Быстродействующая антиблокировочная тормозная система автотранспортного средства

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к антиблокировочным тормозным системам транспортных средств. Антиблокировочная тормозная система содержит главные цилиндры контуров, каждый из которых содержит вспомогательный поршень, пружину, расположенную между вспомогательным поршнем и поршнем с уплотнением, а также электромеханический клапан, связанный с цилиндром управления и выполненный с возможностью перекрытия подачи жидкости из главного цилиндра соответствующего контура. Также антиблокировочная тормозная система содержит акселерометр, выполненный с возможностью фиксации изменения замедления процесса торможения, связанный с ЭВМ, которая связана с цилиндром управления, а площади поршней в главных цилиндрах контуров и цилиндре управления подобранные таким образом, что обеспечивают возможность цилиндру управления ограничивать давление в контурах в процессе торможения на определенном уровне. Техническим результатом является улучшение технических характеристик антиблокировочной тормозной системы. 3 ил.

 

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а более конкретно к созданию антиблокировочных тормозных систем.

Известны антиблокировочные тормозные системы, например антиблокировочная система МК II фирмы "Teves", которая осуществляет трехканальное управление и включает четыре датчика угловой скорости колес, гидравлический узел, электронный блок управления и устройство сигнализации.

Гидравлический узел образуют: гидравлический усилитель, главный тормозной цилиндр, обеспечивающий трехконтурное разделение тормозного привода, бачки для тормозной жидкости, насос с электроприводом, модуляторы с электромагнитными клапанами для впуска и выпуска жидкости.

При работе такой системы в главном тормозном цилиндре создаются циклические изменения давления, которые передаются в виде пульсаций на тормозную педаль и она, оставаясь неподвижной, информирует водителя о вступлении АБС в работу. Из сказанного видно, что она работает на "импульсном" способе торможения со всеми вытекающими отсюда недостатками. Основной, из которых низкое использование коэффициента сцепления (ϕ_x) в продольном направлении. Сама же конструкция сложная и дорогостоящая.

Одной из характеристик процесса торможения является время торможения. На нее, кроме величины коэффициента сцепления (ϕ), скорости начала торможения (V₀) оказывают влияние составляющие времени торможения: τ_н - время запаздывания; τ_к - время нарастания замедления и τ_уст - время торможения при установившемся замедлении.

Время запаздывания (τ_c) в большей мере определяется субъективными "качествами" водителя и зазорами между отдельными деталями в узлах тормозной системы.

В это время тормозная система не работает.

Время нарастания замедления (τ_н) определяет начало работы тормозной системы. На увеличение этого времени оказывают влияние усилители в тормозной системе. Но вместе с тем многие АТС оборудуются усилителями. На наш взгляд это в некоторой степени справедливо применительно к импульсному способу торможения в АБС, будь-то плунжерно-поршневой способ, или способы с прямой передачей давления, или с обратным нагнетанием жидкости.

Мы предлагаем антиблокировочную тормозную систему, в контурах которой стоят главные цилиндры. В цилиндрах два поршня, между которыми стоит пружина, воздействуя на которую можно менять давление рабочего поля при постоянном объеме в статическом состоянии. В нее включены электромеханический клапан, цилиндр управления, акселерометр и ЭВМ, связанные таким образом, что позволяют фиксировать изменяющееся давление и удерживать его в контурах в процессе торможения на определенном уровне, исключающим блокировку колес.

Изобретение поясняется чертежами и схемами.

Фиг.1 - блок цилиндров с системой управления.

Фиг.2 - клапан запорный механический.

Фиг.3 - структурная схема устройства и схема алгоритма.

На чертежах порядковые номера связаны с названием следующих деталей: 1 - стойка крепления; 2 - рейка зубчатая со штоком; 3 - рычаг специального профиля; 4 - поршень с уплотнением; 5 - цилиндр управления; 6 - пружина; 7 - клапан электромеханический; 8 - емкость для жидкости; 9 - запорный клапан; 10 - трубопровод контура тормозного привода; 11 и 21 - главные цилиндры контуров; 12 - поршень с уплотнением; 13 - пружина; 14 - поршень вспомогательный; 15 - шток; 16 - ось ролика; 17 - ролик; 18 - вал приводной; 19 - шестерня (сектор) рычажного механизма; 20 - корпус блока цилиндров; 22 - пробка с резьбой; 23 - горловина с резьбой; 24 - корпус запорного клапана; 25 - пружина; 26 - направляющая с манжетой; 27 - манжета; 28 - пробка-упор с резьбой. F - усилие на педали; Р_уд - давление в контурах.

Связь между рейкой со штоком 2, поршнем 4 с уплотнением и пружины 6 с поршнем с уплотнением 4 контактная. Такая же связь между штоком 15, поршнем 4 и пружиной 13.

Суть изобретения в том, что быстродействующая антиблокировочная тормозная система отличается тем, что позволяет исключить из гидравлического блока: усилители, насосы с электроприводом, гидроаккумуляторы, модуляторы с клапанами, электромагнитные клапаны, клапаны для перевода статических цепей контуров в динамические цепи, а использовать подобранные по площади поршни в главных тормозных цилиндрах и цилиндры управления, которые по командам ЭВМ ограничивают и удерживают давление в контурах на необходимом уровне, обеспечивая торможение.

Предлагаемая тормозная система работает в зависимости от изменяющейся величины замедления в процессе торможения с использованием диаграммы ϕ - S.

Наличие пружины 13 между поршнями 12 и 14 позволяет изменять состояние рабочего тела в замкнутом объеме по формуле

где Р_уд - давление рабочего тела в процессе торможения в контуре; Х - величина сжатия пружины 13; С - жесткость пружины 13; S - площадь поршня 12 в главном цилиндре 11.

Связь величины Х с параметрами транспортного средства и дорожными условиями определяются математической моделью колеса в тормозном режиме (здесь и далее рассматривается одно колесо, один главный тормозной цилиндр, один контур и т.д., так как аналогичные процессы идут и для других колес, меняются только координаты центра тяжести, нагрузки на колеса и профиль рычага 3).

зависимость относится к колесу передней оси, где ϕ_x=j/q, a j - линейное замедление АТС; q - ускорение свободно падающего тела; G_a - масса, приходящаяся на колесо; L - база транспортного средства; В - координата центра тяжести от оси задних колес; h_g - вертикальная координата центра тяжести; r_ст - радиус статический для переднего колеса; S_гл - площадь поршня 12 цилиндра 11; S_n - площадь поршня рабочего цилиндра тормозного механизма; K - коэффициент трения контртел; r_б - радиус барабана тормозного механизма; С - жесткость пружины в главном цилиндре контура передних колес; l - внутреннее передаточное число в тормозном механизме.

Первая двойка учитывает число площадей в цилиндре 1, вторая - распределяет осевую нагрузку на колеса.

Обратимся к исходной формуле Р_уд·S=Х·С, из нее видно, что быстродействие тормозной системы в значительной мере, кроме других факторов, зависит от величины X. Прикладывая усилие на педаль (F), мы сжимаем пружину на эту величину и чем больше величина X, тем больше время τ_н.

Теоретические подсчеты показали: чтобы поднять удельное давление до 58,8 кгс/см² в контуре для передних колес автомобиля М - 2140 при его полной массе 1480 кг при торможении на дороге с коэффициентом ϕ=0,7 при жесткости пружины С=30 кгс/см и площади поршня 4,44 см², надо пружину сжать на 8,7 см (58,8=(8,7·30)/4,44).

Если уменьшить площадь поршня в 2 раза, т.е. до 2,22, тогда следует уменьшить и Х в 2 раза, т.е. до 4,35.

Исполним расчет по правилам арифметики получим тот же результат (58,8=(4,35·30)/2,22).

Обратимся к критериям оценки эффективности торможения, одним из которых является время торможения (Т) и ее составляющая τ_н - время нарастания замедления. Если воспользоваться данными, приведенными в учебном пособии "Автоматизация агрегатов и систем автомобиля. Тормозное управление". М., 1996, МАДИ (ТУ), авторы: Юрчевский А.А., Еникеев Б.Ф., Попов А.И., то можно найти, что при обычном гидровакуумном усилении тормозная система автомобиля "Волга" обеспечивает время нарастания замедления τ_н=0,2÷0,25 с.

Воспользуемся этой величиной и применим ее к тормозной системе М-2140 и будем считать все другие факторы, влияющие на время τ_н - одинаковые, а изменяется только ход (X) сжатия пружины. Поскольку ход (X) уменьшился в 2 раза, то и время τ_н уменьшится в два раза и станет τ_н=(0,1÷0,125) с. Уменьшив площадь поршня в три раза, уменьшим ход поршня в три раза. Ход станет Х=2,9 см, а время τ_н=(0,07÷0,08) с.

Проведя такие операции десять раз, мы получим таблицу

Параметры	Результат
Руд, кгс/см2	dгл, см	Sгл, см2	X, см	C, кгс/см	F, кг	τн, c
58,8	2,38	4,44	8,7	30	261	0,2-0,25
58,8	1,68	2,22	4,35	30	130	0,1-0,12
58,8	1,37	1,48	2,9	30	87	0,07-0,08
58,8	1,19	1,11	2,18	30	65	0,05-0,06
58,8	1,13	0,888	1,74	30	52	0,04-0,05
58,8	0,97	0,74	1,45	30	44	0,035-0,04
58,8	0,89	0,63	1,23	30	37	0,028-0,03
58,8	0,84	0,55	1,08	30	33	0,025-0,03
58,8	0,79	0,49	0,96	30	28	0,02-0,027
58,8	0,75	0,444	0,87	30	26	0,02-0,025

Из таблицы следует, что усилие на педали снизилось до 26 кгс, а время до τ_н=(0,02÷0,025)c.

Изменяя площадь поршня цилиндра, можно изменять и жесткость пружины, добиваясь наиболее выгодных величин жесткости и хода сжатия пружины.

Воспользуемся формулой теоретического определения тормозного пути (S_m) с использованием тормозной диаграммы полного экстренного торможения:

где V₀ - скорость начала торможения, V₀=80 км/ч=22,2 м/с;

j_уст - установившееся замедление при торможении j_уст=ϕ·9,81, при ϕ=0,7, j_уст=6,867 м/с².

При торможении штатной тормозной системой τ_c=0,11 c, a τ_н=0,225 c, при предлагаемой тормозной системой время τ_с=0,11 с, а τ_н=0,075 с. Подставив приведенные данные получим тормозной путь при штатной тормозной системе а при предлагаемой системе тормозной путь будет равен Разница

Работа предлагаемой тормозной системы.

В процессе торможения за время запаздывания (τ_с) - торможения еще нет, так как реакция водителя, зазоры между взаимодействующими деталями, позволяют в некоторой мере меняться объему, но как только зазоры будут выбраны, объем замкнется и наступит время нарастания замедления.

В силу сказанного выше, это время может быть очень малым и наступит время τ_уст, но учитывая быстродействие ЭВМ, когда операции в ЭВМ совершаются за миллионные доли секунды, срабатывание электромеханического клапана 7 в цилиндре управления 5 наступит раньше и блокировки колес не будет.

При больших скоростях движения ЭВМ должна быть включена.

а) Служебное торможение

При таком торможении усилие на педали и темп его нарастания не высокий. Штатный акселерометр фиксирует возникшее замедление и величина его поступает в ЭВМ. Начинается работа ЭВМ. При малом замедлении коэффициент скольжения S и соответствующий ему коэффициент сцепления мал и будет изменяться в пределах от нуля до величин, соответствующих зоне перегиба по кривой диаграммы ϕ - S, меньших ϕ_max с определенной погрешностью.

Для удобства, будем рассматривать колеса одной оси, например передней оси.

На поступающие величины замедления при торможении ЭВМ будет выдавать расчетные значения X_1расч=M и фиксировать в памяти. При поступлении других возросших значений Х_2расч ЭВМ должна сравнить их по зависимости и пока будет выдерживаться это неравенство ЭВМ команды на закрытие клапана 17 подавать не будет. Идет служебное торможение.

Дальше наступит такой момент, когда коэффициент сцепления ϕ_х достигнет почти максимальной величины (точка перегиба кривой ϕ по диаграмме ϕ-S) и соответственно линейное замедление (j) достигнет максимума. Начнется экстренное (аварийное) торможение.

Экстренное (аварийное) торможение.

При достижении равенства с некоторой погрешностью ЭВМ подаст команду на замыкание контактов клапана 7. Клапан перекроет проход жидкости из цилиндра 11 в емкость 8. Объем жидкости в цилиндре замкнется и штоки 15 и 1 остановятся. Торможение будет идти при максимально допустимом замедлении или до полной остановки АТС или с каким-то замедлением для служебного торможения.

При аварийном торможении, когда величины Х_расч и Р_уд достигли экстремальных значений, возможна блокировка колес, так как торможение идет на грани блокирования колес. Этого допускать нельзя. Для этого в процессе теоретических расчетов следует предусмотреть в тормозном механизме уменьшенные размеры радиусов барабанов колес или диаметров рабочих цилиндров. Эти величины входят в значения тормозного момента на барабане и позволяют выполнить неравенство M_б<М_к и таким образом исключить блокировку колес. При этом можно задаться допустимыми величинами ϕ_x и ϕ_y.

Контактная связь между поршнем-упором 4, пружиной 6 и штоком 2 делает механизм управления предлагаемой тормозной системы таким, что при любой неисправности в электронном блоке тормозная система способна обеспечивать процесс торможения обычным способом. Кроме того, предлагаемая тормозная система позволяет максимально использовать коэффициент сцепления, будь он большим или малым.

Как известно, коэффициент продольного сцепления ϕ_x меняется от покрытий, их состояния, от изношенности протектора шин, от скорости движения, от толщины водяной пленки в контакте колеса, от различных углов бокового увода, но характерной чертой этих зависимостей является то, что максимум их значений приходится на величину коэффициента скольжения (S) в зоне S=0,15÷0,25. Эта особенность делает предлагаемую тормозную систему максимально универсальной.

Антиблокировочная тормозная система автотранспортного средства, содержащая главные цилиндры контуров, каждый из которых содержит вспомогательный поршень, пружину, расположенную между вспомогательным поршнем и поршнем с уплотнением, а также электромеханический клапан, связанный с цилиндром управления и выполненный с возможностью перекрытия подачи жидкости из главного цилиндра соответствующего контура, отличающаяся тем, что она содержит акселерометр, выполненный с возможностью фиксации изменения замедления процесса торможения, связанный с ЭВМ, которая связана с цилиндром управления, а площади поршней в главных цилиндрах контуров и цилиндре управления подобранны таким образом, что обеспечивают возможность цилиндру управления ограничивать давление в контурах в процессе торможения на определенном уровне.