ABS (motoryzacja)

Przeciwblokujący układ hamulcowy (ABS)

Przeciwblokujący układ hamulcowy (ABS, niem. Antiblockiersystem; ang. anti-lock braking system) to system, który wykrywa poślizg kół i automatycznie reguluje ciśnienie, generując siły hamowania na kołach, co ogranicza stopień poślizgu.

Klasyfikowany jest jako część grupy układów advanced vehicle control systems (lub automated highway systems). Jego bezpośrednim rozwinięciem są systemy ASR. ABS jest także używany w bardziej zaawansowanych systemach, takich jak ESP czy Adaptive Cruise Control.

Układ ABS zmniejsza ryzyko wystąpienia zjawisk związanych z zablokowaniem kół, takich jak ściąganie samochodu w bok, wirowanie pojazdu oraz utrata kontroli nad kierowaniem. Długość drogi hamowania pojazdu wyposażonego w system ABS w porównaniu do identycznego pojazdu bez tego systemu zależy od kilku czynników, takich jak warunki atmosferyczne oraz umiejętności kierowcy.

Porównanie technik hamowania

W pojazdach pozbawionych systemu ABS, podczas hamowania awaryjnego, kierowca musi starać się hamować w sposób, który umożliwi utrzymanie kontroli nad samochodem. Przy nagłym naciśnięciu hamulca może dojść do zablokowania kół, co skutkuje utratą sterowności. Zaleca się, aby w przypadku silnego hamowania stosować technikę hamowania przerywanego, która polega na mocnym naciśnięciu hamulca, a następnie jego odpuszczeniu, gdy koła przestaną się obracać, po czym ponownie mocno nacisnąć hamulec. W chwilach silnego naciśnięcia uzyskuje się dużą siłę hamowania, a przy odpuszczeniu asymetria oporów toczenia hamuje ruch pojazdu, umożliwiając jego kontrolowanie.

W samochodzie z systemem ABS, aby uzyskać maksymalną efektywność hamowania, należy jak najszybciej i najmocniej wcisnąć pedał hamulca, równocześnie naciskając pedał sprzęgła.

Naciśnięcie pedału sprzęgła minimalizuje ryzyko zgaśnięcia silnika, co mogłoby prowadzić do wyłączenia wszystkich systemów wspomagających kierowcę (takich jak ABS, wspomaganie siły hamowania, asystent hamowania, kontrola toru jazdy czy wspomaganie układu kierowniczego). Działający silnik umożliwia w razie potrzeby natychmiastowe zjechanie z drogi innym pojazdom.

Funkcjonujący ABS sygnalizuje swoje działanie poprzez wypychanie pedału hamulca w kierunku przeciwnym do kierunku, w którym jest naciskany przez kierowcę. Mimo tego, nie należy zmniejszać siły nacisku na pedał. Badania kierowców ujawniły, że 80% osób korzystających z ABS-u, zaniepokojonych objawami jego działania (wypychanie i drżenie pedału hamulca), zmniejsza siłę nacisku, co prowadzi do znacznego wydłużenia drogi hamowania. Aby zapobiec tej podświadomej reakcji, wprowadzono system Brake Assist.

Podsumowując, system ABS wykazuje znakomite właściwości w sytuacjach awaryjnych, ponieważ pozwala na utrzymanie kontroli nad kierunkiem jazdy. W niektórych przypadkach droga hamowania z użyciem ABS jest krótsza niż przy zablokowanych kołach; na przykład na suchym asfalcie może wynosić 36% mniej, a podczas deszczu przy prędkości 100 km/h zatrzymać się o 45 metrów bliżej niż pojazd bez ABS-u. To doskonale ilustruje przydatność systemu w trudnych warunkach. Dzieje się tak dzięki temu, że ABS błyskawicznie reaguje na poślizg i reguluje ciśnienie w obwodach hamulcowych wszystkich kół nawet kilkanaście razy na sekundę, co pozwala również na zachowanie większej stabilności auta podczas hamowania na zakrętach. W przypadku hamowania na liściach droga hamowania może być dłuższa, ponieważ zablokowane koła przecierają liście i mają większą siłę hamowania na asfalcie pod nimi. ABS umożliwia obrót kół, co uniemożliwia przetarcie liści i hamowanie na asfalcie. Z kolei przy hamowaniu na śniegu zablokowane koła tworzą klin śnieżny, który spowalnia pojazd. Z działającym ABS-em klin nie powstaje, co może wydłużyć drogę hamowania.

Zasada działania

Utrata sterowności pojazdu podczas hamowania zachodzi, gdy koła przynajmniej jednej osi przestają się obracać. W takim przypadku różnice sił hamowania na poszczególnych kołach mogą wprawić samochód w ruch obrotowy wokół osi pionowej. Aby zapobiec temu zjawisku, wprowadzono system, który zapobiega blokowaniu kół podczas hamowania. System ten naśladuje hamowanie impulsowe, ale robi to znacznie precyzyjniej niż kierowca, ponieważ utrzymuje współczynnik poślizgu koła na poziomie 10–30%. W tych warunkach sterowność pojazdu pozostaje na zadowalającym poziomie, a współczynnik przyczepności jest zbliżony do wartości maksymalnego współczynnika przyczepności, co pozwala na skrócenie drogi hamowania.

System monitoruje obroty kół podczas hamowania, a jeśli kierowca mocno naciśnie hamulec, powodując, że jedno z kół obraca się wolniej niż pozostałe, system ABS chwilowo zmniejsza siłę hamowania w obwodzie tego koła lub tylko tego konkretnego koła (w nowszych modelach). Jeśli koło ponownie zacznie się obracać, siła hamowania jest z powrotem zwiększana. Cykle redukcji siły hamowania są bardzo szybkie.

Budowa

Typowy system ABS składa się z układów kontrolujących prędkość obrotową każdego z kół oraz zaworów, które regulują ciśnienie w każdym obwodzie hamowania, a w bardziej zaawansowanych systemach indywidualnie w każdym kole. Działanie zaworów jest sterowane przez system komputerowy na podstawie obrotów kół.

Podstawowe elementy układu ABS (czteroobwodowego) to:

Czujniki prędkości obrotowej kół jezdnych (działające na zasadzie indukcji magnetycznej, bez zużywających się elementów mechanicznych)
Elektrozawory regulujące ciśnienie w obwodzie każdego koła (elektrozawory z wyłączonym zasilaniem nie wpływają na pracę układu hamulcowego)
Centrala sterująca

Na podstawie czujników ABS działa także system EDS.

Algorytm działania układu ABS polega na tym, że system mierzy prędkość obrotową wszystkich kół i nie ingeruje w działanie układu hamulcowego, aż do momentu, gdy otrzyma sygnał, że hamulec został uruchomiony przez kierowcę.

W czasie działania hamulca, ABS wykrywa poślizg dowolnego koła (lub kilku kół) i elektrozaworami moduluje ciśnienie w obwodzie tego koła. Wykrycie poślizgu następuje na dwa sposoby:

Koło gwałtownie przestaje się kręcić – poślizg
Koło zaczyna kręcić się wolniej niż pozostałe. W takim przypadku koło rozpoczyna poślizg i za chwilę się zatrzyma. ABS musi uwzględniać, że różnica prędkości na zakręcie jest normalnym zjawiskiem. System nie ma informacji o położeniu kierownicy, dlatego różnice w obrotach muszą być na tyle duże, aby ABS miał pewność, że wynikają z poślizgu. W przeciwnym razie ABS nie działałby na koła znajdujące się po zewnętrznej stronie zakrętu.

W przypadku wykrycia poślizgu, ABS zmniejsza ciśnienie w obwodzie koła tak długo, aż koło odzyska prawidłową prędkość. Siła hamowania tego koła maleje, ale koło wciąż jest hamowane (jedynie słabiej). Po przywróceniu obrotów przez koło, ABS z powrotem zwiększa ciśnienie w jego obwodzie. Ciśnienie to zależy od siły nacisku na pedał hamulca.

Cykle modulacji ciśnienia w obwodach kół są przez ABS powtarzane, a ich precyzja obliczeń może rosnąć w miarę trwania hamowania. W początkowej fazie hamowania czas chwilowego poślizgu może być dłuższy niż w fazie końcowej.

Gdy pojazd osiągnie prędkość około 5–6 km/h, ABS przestaje redukować ciśnienie w obwodzie hamulcowym, umożliwiając całkowite zatrzymanie pojazdu.

Podczas jazdy bez hamowania system monitoruje prędkość pojazdu i potrafi wykorzystać tę informację w momencie rozpoczęcia hamowania. ABS wykonuje ciągłą autodiagnozę. Na przykład, jeśli podczas jazdy system wykryje brak impulsów z któregoś z kół, uznaje to za awarię czujnika obrotów i zapala lampkę „Awaria ABS”. W takim przypadku działanie ABS-u zostaje całkowicie wyłączone dla wszystkich kół, a hamulec działa jak typowy hamulec bez ABS-u. Awaryjne wyłączenie ABS-u może także wystąpić w przypadku wykrycia innych problemów, takich jak:

spadek ciśnienia w układzie hamulcowym (np. na skutek uszkodzenia przewodu hamulcowego)
brak reakcji koła na modulowanie ciśnienia w obwodzie (np. z powodu zerwania przewodu od elektrozaworu)
inne problemy wykryte przez centralkę ABS, które objawiają się niespójnością sygnałów z czujników układu.

Ideą układu ABS jest eliminacja poślizgu, jednakże podczas hamowania z ABS-em minimalny poślizg występuje. Jest to nieuniknione, ponieważ ABS musi najpierw wykryć poślizg, aby móc go zlikwidować. Niemniej jednak, w całym procesie hamowania z ABS-em układ dąży do uzyskania optymalnego poślizgu, który umożliwia kierowanie i hamowanie.

Z biegiem lat dążono do zmniejszenia masy i wymiarów urządzenia, przy jednoczesnym zwiększeniu jego możliwości (np. poprawa szybkości działania czy dodanie nowych funkcji). Poniższa tabela przedstawia zależność pomiędzy masą a ilością pamięci operacyjnej kolejnych generacji systemów ABS produkowanych przez głównego dostawcę, firmę Bosch (konkurencyjne rozwiązania oferują również firmy TRW oraz Teves).

Korzyści ze stosowania ABS

Kierowca prowadzący pojazd z systemem ABS w przypadku hamowania awaryjnego może bez obaw silnie nacisnąć pedał hamulca, nie martwiąc się o wpadnięcie w poślizg. Układ ABS ograniczy siłę hamowania tak, aby nie doszło do zablokowania kół i niekontrolowanego poślizgu, w którym kierowanie samochodem staje się niemożliwe. W sytuacjach, szczególnie u kierowców obawiających się ostrego hamowania z powodu ryzyka wpadnięcia w poślizg, system ABS przyczynia się do skrócenia drogi hamowania.

Obecnie stosowane czterokanałowe systemy ABS, które pozwalają na niezależną kontrolę poślizgu dla każdego koła, zwiększają bezpieczeństwo procesu hamowania w sytuacjach, w których poszczególne koła znajdują się na powierzchniach o różnych współczynnikach przyczepności (np. gdy część kół jest na poboczu, a część na asfalcie). System ten znacznie skraca drogę hamowania w pojazdach z nierównomiernym obciążeniem osi, gdzie koła słabiej obciążone mogą zostać zablokowane, podczas gdy koła mocniej obciążone nie wykorzystują jeszcze pełnej mocy hamowania. Układ ABS dostosowuje siłę hamowania do obrotów kół.

System ABS ma istotne znaczenie w pojazdach składających się z kilku elementów (np. ciągnik z naczepą lub samochód z przyczepą). W takich pojazdach drugi człon, gdy traci sterowność, może poruszać się w poprzek kierunku jazdy, co grozi przewróceniem całego pojazdu.

ABS wspomaga także hamowanie na zakręcie. Samochód bez systemu ABS mógłby w takiej sytuacji stracić kontrolę. ABS pomaga (choć nie gwarantuje) odzyskać sterowność w przypadku poślizgu bocznego. Silne naciśnięcie hamulca oraz odpowiednie ruchy kierownicą mogą pomóc w wyprowadzeniu samochodu z poślizgu, co pozwala na bezpieczne zatrzymanie lub ominięcie przeszkody.

Jeśli pojazd wpadłby w poślizg boczny (np. na skutek szybkiego manewru kierownicą na śliskiej nawierzchni), po naciśnięciu hamulca system ABS będzie kontynuował hamowanie zgodnie z zasadą działania ABS-u. W przypadku idealnego poślizgu poprzecznego, może to powodować dłuższe wyłączenie hamowania kół, które się nie kręcą, niż ma to miejsce podczas hamowania na prostym odcinku drogi.

W pewnych okolicznościach system ABS może wydłużać drogę hamowania, na przykład gdy na nawierzchni o dobrej przyczepności znajduje się cienka warstwa luźnego materiału (np. liście, piasek, śnieg, błoto). W takiej sytuacji zablokowane koła przetarłyby słabą warstwę, co zwiększyłoby siłę hamowania, natomiast w układzie z systemem ABS koło hamuje na warstwie o niższym współczynniku przyczepności.

System wspomagania nagłego hamowania

W sytuacjach awaryjnych, gdy kierowca musi nagle zahamować, kluczowe jest mocne naciśnięcie hamulca, aby uzyskać maksymalną siłę hamowania wszystkich kół. Aby zwiększyć skuteczność nagłego hamowania, stosuje się systemy Wspomagania Nagłego Hamowania, znane również jako HBA (ang. Hydraulic Brake Assist). System ten wykrywa gwałtowne naciśnięcie pedału hamulca i automatycznie zwiększa ciśnienie w układzie hamulcowym, aby osiągnąć maksymalną siłę hamowania, co pozwala na aktywację systemu ABS.

Historia

1966 – brytyjska firma Jensen wprowadziła model Jensen FF wyposażony w system ABS Maxaret firmy Dunlop działający na tylną oś.

1969 – Lincoln oferował system ABS zwany „Sure Track” w modelu Continental Mark III.

1971 – Cadillac wprowadził specjalnie sterowany komputerowo system ABS na tylnej osi.

1971 – Chrysler wprowadził system ABS nazwany „Sure Brake” w modelu Imperial, działający na wszystkie cztery koła.

1978 – Bosch zaprezentował system ABS (ABS 2), który początkowo zastosowano w samochodach Mercedes-Benz klasy S, a następnie w BMW.

1989 – Bosch wprowadził wersję 2E systemu ABS.

1993 – Bosch zaprezentował piątą generację systemu ABS (ABS 5.0), ułatwiającą integrację z systemem ASR.

1995 – Bosch wprowadził generację systemu ABS 5.3, charakteryzującą się mniejszymi wymiarami komponentów.

1998 – Bosch zaprezentował generację systemu ABS 5.7, redukującą hałas działania systemu oraz umożliwiającą integrację z systemem ESP.

2001 – Bosch wprowadził ósmą generację systemu ABS (ABS 8), zmniejszającą masę i wymiary komponentów.

2003 – 69% nowych modeli samochodów wyprodukowanych na całym świecie było standardowo wyposażonych w ABS.

1 maja 2004 – w Unii Europejskiej wprowadzono wymóg wyposażenia nowych samochodów osobowych w ABS.

Polski odpowiednik

Pod koniec lat 80. w Fabryce Samochodów Osobowych w Warszawie, we współpracy z Wojskową Akademią Techniczną im. Jarosława Dąbrowskiego w Warszawie, opracowano „polski ABS” – Hamulcowy Układ Antypoślizgowy (HUAP, potocznie „chłop”).