كنترل ترمز گيري

۲٫۱ مقدمه
اين فصل ترمز گيري را با آزمون هاي بنيادي ترمز گيري وسائط نقليه توضيح مي دهد كه شامل موارد سطح مشترك لاستيك با جاده، ديناميك خودرو، و اجزاي سيستم ترمز معمولي، و پيشرفت اهداف سيستم هاي ضد قفل، اجزاي آن، ملاحظات ايمني، منطق كنترل، و مراحل تست مي باشد. اين فصل با تشريح سيستم هاي ترمز گيري خودروهاي آينده به پايان مي رسد.

براي سادگي و به خاطر اينكه براي بيشتر خودروها روي جاده، قابليت كاربرد، وجود داشته باشد، سيستم هاي ترمز هيدروليكي مورد استفاده روي دو محور به عنوان يك موضوع انحصاري توضيح داده نشده اند. اين نوع از سيستمها دراتومبيل هاي مسافرتي كاميونهاي سبك، و درآمريكاي شمالي روي كاميونهاي سبك استفاده مي شوند.

۲٫۲ مباني ترمزگيري خودروها
اصل فهميدن تكنولوژي وابسته به ترمزگيري وسايل نقليه مدرن شامل، آگاهي از سطح مشترك لاستيك با جاده، ديناميك خودرو هنگام ترمزگيري، و اجراي سيستم ترمزگيري است. اين بخش براي يك سيستم پايه جهت درك مطلب اين موارد را توضيح مي دهد.

۱٫۲٫۲ فصل مشترك تاير با جاده
نيروي ترمزگيري توليد شده در هر چرخ از وسيله درهنگام ترمزگيري تابعي از نيروي نرمال روي چرخ و ضريب اصطكاكي بين تاير و جاده است. اين ارتباط بين وزن روي چرخ ونيروي اصطكاك حاصله ( ترمز) درمعادله ( ۱،۲) ساده شده است.

۱،۲
كه:
نيروي اصطكاكX جهت =Fx
ضريب اصطكاك تاير و جاده =
وزن استاتيكي و ديناميكي روي چرخ= Wwh
ضريب اصطكاك تاير با جاده ثابت نيست ولي تابعي از عوامل خيلي مهمي مثل سطح جاده و شيب جغرافيايي نسبي بين تاير و جاده است. منحني ضريب اصطكاك چرخهاي لغزان با سطوح مختلف ۲٫۱ نشان داده شده است. از اين منحني و معادله ۲٫۱ ملاحظات زير به دست مي آيد:

نيروي اصطكاك توليدي بستگي به لغزش چرخ دارد. اگر تاير در همان سرعت مماسي روي جاده بغلتد، هيچ نيروي طولي ( ترمزي ) وجود دارد. اين ارتباط در فهم ترمز گيري مساله اي بنيادي است و به سادگي مشاهده نمي شود؛ درمورد چرخهاي ديگري كه لغزش آنها به غير از حدود ۱۰۰درصد است، ( يعني هيچ سرعت لغزشي نباشد) تشخيص اصطكاك بدون ابزار مشكل است.

بيشترين نيروي اصطكاك ( ترمزگيري) تحت شرايط نسبتاً لغزش كم رخ مي دهد. اين امر اشاره بر اين دارد كه ترمزهاي قوي كه در لغزش ۱۰۰درصد رخ مي دهند معمولاً بيشترين نيروي ترمز را توليد نمي كنند تلفيق يكنواخت و فشار كنترل شده ترمزگيري توسط يك راننده ماهر يا كنترل سرتاسري ضد قفل، در بيشتر سطوح، كوتاه ترين توقف را ايجاد مي كند.

مقدار نيروي اصطكاكي( ترمزي) توليد شده يا سطح جاده به طور گسترده اي فرق مي‌كند. در نتيجه اين ارتباط معلوم است كه راننده و مسافران درمدت فاصله توقف و يا شتاب منفي اگر روي جاده آسفالت خشك باشد، ترمزگيري با ترمزگيري روي يخ مقايسه مي شود.

معمولاً بعد از ماكزيمم نيروي اصطكاك ممكنه در يك سطح جاده داده شده، شيب منحني منفي مي شود. اين پديده ( در اصل نشان مي دهد كه بعد از شيب منجر به نيروي اصطكاك ماكزيمم، فشار بيشتر پدال، ترمز كمتري در پي خواهد داشت) روشن مي كند كه چرا يك راننده ماهر مي تواند فاصله كوتاهتري را نسبت به راننده كم تجربه به دست آورد و چرا كنترل الكترونيكي خودرو آن را كامل مي كند. همچنين مقدار پيك منحني هاي ضريب اصطكاك با سطح جاده، به طور گسترده اي فرق مي كند. براي مثال، بيشترين سود نيروي ترمزي مي تواند از كنترل سطوحي مثل يخ تا آسفالت خشك به دست آيد.

مشخصه مهم ديگر تايرهاي خودرو درترمزگيري، نيروي جانبي بر حسب لغزش است. نيروي جانبي نيروي نگهدارنده تاير از لغزش است تا تاير در يك جهت نرمال هم
جهت با وسيله بماند. معادله نيروي جانبي ذيلاً ‌‌آمده است:
Fy= MleteralWwh
كه
نيروي اصطكاكي ( متغير) با جهت =Fy
ضريب اصطكاكي جانبي تاير با جاده=Mleteral
نيروي جانبي در صورتي كه يك چرخ هنگام ترمزگيري، طولي بلغزد، سريعاً از بين مي رود.
لغزش اضافي درچرخهاي عقبي يك خودرو و افت نيروي جانبي، در بي ثباتي چرخهاي عقب خودرو دخالت مي كنند. و تمايل به لغزش از پهلو با نيروهاي جانبي كوچك دروسيله را به وجود مي آورند. لغزش اضافي چرخ و افت نيروي اصطكاكي جانبي در چرخهاي جلوي خودرو، در كم كردن قابليت

هدايت خودرو اثر مي گذارند. اين افت قابليت هدايت پديده ايست كه معمولاً هنگام توقف هاي ناگهاني روي سطوح با اصطكاك كم مثل يخ روي مي دهد. همچنانكه يك ترمزگيري شديد تايرها را در وضعيت لغزش ۱۰۰درصد قرار ميدهد.

۲،۲٫۲ ديناميك خودرو هنگام ترمزگيري
يك معادله براي كارايي ترمزگيري مي تواند از قانون دوم نيوتن تعيين شود: مجموع نيروهاي خارجي وارده روي يك جسم در يك جهت داده شده ، برابر است با حاصلضرب جرم و شتاب آن در همان جهت. با توجه به اين قانون براي ترمزگيري مستقيم الخط، فاكتورهاي مهم درمعادله ۲،۲ آورده شده است. و مجموع نيروهاي عمل كننده روي وسيله در شكل ۲،۲ نشان داده شده است.
شكل ۱،۲ ضريب اصطكاك طولي، تابعي از لغزش چرخ
۲٫۲

كه:
جرم وسيله =M
شتاب خطي در جهت X =ax
وزن وسيله =W
شتاب ثقل =g
شتاب منفي خطي Dx=-ax=
نيروي ترمزي محور جلو Fxf=

نيروي ترمزي محور عقب Fxr=
( فرض شده كه دريك نقطه عمل مي كنند) كشش ( درگ) آيروديناميكDA=
زاويه وسط جاده =
= ضريب مقاومت غلتشي Fr=
FIGURE 2.2 Significant forces’ action on vehicle during braking
شكل ۲٫۲ عوامل مهم عمل كننده روي وسيله هنگام ترمزگيري

اگر نيروهاي ترمزي ثابت نگه داشته شوند و اثرات سرعت خودرو روي درگ آيد و ديناميكي و مقاومت غلتشي ناديده گرفته شوند، تغييرات زمان سرعت يك خودرو معادله (۱۵٫۳)، و فاصله طي شده در طول سرعت گيري، معادله (۱۵٫۴) مي توانند از قانون دوم نيوتن مشتق شوند.
۲٫۳
مجموع نيروهاي شتاب منفي روي وسيله =Fxt
زمان =t
سرعت اوليه = V0
سرعت نهايي =VF
2.4
فاصله در جهت مثبت=X
اين شباهت ها نشان مي دهد كه زمان توقف مناسب با سرعت وسيله و فاصله توقف
متناسب با توان دوم سرعت وسيله است. هنگام ترمزگيري، انتقال بار ديناميكي صورت مي‌گيرد كه عاملي است از ارتفاع مركز جرم، وزن خودرو، فاصله بين محور جلو و محور عقب، و نرخ شتاب منفي. معادله ۵،۲ اين انتقال بار ديناميكي را تشريح مي كند:

۲٫۵
وزن ديناميكي =Wd
ارتفاع مركز جرم=h
فاصله بين محورهاي عقب و جلو=l
وزن استاتيكي خودرو=w
شتاب ثقل=g
شتاب منفي در جهت مثبت=Dx
ارتفاع درگ آيروديناميكي=hA
با توجه به اين كه خودروها دو محوره هستند، اين انتقال بار هنگام ترمزگيري به چرخهاي جلو اضافه مي شود و از چرخهاي عقب كم مي شود. كه به ترتيب در معادلات ۲٫۶ و ۷،۲ نشان داده شده است.
۲٫۶
كه:
ماكسيمم نيروي اصطكاكي روي چرخهاي جلو در جهت طولي=Fxmt
بيشترين ضريب اصطكاك= Mp
وزن اصطكاكي چرخهاي جلو=Wfs
2.7
ماكسيمم نيروي اصطكاكي روي چرخهاي عقب در جهت طولي=Fxmr
وزن اصطكاكي چرخهاي عقب=Wrs
معادله ۲٫۲ براي موارد ْ۰ = Q و درك آيروديناميكي و مقاومت غلتشي كم معادله زير را نتيجه مي دهد:

با حل كردن براي Dx و جايگزيني در معادلات ۶،۲ و ۷،۲ ، به ترتيب معادلات ۲٫۸ و ۲٫۹ به دست مي آيند.
(۸-۲)

اين روابط نشان مي دهند كه بيشترين نيروي اصطكاك روي چرخهاي جلو، به نيروي اصطكاك روي چرخهاي عقب در مدت شتاب منفي و انتقال بار به جلوي مربوطه بستگي دارد. به روش مشابه، نيروي ترمزي روي چرخهاي عقب به نيروي ترمزي روي چرخهاي جلو بستگي دارد.
با توجه به كاربردهاي معادلات قبل، طراحان سيستم هاي ترمز مي توانند نيروي كلي ترمزي مورد نياز براي رسيدن به شتاب منفي مطلوب را تعيين كنند و اجزاي سيستم ترمز مي توانند به طور

مقتضي اندازه گذاري شوند. نيازهاي ايمني و قانوني اين نكته را وضع مي كند كه طراحان سيستم، شتاب منفي تحت بارهاي سرعتي و وضعيت هاي بي باري را مثل وضعيت هاي سيستم ترمز با نقص جزئي( مثل نقص هاي نيم سيستم يا افت ترمز كمكي براي ورودي سيستم ) در نظر بگيرند. به دليل اين ملاحظات و بقيه موارد مثل كورس پدال مطلوب مشتري و نيروي پدال انتظار كاهش سرعت، تلاشهاي مهندسي اندازه زني سيستم ترمزگيري وسيله نقليه معمولاً با كمك يك برنامه كامپيوتري شبيه ساز خودرو كامل مي شود.

 

۲٫۲٫۳ اجزاي سيستم ترمز:
ترمزهاي ديسكي شكل ۳،۲ يك دياگرام شماتيك از يك ترمز ديسكي است. دراين نوع از سيستم نيرو به هر دو طرف روتور وارد مي شود و ترمز گيري به واسطه عمل اصطكاكي لايه هاي ترمز داخلي و خارجي برخلاف گردش روتور، به انجام مي رسد.
لايه ها شامل يك اندازه گير در داخلشان هستند( نشان داده شده است) كه مثل سيلندر چرخ است.

اگرچه اين نوع ارزان تر هستند ولي ترمزهاي ديسكي اين مزيت را دارند كه ترمزگيري خطي نسبتاً بهتري را همراه با قابليت نوسان صداي كمتر نسبت به ترمزهاي كاسه اي فراهم مي آورد.
نيروي به كار رفته توسط لايه ها روي روتور، تابعي است از فشار هيدروليكي سيستم ترمز و سطح استوانه اي چرخ( با استوانه ها، هر طور كه طراحي شده است) گشتاور استاتيكي ترمز مي تواند با استفاده از معادله زير محاسبه شود.

۱۰-۲ T= PEAR
تورك ترمزي= T
فشار عملكرد = p
مساحت استوانه اي چرخ = A
ضريب كاردهي نسبت سطح جاروب شده ديسك به نيروي وارده به كفشك ها=E
شعاع ترمز= R
نيروي ترمزي استاتيكي مي تواند از رابطده زير محاسبه شود

كه:
نيروي ترمزي=Fb
شعاع غلتشي تاير= r

ترمزهاي كاسه اي:
شكل ۲٫۴ شكل شماتيك يك ترمز كاسه اي را تشريح مي كند.
درترمزهاي كاسه اي نيرو به يك جفت از كفشك ها وارد مي شود كه ساختارهاي گوناگوني دارند: كفشك پيشتاز/ دنباله دار( نوع ساده) دوتايي- دوطرفه، دوتايي- خودكار.

ترمزهاي كاسه اي ، خصوصيات بهتري نسبت به ترمزهاي ديسكي دارند ولي بعضي از اشكال اين ترمزها تمايل بيشتري به حساس و غير خطي كردن نوسان صدا دارند و تمايل به تغيير ضريب اصطكاك بقيه ترمزها دارند.
شكل ۲٫۴ شماتيك ترمز كاسه اي

معادله تورك ترمزي استاتيكي كه قبل از اين براي ترمزهاي ديسكي آورده شد، معادله ۲٫۱۰ ، براي ترمزهاي كاسه اي با تغييرات طراحي ويژه براي شعاع ترمز و ضريب تاثيرهاي مختلف معتبر است. در طراحي، شعاع ترمز براي ترمز هاي كاسه اي، نصف قطر كاسه است. ضريب تاثير، اختلاف عملكرد اساسي را بين ترمزهاي ديسكي و كاسه اي بيان مي كند.

هندسه ترمزهاي كاسه اي شايد توليد مقداري نيروي اصطكاكي روي كفشك ها را ممكن سازد كه به خاطر نوع گردش آن برخلاف كاسه، افزايش نيروي اصطكاكي هم ممكن مي شود. اين عمل مي تواند يك مزيت مكانيكي باشد كه به طور قابل ملاحظه اي ، سود ترمزگيري و ضريب تاثير را افزايش مي دهد كه مي تواند با ترمزهاي ديسكي مقايسه شود. نيروي ديناميكي ترمزي، براي ترمزهاي كاسه اي و ديسكي به سادگي از ضريب اصطكاك خطي ترمز محاسبه مي شود كه عاملي از دما است. همچنانكه گرماي لنت ها هنگام عمليات ترمزگيري، ضريب اصطكاك موثر را افزايش مي دهدو براي ثابت نگه داشتن تورك ترمزي، فشار كمتري مورد نياز است.

 

سيلندر اصلي و سيلندر كمكي
شكل ۲٫۵ طرح شماتيكي از يك پدال ترمز، يك بوستر خلاو يك سيلندر اصلي را نشان مي دهد. در تجربيات واقعي، در اتومبيل هاي مسافرتي و كاميون هاي سبك يك افزايش نيروي مكانيكي به دليل هندسه پدال ترمز معمولاً ۳ تا ۴ و افزايش خلا كمكي معمولاً ۵ تا ۹ . بعد از رسيدن بوستر به نقطه شكست آن و قبل از رخ دادن خستگي، وجود دارد.

بنابراين، معمولاً نيروي به كار رفته توسط اپراتور، با يك عروس ۱۲ تا ۳۶ در سيلندر
اصلي بر اساس رسيدن به فشار لازم ترمزگيري خراب مي شود. فشار سيلندر اصلي از رابطه زير نتيجه مي شود:

كه:
بازده مكانيكي=
فشار سيلندر اصلي= pMC
نيروي اپراتور روي پدال ترمز=Fop
بهبود مكانيكي مربوط به هندسه نصب پدال ترمز و نيروي بازگشت آني فنر=Gmech

تقويت ترمز كمكي:
يك تابع يا مينيمم نيروي شكست غير خطي كه براي آغاز كمك و يك پديده خستگي منجر به بهبود نيروي كم شده بعد ازاينكه نيروي ورودي به كارگرفته شد، لازم است. =Gboost
نيروي برگشت فنر=FS

مساحت سيلندر اصلي، قسمتي كه نيرو عمل‌مي‌كند(‌مساحت محفظه پيستون)= Apiston
سيلندر اصلي براي بهبود ايمني و براي اجتناب از افت سيستم ترمز درموارد نقص در يك قسمت از سيستم، از قسمتهاي جداگانه اوليه و ثانويه تشكيل شده است. معمول ترين ساختار در شكل ۲٫۵ با دو محفظه درون يك حفره، نشان داده شده است.

 

سوپاپ تناسب:
همانطوري كه در معادله ۲٫۵ نشان داده شده است، به دليل انتقال وزن ديناميكي، فشار ترمزيي كه براي ترمزگيري با شتاب منفي بزرگ روي چرخهاي جلو لازم است، معمولاً خيلي بيشتر از چرخهاي عقب است. كه درنتيجه چرخهاي عقب هنگام ترمزگيري وضعيت قفل شدگي از خود نشان مي دهند. اين مساله مي تواند استفاده از سوپاپ تناسب را به طرز قابل توجهي كاهش دهد، سوپاپ هاي تناسب استاندارد، هنگام فشارهاي ورودي پايين، ترمزهاي معادلي را بين چرخهاي عقب و جلو توزيع مي كند( متناسب با نرخ شتاب منفي و جابه جايي بار ديناميكي كوچك) ولي وقتي كه فشار به يك مقدار ثابتي رسد( فشار ترك). افزايش سوپاپ را به كمتر از ۱ مي رساند.

خيلي از سوپاپهاي حسگر بار در بعضي از كاربردهايي كه لازم باشد، مورد استفاده قرار مي گيرند، مثل وقتي كه انتقال بار ديناميكي و تغييرات باري وسيله به اندازه اي هست كه يك سوپاپ تناسب ثابت براي ترمزگيري خوب در همه وضعيت ها كافي نباشد. سوپاپهاي حسگر بار پيشرو ابزاري براي اندازه گيري وزن روي چرخهاي عقب و بنابراين تنظيم منفعت كلي سوپاپ مي باشند.
شكل ۲٫۶ دو نوع از معمولترين سوپاپ هاي متقارن براي سيستمهاي كاميون هاي سبك واتومبيل هاي مسافرتي را نشان مي دهد.

سيستم ترمز عمودي دوتكه معمولاً روي وسيله هاي رانندگي از چرخ عقب استفاده مي شوند و سيستم هاي دو تكه قطري روي وسيله هاي رانندگي از چرخ جلو استفاده مي‌شوند.
شكل ۶-۲
گستردگي استفاده از سيستم هاي دوتكه قطري نتيجه مستقيم اقبال عمودي استفاده ازوسائط نقليه رانندگي از چرخ جلو مي باشد.

۲٫۳ سيستم هاي ضد قفل:
اگر چه مفاهيم ضد قفل در چند دهه اخير مطرح شده است، گستردگي استفاده از ضد قفل ( كه به نام هاي ضد لغزش و ABS هم خوانده مي شود) در سال ۱۹۸۰ با سيستم هاي توسعه يافته جايگزين شده ميكروپروسنسور/ ميكروكنترلر ها درواحدهاي آنالوگ، شروع شد. يك سيستم ضد قفل شامل يك مدولاتور هيدروليكي و منبع قويتر هيدروليكي است كه مي تواند هم با بوستر و

سيلندر اصلي، سنسورهاي سرعت خودرو و يك واحد كنترل الكترونيكي پيوسته باشد ، هم مي تواند پيوسته نباشد. وظيفه بنيادي سيستم ضد قفل، ممانعت از قفل شدگي چرخ است كه توسط احساس آستانه قفل شدگي و عمل كرد از طريق مدولاتور هيدروليكي براي كاهش فشارترمزي در چرخها تا رسيدن به مقدار كافي است كه موجب مي شود سرعت چرخ به سطح لغزش كافي، نزديك به نقطه بهينه كارايي ترمز، برگردد.

 

۲٫۳٫۱ اهداف
اهداف سه گانه سيستم ضد قفل عبارتست از: كاهش فاصله توقف، بهبود پايداري و بهبود قابليت هدايت هنگام ترمزگيري.

فاصله توقف: همانطور كه درمعادله ۴،۲ نشان داده شده است، فاصله براي توقف (Vt=0) تابعي از سرعت ورودي، جرم خودرو، ونيروي ترمزي است. از اين معادله به نظر مي رسد كه با ماكزيمم كردن نيروي ترمزي، فاصله توقـف ميـنيمم خواهـد شد، اگر بقـيه
عوامل ثابت باقي بماند.

از شكل ۲٫۱ معلوم مي شود كه روي همه انواع سطوح، براي حوزه هاي بزرگتر يا كوچكتر، مقدار ماكسيمم نيروي اصطكاكي رخ مي دهد. درنتيجه اين امر كه توسط نگه داشتن همه چرخهاي خودرو نزديك مقدار پيك انجام مي شود سيستم ضد قفل مي تواند بيشترين نيروي اصطكاك را اعمال كند و در نتيجه فاصله توقف كامل را مينيمم كند.
اين يكي از اهداف سيستم ضد قفل است؛ كه به هر حال با نياز خودرو با ثبات و قابليت هدايت خودرو، تركيب مي شود.

ثبات:
اگرچه شتاب منفي( كند كردن) و متوقف كردن خودرو، هدف بنيادي ازتاسيس سيستم ترمزگيري است، ولي ممكن است كه در همه موارد، ماكزيمم نيروي اصطكاك مطلوب نباشد. براي مثال اگر يك خودرو روي سطحي با ضريب لغزشي باشد( آسفالت يا غيره) به اين صورت كه نيروي ترمزي قابل توجه در يك طرف خودرو بيش از طرف ديگر قبل حصول باشد به كار بردن ماكزيمم نيروي ترمزي روي هر دو طرف منجر به يك مقدار انحراف خواهد شد كه وسيله را در سمت ضريب بالا نگه مي دارد و به ثبات خودرو و كمك خواهد كرد. معمولاً درخودروهايي كه فاصله بين محورها كوتاه است، يك

استراتژي كنترل براي كنترل فشار در چرخهاي عقب براي تامين ثبات وسيله، به كار گرفته مي شود. به طور مشابه براي چرخهاي جلو هم استراتژي كنترل به كار گرفته مي شود تا اختلاف فشار پهلو به پهلوي اوليه را محدود كند تا آنجا كه هيچ مقدار تغيير اضافي اجباري در چرخهاي متحرك وجود نداشته باشد و نيروي اپراتور براي تصحيح و خنثي كردن مقدار انحراف كافي باشد.
اگر يك سيستم ضد قفل بتواند چرخ هاي وسيله را نزديك پيك نيروي اصطكاكي نگه دارد، نيروي جانبي به طرز قابل توجهي بالا مي رود ولو ماكزيمم نباشد.

 

قابليت هدايت:
قابليت هدايت بستگي به نيروهاي جانبي بالا دارد. به منظور رسيدن به نيروهاي جانبي و بنابراين قابليت هدايت رضايتبخش، كنترل خوب پيك نيروي اصطكاكي ضروري است قابليت هدايت هنگام ترمزگيري نه تنها براي مسيرهاي با اصلاح كم مهم است، بلكه براي هر نوع احتمال منع يا موانع هم مهم است.

سيستم هاي ضد قفل كنترل تمام اين خصوصيات را براي رنج پيك نيروي اصطكاكي فراهم مي آورند.

۲٫۳٫۲ اجزاي سيستم ضد قفل
اجزاي سيستم ضد قفل عبارتند از: سنسورهاي سرعت چرخ، مدولاتور هيدروليكي، منبع تغذيه هيدروليكي( معمولاً يك موتور/ پمپ الكتريكي) و واحد كنترل الكتريكي.