Антиблокировочная тормозная система с автоматическим управлением при аварийном торможении транспортного средства

Антиблокировочная тормозная система с автоматическим управлением при аварийном торможении транспортного средства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а более конкретно к созданию антиблокировочных тормозных систем. Из литературных источников известно, что рабочее торможение включает в себя как служебное, так и экстренное (аварийное) торможение, известно и то, что аварийное торможение применяется реже, чем служебное, но последствия их различны. Экстренное торможение, совершаемое по причине аварии или ее угрозы, приводит к более тяжелым последствиям, тогда как служебное торможение характерно для нормальной работы транспортного средства.

Экстренное (аварийное) торможение обычно короткое (десятки секунд) по времени, тогда как служебное менее интенсивное и более длительное и почти на 100% контролируется оператором (водителем); при этом можно обойтись без автоматического управления процессом торможения. Аварийное торможение идет практически при стрессовом состоянии водителя, и он практически не в состоянии управлять процессом торможения без автоматики.

Известны антиблокировочные тормозные системы (например, АБС патент №2221715, по заявке №2001133955, приоритет изобретения от 13 декабря 2001 года), в которых для изменения положения поршня в главном цилиндре и цилиндре управления устанавливают добавочный источник энергии для изменения давления рабочего тела - гидронасос или гидроаккумуляторы и т.п., что усложняет и удорожает такие АБС.

Целью предлагаемого антиблокировочного устройства является обеспечение автоматического управления процессом аварийного торможения без гидронасосов, гидроаккумуляторов и т.п.

Для изменения давления рабочего тела в тормозном приводе, когда изменяются дорожные условия, особенно не желательно снижение коэффициента сцепления, при котором начался процесс аварийного торможения; при этом может произойти блокировка колес с вытекающими из этого последствиями. Увеличение коэффициента сцепления (ϕ_х) в процессе аварийного торможения явление положительное и легко может быть реализовано без дополнительных источников энергии.

Мы предлагаем для реализации таких изменений коэффициента сцепления использовать энергию ранее сжатой пружины (9), а вспомогательный поршень (18) выполнить с камерой для жидкости и поршнем (19), жестко связанным со штоком (24), в ней, обеспечив возможность перемещаться поршню (18) с камерой относительно поршня (19), для чего емкость вспомогательного поршня (18) через сверление и шланг (20) с клапаном (21) связано с емкостью тормозного привода. Для управления движением вспомогательного поршня на кожухе (5) просверлены отверстия (30), над которыми стоят светодиоды (28) и фотодиоды (29). Связь дополнительного поршня (19) со вспомогательным осуществляется через жидкость, объем которой меняется за счет усилия пружины (9) при открытом клапане (21).

Работу предлагаемого изобретения рассмотрим в описании изобретения с поясняющими схемами (фигурами):

Фиг.-1 общая схема;

Фиг.-2 схема установки элементов, снижение давления в тормозном приводе;

Фиг.-3 общий вид и расположение профилированных рычагов;

Фиг.-4 графическая характеристика зависимости ϕ-S;

Фиг.-5 и 5а структурная схема устройства и схема работы алгоритма.

В указанных схемах порядковые номера связаны с названием следующих деталей: 1, 10, 21 - клапаны перепускные; 2 - электромотор с микропроцессором; 3 - гидроаккумулятор; 4 - остов цилиндра; 5 - кожух; 6 - поршень; 7 - золотник; 8 - цилиндр подвижный; 9 - пружина; 11 - уплотнение; 12 - пружина; 13 - клапан запорный с направляющей; 14 - емкость; 15 - цилиндр управления; 16 - пружины цилиндра управления; 17 - поршень с уплотнением; 18 - поршень с камерой для жидкости; 19 - дополнительный поршень с уплотнением; 20 - шланг гибкий; 22 - уплотнение; 23 - шток цилиндра управления; 24 - поршень со штоком в камере; 25 - стержень соединительный; 26 - вентиляционное отверстие; 27 - крышка емкости с клапаном; 28 - светодиод; 29 - фотодиод; 30 - отверстия в кожухе; 31 - вилки роликов; 32 - ролики; 33 - профилированные рычаги; 34 - вал педали тормоза; Р - усилие на штоках поршней; М_п - момент поворотный вала педали тормоза; А - полость между цилиндрами и поршнем; 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 18, 19, 20 - детали, составляющие главный тормозной цилиндр.

Суть предлагаемого изобретения в следующем: при аварийном торможении тормозное управление АТС должно обеспечить максимальные тормозные силы на колесах без блокировки их. Это произойдет тогда, когда коэффициент сцепления (ϕ_х) по диаграмме ϕ-S достигнет максимальной величины и в некотором промежутке изменения величины коэффициента скольжения (S) будет постоянен (участок перегиба кривой ϕ=f(S)). Поступающие замедления от акселерометра, которым должна быть снабжена штатная тормозная система, в ЭВМ, позволяют решать заложенные в ее памяти уравнения математических моделей колес, находящихся в тормозном режиме. Результатом решения будет величина хода (X₁) поршня главного цилиндра и связанного с ним хода поршня (Х₂) цилиндра управления. Но так как они жестко связаны между собой то X₁=X₂, рассмотрим работу предлагаемой АБС применительно к одному контуру, т.е. для одного главного цилиндра.

На участке перегиба кривой ϕ=f(S) коэффициент сцепления расти не будет, т.е. X₁-Х¦=0 или j₁-j¦=0, так как коэффициенты сцепления пропорциональны замедлениям. В выражениях, приведенных выше, x₁ и j₁ - предыдущие значения, а X¦ и j¦ - последующие. При разнице линейных замедлений (j), равных нулю, ЭВМ подаст команду на закрытие клапана (10) и, решив уравнение математической модели, получить значение (Х₁) - запомнить эту величину (например, 8,3 см). Когда клапан (10) закрыт, оператор не сможет влиять на процесс торможения, а АТС будет снижать скорость вплоть до 0, т.е. до полной остановки. Но при этом дорожные условия могут изменяться и

а) коэффициент сцепления может увеличиться по отношению к коэффициенту (ϕ), при котором началось торможение;

б) коэффициент сцепления может уменьшиться по отношению к коэффициенту сцепления (ϕ_x), при котором началось торможение.

При увеличении коэффициента сцепления (ϕ_x) равенство Δj=0 нарушится и станет Δj≠0, этого будет достаточно, чтобы ЭВМ падала команду на открытие клапана (10). Когда клапан будет открыт, водитель может увеличить усилие на педали тормоза. И интенсивность торможения будет расти до тех пор, пока опять не наступит равенство j₁-j¦=Δj=0.

При снижение коэффициента сцепления (ϕ_x) равенство нарушится и Δj≠0.При отрицательном приращение ЭВМ подаст команду на включение светового сигнала (загорается сигнальная лампочка), предупреждающего водителя, что дорожные условия ухудшились, снимать усилие с педали не следует. Одновременно ЭВМ подаст команду на открытие клапана (21) и решит уравнение математической модели при уменьшенном замедлении. Определить величину X¦ при уменьшенном значение коэффициента сцепления (ϕ_х). Допустим, что Х¦=4,9, тогда разница между 8,3-4,9=3,4 см. Эта разница указывает на сколько сантиметров надо ослабить пружину (9), т.е. сместить поршень (18) с камерой вправо на Фиг.2, чтобы давление рабочего тела в тормозном приводе снизилось до величины, исключающей блокировку колес.

При движении поршень (18) будет перекрывать отверстия (30), расположенные с заданным шагом между ними. Если шаг между отверстиями принять 0,5 см, то таких отверстий надо перекрыть 7. ЭВМ отследит эту операцию до конца, подаст команду - закрыть клапан (21). Объем жидкости в камере поршня (18) замкнется, и торможение будет идти при дорожных условиях, соответствующих сниженному значению коэффициента (ϕ_х).

Процесс торможения при аварийных условиях длится несколько секунд и изменение коэффициента сцепления (ϕ_х) явление маловероятное, но не исключенное на 100%.

На изменение коэффициента сцепления при торможении на «миксте», на изменение реакций на колесах при повороте, при уклоне должны реагировать элементы (1, 2, 3) противомикстной тормозной системы, работа которой не рассматривается.

Предлагаемая антиблокировочная тормозная система с автоматическим управлением процесса торможения при аварийном торможении работает в зависимости от изменяющейся величины замедления (j) в процессе торможения с использованием диаграммы ϕ-S. Наличие пружины (9) между цилиндром подвижным (8) и поршнем (18) позволяет изменять состояние рабочего тела в почти замкнутом объеме по формуле:

где Р_у∂ - давление рабочего тела в процессе торможения в контуре; Х - величина сжатия пружины (9) [ход поршня (18)]; с - жесткость пружины; S - площадь в полости А над поршнем (6).

Связь величины Х с параметрами транспортного средства и дорожными условиями определяется математической моделью колеса в тормозном режиме (здесь и далее рассматривается одно колесо, один главный цилиндр, один контур и т.д.), так как аналогичные процессы идут и для других колес, меняются только координаты центра тяжести, нагрузка на колесах, профиль рычагов (33) и некоторые другие параметры.

Характер изменения величины Х представляем зависимостью для переднего колеса

где (j - линейное замедление АТС, g - ускорение свободно падающего тела); G_a - масса, приходящаяся на колеса; L - база транспортного средства; В - координата центра тяжести от оси задник колес; h - вертикальная координата центра тяжести; r_cm - радиус статический для переднего колеса; S_гл - площадь поршня в полости A; S_n - площадь поршня рабочего цилиндра тормозного механизма; k - коэффициент трения контртела; r_б - радиус барабана (диска) тормозного механизма; с - жесткость пружины (9); l - внутреннее передаточное число в тормозном барабанном механизме. При дисковом тормозном механизме l=0. Первая двойка учитывает число площадей в рабочем цилиндре, вторая - распределяет осевую нагрузку на колесах.

Для управления торможением используются приращения хода поршня X_n-X_n-1>0; Х_n-Х_n-1=0; X_n-X_n-1<0. Или, что еще проще, приращение по замедлению: j_n-j_n-1>0; j_n-j_n-1=0; j_n-j_n-1<0. Приращения по ходу поршня получаются при решении выше приведенного уравнения, а приращение по линейному замедлению - по данным от штатного акселерометра, поступающим в ЭВМ, где j_n - предыдущее по времени замедление, j_n-1 - последующие.

Работа тормозной системы при служебном торможении

Для этого обратимся к Фиг.4, где представлена «стандартная» диаграмма ϕ=f(S). Из нее видно, что служебное торможение можно вести в диапазоне изменения коэффициента скольжения (S) до S=0,15-0,2. В этом диапазоне в контакте колес имеется «запас» бокового (ϕ_у) коэффициента ϕ_у≠0 сцепления и за счет его можно получить боковую реакцию, противодействующую заносу автомобиля; а кривая ϕ_x=f(S) имеет положительный знак производной, т.е. ϕ_х-ϕ_n-1>0 (или j_n-j_n-1>O). Штатный акселерометр, подавая конкретные величины замедлений, позволяет ЭВМ решать данные неравенства. Поршень (18) при нажатии на педаль тормоза повышает усилие затяжки пружины (9), а при уменьшении этого нажатия ослабляет пружину. Поршень с камерой 18 перемещается также как поршень (17), поскольку ЭВМ команду на закрытие клапана (10) не подает. То есть при служебном торможении АБС не работает.

Работа предлагаемой АБС при аварийном торможении

При аварийном торможении тормозная педаль нажата до конца. По диаграмме ϕ=f(S) видно, что наибольший тормозной эффект будет тогда, когда ϕ_x=ϕ_max. Это соответствует области где ϕ_n-ϕ_n-1=0 или j_n-j_n-1=0 (например отличается на 0,01 м/с²). Когда разница между предыдущей и последующей величинами приблизится к нулю, ЭВМ решит уравнения (X₁), используя замедления j_n, зафиксирует в памяти X₁ и подаст команду на закрытие клапана (10) (можно и наоборот - закрыть клапан и решить уравнение), клапан закроется, поэтому объем жидкости в цилиндре (15) «замкнется» при максимально допустимом давлении жидкости в исполнительном органе тормозного привода. Момент на барабане возрастет, но останется меньшим, чем на колесе. После этого водитель, с какой бы силой не нажимал на педаль тормоза, уже не может воздействовать на процесс торможения.

Если от аварийного торможения нужно перейти к служебному торможению, то следует уменьшить усилие на педали тормоза: замедление (j_n) уменьшится, равенство j_n-j_n-1=0 нарушится, ЭВМ подаст команду на открытие клапана (10). Педаль тормоза отойдет на определенное расстояние назад и обеспечит служебное торможение.

Если же надо полностью прекратить торможение, то следует снять усилие с педали и шток (23) оторвется от поршня (17), а педаль вместе со штоком займет «нейтральное» положение. Отрыв штока (23) от поршня (17) произойдет потому, что связь между ними не жесткая, а контактная. При замкнутом объеме жидкости в цилиндре (18) могут быть при ситуации: коэффициент ϕ_х при торможении не меняется; возрастает; уменьшается.

В первом случае, спустя какое-то время после начала торможения, скорость автомобиля станет равной нулю, т.е. он остановится. ЭВМ выключит клапан (10), и система снова готова к работе.

Во втором случае ЭВМ, получив от акселерометра информацию о возросшем замедлении, подаст команду на открытие клапана (10). Под воздействием водителя на педаль тормоза поршень (18) и поршень (17) получат возможность перемещаться и пружина (9) сожмется, увеличивая воздействие на цилиндр (8). Давление рабочего тела в приводе возрастет, момент на барабане (М_б) тоже возрастет, но опять-таки останется меньше, чем момент (М_к) на колесе. Замедление автомобиля возрастет, а ЭВМ продолжит решать неравенство j_n-j_n-1>0 до тех пор, пока оно станет равенством (j_n-j_n-1=0), ЭВМ, используя j_n как максимальное замедление, решает уравнение X₁ и результат фиксирует в памяти, после чего подает команду на закрытие клапана (10). Объем жидкости снова замкнут. Торможение будет идти с максимальным замедлением до полной остановки АТС. После чего ЭВМ подает команду на отключение клапана (10).

В третьем случае замедление автомобиля уменьшается, что и фиксирует акселерометр. ЭВМ по его сигналу определяет величину перемещения X₁ при j_m, сравнивает ее с X₁ из памяти, получает разницу, величина которой указывает, на сколько надо переместить назад (на Фиг.2 - вправо) поршень с камерой (18), чтобы уменьшить силу упругости пружины (9) и тем самым исключить блокировку колес. Предположим, x₁=8,3, а х¦=4,9 см (при j_м), т.е. разница между ними 3,4 см. Это и есть величина, на которую следует переместить поршень (18) с камерой. Для этого ЭВМ должна подать команду на открытие клапана (21). При открытом клапане (21) поршень (18) станет перемещаться под действием пружины (9) относительно неподвижного поршня (19) (этот момент можно зафиксировать свечением контрольной лампочки или другим каким-то сигналом (лампочка на схеме не показана), жидкость из камеры поршня (18) поступит в емкость (14) по гибкому шлангу (20). Одновременно поршень (18) перемещается относительно отверстий (30) в кожухе, и как только закроется отверстие 7 от начала движения, ЭВМ подаст команду на закрытие клапана (21). Объем в камере поршня (18) замкнется и поршень остановится. Давление рабочего тела уменьшится на определенную величину. А торможение будет идти при меньшем моменте на барабане, чем момент на колесе, т.е. блокировки не будет. ЭВМ уберет световой сигнал, но усилие с педали не снимается, так как после этого коэффициент сцепления (ϕ_х) может увеличиться или уменьшиться, но предлагаемая АБС будет отслеживать ситуации, описанные ранее, и управлять процессом торможения.

Антиблокировочная тормозная система с автоматическим управлением при аварийном торможении транспортного средства с ограничением хода вспомогательного поршня в главном тормозном цилиндре, включающая главный тормозной цилиндр, цилиндр управления, тормозной привод, тормозные механизмы и педаль тормоза, отличающаяся тем, что вспомогательный поршень имеет емкость под жидкость, внутри которой установлен дополнительный поршень, жестко связанный со штоком главного тормозного цилиндра, связь дополнительного поршня со вспомогательным осуществляется через жидкость, объем которой меняется за счет силы упругости пружины главного тормозного цилиндра, при снижении давления рабочего тела в тормозном приводе, для чего емкость вспомогательного поршня через сверление и гибкий шланг с перепускным клапаном связана с емкостью тормозного привода, кроме того кожух главного тормозного цилиндра имеет ряд отверстий с определенным шагом между ними, последние расположены в зоне движения вспомогательного поршня, при этом над отверстиями стоят датчики, совместная работа которых с вспомогательным поршнем позволяет ЭВМ управлять движением вспомогательного поршня.