的壓力,故而改變車輪的煞車力道。如果電子感應器檢測到車輪有鎖死的傾向,即將活塞縮回,油壓壓力被持續的降低,直到車輪再次旋轉為止。然後,油壓壓力再次建立,直到另一個必要的減壓事件再度來插播。此過程重複進行,必要時可高達每秒7次。
中文翻譯379頁/380頁:
通過不停的評估車輪轉速信號,每個「車輪鎖死」的威脅即時的被檢測到。如圖11-8在控制元件裡的評估程式,立即檢測到 一個陡峭下落的車輪圓周切速度,它宣示車輪依舊杵著不動的威脅。然後相對應的控制信號,發送到壓力調變器,然後系統壓力降低。車輪監測採取歸納車輪轉速脈衝信號,與配合可靠的100顆齒的碟盤,得知車輪的轉動。趨向鎖定檢測不只僅僅是在當下獲得訊息,而是預測。
調整煞車桿操作是從系統的驅動程式來中斷連結,所以此方案不會有能夠被感覺的振動取代驅動程式。這是由一個球型閥搞定,這是由所述控制活塞的關閉完成。施加的煞車/制動壓力是機械方式,來自壓力調變裝置裡面的強力彈簧。只有控制活塞是由電驅動的線性馬達的方式推動。這樣做的好處是在電氣控制失效的時候,還保留完整的煞車效力,只是沒有了ABS功能。控制失效是由警示燈來指示。
該系統工作於很寬廣的摩擦力之間從μ=0.1(淹水的路面,非常濕滑)到μ=1,3(很粗糙的瀝青的路面)速度下降到徒步速度(4公里/小時),都是前後輪分開獨立受到彼此間的互相控制。對於後輪,前輪的轉速信號必須先進行評估,才能區分開來在驅動引起的煞車時候角速度之變化。
儘管已經體現了駕駛的安全的效益,插圖的ABS系統仍然有些不完善的地方(煞車會造成速度抖動不穩)。因為車輪動態負載的變化之頻率相同,控制頻率高達7赫茲的煞車/制動壓力調變產生了投射,對應到車輛而產生了跳跳跳的運動(走一下停一下~日文叫吋動)。
以上只在ABS控制的極少數情況下會出現,但它們代表著駕駛員/乘客的舒適性已經減少了。此外,底盤,特別是前叉,急遽改變煞車力的峰值力量之結果,對此產生了高強度的機械張力,有個主意是這樣的,如果煞車/制動壓力被控制住,車輪煞車力道會精確的追隨取決於滑動的摩擦係數。
這個構想就是1993年在市場上推出的ABS II,BMW寶馬這回再次與FAG非常密切的合作開發。圖11.10展示了系統的結構示意圖及操作,也顯示出和它的前身有著密切的關係。它保留了成熟的活塞基本原理,當年這可曾是個從頭新到腳的玩藝兒,活塞通過馬達和電控的磨擦離合器,和極為重要創新的集成位置測量系統,活塞被驅動。至於所有其他系統零組件,基本的原则是從上一個機型的基礎上,開發出新一代的版本。
如果由車輪的感應器偵測到有「車輪鎖死」的威脅,那麼摩擦離合器以及馬達就被驅動,如同以前的系統~向下拉出活塞~去釋放壓力。接著隨後的下一個階段是又再產生一次壓力。由活塞彈簧~彈回去的力量驅動,這個當下~車輪驅向重新鎖住。這兩個時間都是由該活塞行程的位置測量系統所定,對系統壓力言,在前述的兩個情況,依據活塞的位置,系統壓力被關閉/終止。控制過程又再度重頭開始; 此控制頻率可高達15 Hz~即每秒15次。
然而和其他的系統相對比較之下,這一個控制系統的高頻率並不是主要目的。這一個系統的控制方法是,有定義好的位置可供選擇,把從在壓力條件下的位置測量後獲得的資訊做為在下一個控制週期中活塞的新定義位置。
基於控制的原理,這個活塞行程的位置是由前一個週期來決定的。從而該系統給予恆定的邊界條件,規範車輪在最有利的區域之中呆著,且能夠長久持續的滑動,又沒有更大的調變壓力的需求,這都是必須的。這樣,系統有這麼個學習的方式,就是隨著道路狀況條件,去量身訂製一個安全又舒適的大大煞車/制動(指煞得住車的時間能夠更久~沒有失控)。
圖11-11圖示出了在ABS對前車輪和後車輪控制下的一個高摩擦係數煞車的測定結果,[11.3]。由輪速驟降預示著該「車輪鎖死」(標有B圖中,上部曲線)。該系統反應出在兩個控制週期和長週期的時間之後,清晰可見的一個煞車/制動壓力幅度已經減低了(第一控制週期,下面的曲線),兩個控制週期中的任何一個,幾乎是用恆壓的煞車/制動壓力去煞車。在這門絕活下,從150公里時速煞車的最短煞車時間是5秒,這就是最佳的摩擦值了(摩擦力太小煞車時間拉長,摩擦力太大就「車輪鎖死」)。不像BMW附有ABS功能的煞車,BMW從1995年以來,ABS功能早就是適用於幾乎整個BMW車型系列,再來看日本的廠商,都遲遲不願意和市場上的ABS系統跟進。
原文如下
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