Впечатляющее достижение автомобильной электроники
Специалисты не без оснований считают, что после ремней безопасности наиболее важным средством снижения травматизма при дорожном движении являются системы динамической стабилизации, и по этому показателю они находятся впереди даже хорошо зарекомендовавших себя надувных подушек
От простого к сложному
Автомобиль-первенец, оснащенный системой динамической стабилизации (СДС), сошел с конвейера в сентябре 1995 года. Им оказался Mercedes-Benz S-Class, а компанией, которая разработала и первой в мире освоила серийное производство данного высокоэффективного устройства активной безопасности, стала Bosch. К настоящему времени эта немецкая фирма выпустила их более 75 млн штук. С 2010 года она изготовляет СДС больше, чем антиблокировочных систем. В 2009 году 80% всех новых автомобилей в Германии имели их в штатном оснащении, в Европе этот показатель находился на уровне 60%, а в мировом масштабе – 36%. В том же году Евросоюз одобрил требование, чтобы с ноября 2014 года все заново регистрируемые автомобили комплектовались этими замечательными устройствами. И это несомненный успех.
СДС является ключевым элементом построения современных гидравлических тормозных систем. Но прежде чем познакомиться с последними достижениями в этой области, кратко вспомним историю.
Создателей автомобилей еще с довоенных времен беспокоило блокирование колес в процессе торможения, а если быть более точным, то печальные последствия этого явления, и они уже тогда стали искать способы решения проблемы. Поиск шел долго. В нем приняло участие большое количество и изобретателей, и фирм. Однако чего-то путного, т.е. эффективного и надежного, в течение нескольких десятилетий создать не удавалось. И здесь впереди всех оказалась компания Bosch (правда, это первенство относится только к гидравлическим тормозам, а у пневматических был свой лидер – WABCO). Это произошло в 1978 году. Достичь успеха немцам удалось благодаря применению микропроцессорного управления (микропроцессор придумали в 1971 году; он позволяет программно реализовывать алгоритмы регулирования любой сложности) и закрытой гидравлической схеме (впоследствии это решение стало классическим).
Дополнив модулятор давления АБС несколькими электроклапанами, применив более мощный электронасос и обеспечив обмен информацией между контроллерами, управляющими тормозами и двигателем, специалисты компании Bosch получили противобуксовочную систему. Это устройство в процессе торможения выполняет антиблокировочную функцию, а при трогании и разгоне ограничивает буксование ведущих колес, тем самым также повышая безопасность движения.
Коренное отличие АБС от ПБС состоит в том, что первая может только понижать задаваемое водителем давление жидкости в тормозной камере, а вторая при отпущенной педали тормоза – сама (автоматически) создавать его, хотя только у ведущих колес, но зато индивидуально.
Дальнейшим шагом применения электроники в тормозных делах стало создание СДС, исполнительный орган (модулятор) которой может самостоятельно и индивидуально поднимать давление в тормозной камере любого колеса (т.е. и неведущего тоже). Но этого для эффективного обеспечения стабилизации движения недостаточно – необходимо еще обеспечить и динамику процесса, т.е. быстроту нарастания и сброса давления. Требования к динамике у СДС выше, чем у созданных ранее систем, что ведет к необходимости использования электрогидронасоса большей мощности. Но и это оказалось решаемо. Кроме того, добавили три новых датчика: угла поворота рулевого колеса, угловой скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси и поперечного ускорения.
Следует отметить, что любая СДС всегда выполняет антиблокировочную и противобуксовочную функции. Расширение объемов ее выпуска привело к снижению стоимости, следствием чего стало прекращение применения ПБС, и на производстве остались только дорогое и дешевое устройства. Причина проста – «противобуксовка» близка по себестоимости к системе стабилизации, но значительно уступает ей по возможностям. А АБС идет на комплектацию доступных автомобилей. Не должен вводить в заблуждение и длинный список устройств, связанных с тормозами, который приводится в рекламных материалах дорогих автомобилей. Это лишь маркетинговый ход. На самом деле физически устройство только одно, а все остальное – лишь режимы его работы, а их действительно очень много. Вносит путаницу и терминология, которая пока еще не «устоялась».
За прошедшие годы СДС развивалась в нескольких направлениях. Одно из них – введение дополнительных функций, например помощи при трогании в гору, подавления раскачивания прицепа, защиты от опрокидывания (актуальна для транспортных средств с высоким центром тяжести: внедорожников, малотоннажных фургонов). Другое направление – максимально возможное снижение стоимости при ограничении функциональных возможностей – именно появление бюджетных версий позволило в некоторых странах поставить вопрос об их «поголовном» применении. Кроме того, произошло расслоение и по полной массе автомобилей, так как с ней связаны мощность насоса и проходные сечения клапанов, что, в свою очередь, влияет на размеры и массу самого устройства. Таким образом, ныне СДС превратилась в целое семейство устройств.
Теоретические предпосылки
Особый интерес представляет создание тормозной системы для гибридо- и электромобилей. Эти транспортные средства уже находятся в центре внимания автомобильной общественности (на разработку и организацию серийного производства выделяются значительные суммы), а на ближайшую перспективу прогнозируется их существенный количественный рост. Нельзя забывать и про водородомобили (на топливных элементах) – среди них появились даже мелкосерийные модели, например Honda FCX Clarity (см. «АБС-авто» № 2/2012). Одной из общих отличительных черт всех этих мобилей является наличие электрической машины, соединенной с ведущими колесами, и накопителя электроэнергии (высоковольтной аккумуляторной батареи или суперконденсатора), а также возможность хотя бы кратковременного движения на электротяге. Из этой особенности вытекают дополнительные требования к их тормозной системе.
Про электрические машины, которые применяют в вышеперечисленных новейших транспортных средствах, можно сказать, пользуясь языком рекламщиков, что они «два в одном», т.е. могут функционировать и как электромотор (тяговый режим), и как генератор (тормозной режим). Это позволяет сделать мотор-генератор одним из компонентов тормозной системы, причем очень хорошим компонентом. Во-первых, при торможении электрической машиной кинетическая энергия превращается в электрическую, которая идет на подзаряд накопителя и впоследствии используется для создания тяги. Тем самым удается у гибридов несколько снизить расход топлива и улучшить экологические показатели (на радость «зеленым»), а у электротачек увеличить пробег на одной зарядке.
Вторым достоинством применения мотор-генератора в качестве элемента тормозной системы является то, что при этом не изнашиваются традиционные тормозные механизмы (диски и колодки). Правда, здесь не все так просто. В силу законов физики торможение электрической машиной, находящейся в генераторном режиме, эффективно при больших скоростях движения, а когда автомобиль уже близок к остановке, толку от генератора становится мало и необходимо применять что-то другое.
Рекуперация энергии хорошо проработана для обычного (его еще называют рабочим) торможения, когда замедление невелико. В этом случае удается сохранить львиную долю кинетической энергии, хотя, конечно, не всю – что-то «съедает» аэродинамика, а что-то уходит на нагрев шин; не следует забывать и про потери в электрических цепях в процессе преобразования.
Но совсем другая ситуация возникает при экстренном торможении, необходимость в котором появляется при внезапном обнаружении на пути следования какого-либо препятствия. Здесь приходится жать «на всю катушку», а ведущую роль играет гидравлический компонент рекуперативной тормозной системы, и поэтому почти вся кинетическая энергия уходит в тепло.
Существует и еще одна неприятность. В современных обычных легковых автомобилях широко применяются вакуумные усилители, которые устанавливаются между педалью тормоза и главным тормозным цилиндром. Благодаря им значительно уменьшается усилие, прикладываемое водителем к педали для получения одного и того же замедления. Такие усилители хорошо подходят для транспортных средств с бензиновыми двигателями, у которых во впускном коллекторе за дроссельной заслонкой возникает разрежение. Причем получается очень удачно – при необходимости торможения педаль акселератора отпускается, дроссельная заслонка закрывается, разрежение увеличивается (давление падает), и усилитель хорошо помогает водителю толкать главный тормозной цилиндр. Однако при комплектации автомобиля дизелями или бездроссельными бензиновыми двигателями с вакуумом получается туго, и тогда приходится использовать вакуумный насос с приводом от двигателя или электромотора. У гибридомобилей ДВС периодически отключается, а у электромобилей его нет вообще, поэтому для гибридо/водородо/электромобилей приходится применять вакуумный насос с электроприводом или необходима вакуум-независимая тормозная система.
Практические решения
Компания Bosch разработала два типа рекуперативной тормозной системы: с вакуумным усилителем и вакуум-независимую. Первая из них, обозначаемая ESP hev, является серийной продукцией; она создана на основе нынешней СДС Bosch ESP 9 (ESP – Electronic Stability Program) и в силу этого имеет привлекательную цену. Контроллер системы согласовывает действия электрической машины и гидравлических колесных тормозных механизмов, а также управляет вакуумным насосом. ESP hev предназначена для гибридомобилей с задними ведущими колесами и поосевым разделением тормозных контуров. Начальный ход педали тормоза используется для замедления транспортного средства только посредством электрической машины (соединена с задней осью). При этом генератор создает тормозной момент, соответствующий положению педали тормоза, а замедление ограничено величиной 0,2 g, что составляет около 20% от максимально возможного тормозного действия. Этого достаточно почти для всех торможений, которые происходят в обычных ситуациях. Если водитель сильнее нажимает на педаль, то посредством гидравлических тормозных механизмов дополнительная тормозная сила создается и на передней оси, так что теперь автомобиль замедляется благодаря совместным усилиям колес обеих осей. Когда тормозной момент от генератора на задней оси недостаточен, то подключаются тормозные механизмы и задней оси. Эти процессы протекают незаметно для водителя, а само торможение похоже на него же у обычного автомобиля. В дополнение к описанной системе с осевым разделением тормозных контуров предлагается также и версия с диагональным разделением.
На перспективу компания Bosch создает рекуперативную гидравлическую тормозную систему, которая не нуждается в вакууме. Она получила название HAS hev, где HAS – это Hydraulic Actuation System, а hev отражает назначение, т.е. hybrid electric vehicles. Новинка подходит для всех способов разделения тормозных контуров и видов привода. Она включает тормозной блок и электрогидравлический модуль, который содержит модулятор СДС. Педаль тормоза и колесные тормозные механизмы разъединены. Тормозной блок вырабатывает тормозные команды, а встроенный симулятор перемещения педали создает у водителя знакомое ощущение обычного торможения. Электрогидравлический модуль отрабатывает поступающие тормозные команды, используя электродвигатель и колесные тормозные механизмы. Цель данной разработки – достигнуть максимальной рекуперации энергии и при этом обеспечивать полную устойчивость автомобиля.
В зависимости от транспортного средства и модификации системы замедление, обеспечиваемое только электрической машиной, может достигать 0,3 g. Если этого недостаточно, то при помощи насоса и аккумулятора высокого давления дополнительно создается давление тормозной жидкости в колесных механизмах.
Шинный гигант Continental в своем составе имеет подразделение, которое занимается производством автомобильных компонентов (помимо шин), в том числе и электронных. Рассматриваемая нами тема входит в компетенцию бизнес-единицы Electronic Brake Systems, изделия которой напрямую конкурируют с продукцией Bosch. В числе последних достижений фирмы Continental находится семейство систем MK 100, которое включает модификацию MK 100 ESC Hybrid (ESC – Electronic Stability Control). По своему назначению и по функционированию она близка к Bosch ESP hev.
На 2015 год запланировано внедрение в производство электрогидравлической тормозной системы МК С1. Это очень интересная разработка, устройство получилось легким и компактным. Давление создает мощный электродвигатель, перемещающий поршень в главном тормозном цилиндре. В случае даже полного отказа электронной части (например, пропадания электропитания) у водителя сохраняется возможность остановить автомобиль, прикладывая к тормозной педали умеренную силу. МК С1 можно применять также в гибридо- и электромобилях.
Тормозные системы становятся все более и более сложными, но, похоже, до предела еще далеко.
В статье использованы материалы фирм Bosch и Continental
