Описание и принцип работы противобуксовочной системы TCS

Противобуксовочная система – это совокупность механизмов и электронных компонентов автомобиля, которые предназначены для предотвращения проскальзывания ведущих колес. Система TCS (Traction Control System, система контроля тяги) – торговое название антипробуксовочной системы, которая устанавливается на машины марки «Honda». Аналогичные системы устанавливаются на автомобили других брендов, однако они имеют другие торговые названия: антипробуксовочная система TRC (Toyota), антипробуксовочная система ASR (Audi, Mercedes, Volkswagen), система ETC (Range Rover) и другие.

Активированная TCS не дает ведущим колесам автомобиля буксовать при начале движения, резком ускорении, поворотах, плохих дорожных условиях и быстром перестроении. Рассмотрим принцип действия TCS, ее составляющие и общее устройство, а также плюсы и минусы ее эксплуатации.

Принцип работы TCS

Общий принцип работы Traction Control System довольно прост: датчики, входящие в состав системы, регистрируют положение колес, их угловую скорость и степень проскальзывания. Как только одно из колес начинает пробуксовывать, TCS моментально устраняет потерю сцепления с дорожным покрытием.

Противопробуксовочная система справляется с проскальзыванием следующими способами:

• Подтормаживание буксующих колес. Тормозная система задействуется при невысокой скорости – до 80 км/ч.
• Уменьшение крутящего момента двигателя автомобиля. При скорости более 80 км/ч задействуется система управления двигателем, которая меняет величину крутящего момента.
• Комбинирование первых двух способов.

Отметим, что Traction Control System устанавливается на автомобили с антиблокировочной системой (ABS – Antilock Brake System). Обе системы используют в своей работе показания одних и тех же датчиков, обе системы преследуют цель обеспечить колесам максимальное сцепление с опорной поверхностью. Главное отличие – ABS ограничивает затормаживание колес, а TCS наоборот притормаживает быстро вращающееся колесо.

Устройство и основные компоненты

Traction Control System основывается на элементах антиблокировочной системы. Система предотвращения пробуксовки колес использует электронную блокировку дифференциала, а также систему управления крутящим моментом двигателя. Основные компоненты, необходимые для реализации функций антипробуксовочной системы TCS:

• Насос подачи тормозной жидкости. Этот компонент создает давление в тормозной системе автомобиля.
• Переключающий электромагнитный клапан и электромагнитный клапан высокого давления. Каждое ведущее колесо оснащено такими клапанами. Данные компоненты управляют торможением в пределах заданного контура. Оба клапана являются частью гидравлического блока ABS.
• Блок управления ABS/TCS. Осуществляет управление противопробуксовочной системой с помощью встроенного ПО.
• Блок управления двигателем. Взаимодействует с блоком управления ABS/TCS. Противопробуксовочная система подключает его к работе, если скорость машины более 80 км/ч. Система управления двигателем получает данные от датчиков и посылает управляющие сигналы исполнительным механизмам.
• Датчики частоты вращения колес. Каждое колесо машины оснащено данным датчиком. Сенсоры регистрируют скорость вращения, а после передают сигналы в блок управления ABS/TCS.

Кнопка включения/отключения TCS

Отметим, что водитель может отключить антипробуксовочную систему. Обычно на приборной панели присутствует кнопка «TCS», которая включает/отключает систему. Отключение TCS сопровождается подсвечиванием индикатора «TCS Off» на приборной панели. Если такая кнопка отсутствует, то противопробуксовочную систему можно отключить, вытащив соответствующий предохранитель. Однако делать этого не рекомендуется.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества Traction Control System:

• уверенный старт автомобиля с места на любом дорожном покрытии;
• устойчивость автомобиля при прохождении поворотов;
• безопасность движения в различных погодных условиях (наледь, мокрое полотно, снег);
• снижение износа шин.

Отметим, что в некоторых режимах движения противопробуксовочная система снижает производительность двигателя, а также не дает полностью контролировать поведение автомобиля на дороге.

Применение

Противопробуксовочная система TCS устанавливается на автомобили японской марки «Honda». На машины других автопроизводителей ставятся аналогичные системы, а отличие торговых названий объясняется тем, что каждый автоконцерн независимо от других разрабатывал антипробуксовочную систему под собственные нужды.

Широкое распространение данной системы позволило существенно повысить уровень безопасности автомобиля при движении за счет непрерывного контроля сцепления с дорожной поверхностью и улучшения управляемости при наборе скорости.

Противобуксовочные системы

Наряду с использованием АБС сравнительно недавно на автомобилях стали применять противобуксовочные системы (ПБС), которые при тяговом режиме движения препятствуют пробуксовке ведущих колес автомобиля. ПБС не относятся к тормозному управлению, но, ввиду идентичного принципа работы и использования одних и тех же аппаратов, часто рассматриваются совместно с АБС.

Противобуксовочная система – ПБС

У разных производителей имеет названия:
Automatic Slip Regulation — ASR
Acceleration Slip Regulation – ASR
Anti-Slip Control – ASC
Automatic Traction Control – ATC
Activ Traction Control – A-TRAC
Electronic Traction Control – ETC
System Traction Control – STC
Traction Control System – TCS
Traking Control System – TRACS
Traking Control – TRC

Противобуксовочная система (ПБС) препятствует буксованию колес при разгоне, движении в гору и на скользкой дороге. В случае пробуксовки колеса ПБС подтормаживает его, увеличивая крутящий момент на другом ведущем колесе. Кроме того, система снижает подачу топлива в двигатель уменьшая развиваемую им мощность, что также снижает возможность пробуксовки.

Принцип действия ПБС: FI — тяговая сила (без ПБС);
Fв — тормозная сила;
Fв* — дополнительная тяговая сила;
Fh — суммарная сила тяги

ПБС работает совместно с АБС и позволяет ускорить процесс разгона, а также повысить проходимость на мягких грунтах и скользких дорогах. Принцип действия системы основан на автоматическом подтормаживании буксующего колеса. При этом другое ведущее колесо, находящееся на дорожном покрытии с хорошими сцепными характеристиками, может воспринимать больший крутящий момент. В результате, как и при блокировке дифференциала, увеличивается суммарная сила тяги, автомобиль может трогаться с места и разгоняться с большим ускорением. Кроме того, система при необходимости уменьшает подачу топлива в двигатель и ограничивает общую тяговую силу на ведущих колесах.
К преимуществам ПБС относят:
— увеличение силы тяги и повышение устойчивости автомобиля при троганьи с места, разгоне и движении на скользкой дороге;
увеличение проходимости по мягким грунтам;
уменьшение нагрузок в трансмиссии при резком изменении коэффициента сцепления;
— снижение расхода топлива, особенно в зимних условиях;
— уменьшение износа шин;
— снижение утомляемости водителя.
В настоящее время во всех ПБС для автоматического ограничения буксования колес применяется электроника.

Схема комплексной АБС/ПБС легкового автомобиля:
1 — датчик скорости колеса;
2 — модулятор АБС;
3 — модулятор ПБС;
4 — блок управления АБС;
5 — блок управления ПБС

АБС дополняется модулятором ПБС, который имеет два цилиндра, включенных в гидромагистрали, соединяющие главный тормозной цилиндр через модулятор АБС с колесными цилиндрами. Внутри цилиндров модулятора расположены плавающие поршни с центральными клапанами. Последние соединяют входную и выходную магистрали цилиндра. Поршни управляются посредством трехпозиционных электромагнитных и двухпозиционных дросселирующих клапанов.
При торможении автомобиля жидкость беспрепятственно проходит через цилиндры модулятора к задним колесным цилиндрам.
Во время работы ПБС по команде блока управления на притормаживание одного или обоих ведущих колес электромагнитный клапан переводится в положение, при котором давление из гидронасоса передается в управляющую полость цилиндра модулятора, слева от поршня. Под действием давления жидкости поршень перемещается вправо и перекрывает центральный клапан. Дальнейшее движение поршня приводит к повышению давления в колесных цилиндрах. Выдержка или сброс давления осуществляются по команде электронного блока переводом электромагнитного клапана в соответствующее положение.
Для получения большей точности и плавности регулирования скольжения колес в тяговом режиме в ПБС изменение давления необходимо производить более медленно, чем в АБС. Для этого в модулятор введены дросселирующие клапаны с меньшим проходным сечением, которые срабатывают в начале функционирования ПБС. Рассмотренная конструкция модулятора может применяться отдельно от АБС, для чего автомобиль должен быть дооборудован колесными датчиками угловых скоростей, блоком управления и иметь гидросистему высокого давления.
Регулирование крутящего момента двигателя производится комплексным воздействием на дроссельную заслонку, на системы зажигания и впрыска топлива. Положение дроссельной заслонки может изменяться электромеханическим или электромагнитным устройством. Чаще всего используется электромеханическая система, известная под названием «электронная педаль газа». В этой системе изменение положения педали «газа» с помощью датчика перемещения педали преобразуется в электрический сигнал. В блоке управления данный сигнал преобразуется с учетом ряда заданных переменных и сигналов от других датчиков (температуры, частоты вращения двигателя и т. п.), а затем передается к электродвигателю, который перемещает дроссельную заслонку или рейку топливного насоса (в случае управления дизелем). Сигнал обратной связи о положении заслонки или рейки также поступает в блок управления.
Команды, поступающие от блока управления ПБС, имеют приоритет по отношению к сигналам, поступающим от датчика перемещения педали «газа». Например, если водитель открывает дроссельную заслонку на угол, обеспечивающий подачу к колесам крутящего момента, большего, чем можно реализовать по условиям сцепления, то по команде от блока управления ПБС угол открытия может быть уменьшен до 10° за время 100 мс.
В конце 80-х гг. началось серийное производство противобуксовочных систем для дизельных грузовых автомобилей, автобусов и седельных тягачей, имеющих пневматический тормозной привод. При этом из соображений безопасности считается нецелесообразным обеспечение возможности движения с большими скоростями, при которых нельзя достичь высокой надежности торможения. Поэтому пневматические ПБС отдельно от АБС не изготавливаются и не устанавливаются.
Повышение эффективности ПБС на автомобилях 6×2 с пневмоподвеской может быть достигнуто кратковременным (не более чем на 90 с) увеличением на 30 % нагрузки на ведущую ось вследствие выпуска воздуха из пневмобаллонов подвески поддерживающей оси. Для этого используются соответствующие электроклапаны. Как показали испытания, расход воздуха противобуксовочной системой небольшой и установки дополнительных ресиверов не требуется.

Противобуксовочная система (ПБС/ASR)

Являясь дальнейшим развитием АБС, противобуксовочная (антипробуксовочная/Anti Spin Regulation) система (ПБС), препятствует при разгоне или начале движения транспортного средства пробуксовке ведущих колес вне зависимости от состояния дорожного полотна. При срабатывании системы ПБС, на щитке приборов загорается контрольная лампа системы.

На продукции ОАО «КАМАЗ» ПБС встречается на среднепольных автомобилях КАМАЗ-5297, автомобилях КАМАЗ тяжелого класса и полунизкопольных автобусных шасси КАМАЗ-5297-90 (шасси автобуса «НЕФАЗ»).

Это означает достижение оптимального тягового усилия при одновременном создании боковой силы, противодействующей силам бокового увода.

Противобуксовочная система ПБС построена на основе антиблокировочной системы тормозов. В нее так же может быть электронная блокировка дифференциала. Так же в противобуксовочной системе предусматривается возможность управления мощностью двигателя.

Программное обеспечение системы ПБС выполняется за счет расширения возможностей блока управления АБС.

Принцип работы ПБС.

Система ПБС предупреждает пробуксовку колес во всем диапазоне скоростей автомобиля. Если наблюдалась пробуксовка ведущих колес, то в зависимости от дорожных условий ПБС осуществляет управление тормозным давлением в контуре ведущих колес: на однородном дорожном покрытии управление осуществляется снижением оборотов двигателя, при этом за счет управления тормозным давлением колеса будут вращаться с одинаковой скоростью; на дорожном покрытии с разными коэффициентами трения под ведущими колесами происходит так называемое дифференциальное управление тормозным

давлением, при котором сжатый воздух подается в тормозную камеру пробуксовывающего колеса, а крутящий момент двигателя передается к не вращающемуся колесу.

Уровень давления в тормозной камере пробуксовывающего колеса контролируется соответствующим клапаном ПБС.

Для предотвращения перегрева тормозных механизмов рабочей тормозной системы пороговое значение дифференциального управления тормозным давлением пропорционально увеличивается при скорости автомобиля/автобуса более 35 км/ч так, что пробуксовка ведущих колес регулируется при увеличении скорости благодаря уменьшению оборотов двигателя. Когда скорость автомобиля/автобуса более 50 км/ч, дифференциальное управление тормозным давлением снимается и продолжается уже начатое регулирование оборотов двигателя.

На основании сигналов датчиков угловых скоростей колес блок управления противобуксовочной системы определяет следующие характеристики:

-угловое ускорение ведущих колес;

-скорость движения автомобиля (на основании угловой скорости неведущих колес); -характер движения автомобиля — прямолинейное или криволинейное (на основании сравнения угловых скоростей неведущих колес);

-величину проскальзывания ведущих колес (на основании разницы угловых скоростей ведущих и неведущих колес).

Управление крутящим моментом двигателя может осуществляться:

-за счет изменения положения дроссельной заслонки;

-за счет пропуска впрыскиваний топлива в системе впрыска;

-за счет пропусков импульсов зажигания или изменение угла опережения зажигания в системе зажигания;

-за счет отмены переключения передачи в автомобилях с автоматической коробкой передач.

При срабатывании противобуксовочной системы включается контрольная лампа на панели приборов. Система имеет возможность отключения.

Требуемое уменьшение или распределение крутящего момента осуществляется с помощью функции ПБС — управление двигателем (топливный насос) и/или тормозами ведущих колес. В том случае, если колесо стремится к пробуксовке, срабатывает тормоз для данного колеса. Благодаря этому вследствие воздействия на соседнее колесо той же оси можно будет достигать лучших тяговых усилий. В том случае, если начнут пробуксовывать оба колеса, крутящий момент будет уменьшен.

Путем целенаправленного воздействия на работу двигателя уменьшается крутящий момент ведущего моста. Для этого, устройство управления АБС/ПБС, через интерфейс CAN подает соответствующий сигнал на устройство управления двигателем. Через клапан с электромагнитным управлением осуществляется управляемая подача тормозного давления на модуляторы, которые управляют давлением в тормозном цилиндре буксующего колеса, выполняя при этом, практически, функцию блокировки дифференциала ведущего моста.

Так же, как и блокирующиеся колеса, буксующие колеса тоже могут передавать ограниченные усилия для поддержания боковой устойчивости. Помимо прочего это приводит к значительным потерям тягового усилия. Поэтому ПБС, в случае необходимости при очень сильном нажатии на педаль акселератора, начинает действовать, предотвращая пробуксовку ведущих колес. При работе ПБС ведущие колеса будут управляться в узком диапазоне проскальзывания. Данный диапазон проскальзывания зависит от скорости автомобиля, и он выбирается автоматически блоком управления системы таким образом, чтобы достичь оптимального тягового усилия при одновременном обеспечении боковой устойчивости.

В зависимости от производителя система может иметь следующие названия:

-ASR — Automatic Slip Regulation, Acceleration Slip Regulation;

-АТС — Automatic Traction Control;

-ASC — Anti-Slip Control;

-TCS — Traction Control System;

-TRC — Traking Control;

-TRACS — Traking Control System:

-ETC — Electronic Traction Control;

-STC — System Traction Control;

-A-TRAC — Activ Traction Control.

Блок-схема блока управления систем АБС и ПБС показана на рисунке 5, а алгоритм работы систем АБС и ПБС на рисунке 6.

Рисунок 5. Блок — схема АБС и ПБС

Структурное строение системы АБС.

Система АБС/ПБС состоит из ряда частей:

-блок управления, содержащий в себе два микропроцессора управления, работающие параллельно в дублирующем режиме (то есть при выходе из строя первого процессора (сгорел, зависла программа) в работу вступает вспомогательный второй процессор);

-датчики числа оборотов — сенсорные устройства, предназначенные для снятия показаний угловой скорости вращения колес автомобиля;

-клавиша АБС/ПБС (ABS/ASR) — клавиша для проведения диагностики и переконфигурации системы;

-тахометр — данный контакт блока управления может использоваться для снятия показаний скорости автомобиля с тахометра;

-электрический исполнительный элемент двигателя;

-диагностика — модуль блока управления, предназначенный для самодиагностики системы, самопараметрирования, а так же для проведения диагностики с помощью блинк-кодов и внешними диагностическими устройствами;

-клапан ПБС управления двигателем — управляющий клапан снижения уровня подачи топлива при торможении автомобиля с помощью функции ПБС;

-модуляторы АБС — пневматические клапана, предназначенные для управления подачи и отсечки питающего давления (воздух, жидкость) на тормозные агрегаты автомобиля;

-лампа ПБС, лампа аварийная, реле АБС — компоненты участвующие непосредственно в диагностировании системы с помощью блинк-кодов (через них происходит непосредственная сигнализация об ошибках системы).

Алгоритм работы АБС и ПБС.

В период работы, блок управления опрашивает датчики скорости на предмет вычисления угловой скорости (вычисление скорости колеса) и ускорения колес (вычисление ускорения колеса). Измеренные блоком управления данные программным способом сравниваются с эталонными показателями блока управления (вычисление скорости для сопоставления и вычисление проскальзывания), после чего происходит вычисление скорости/проскальзывания колеса и посылаются управляющие сигналы на исполнительные механизмы (решение АБС/ПБС — задающее устройство для клапана). Цикл контроля и управления повторяется бесконечно на всем протяжении работы систем АБС и ПБС.

3.2.1. Тяговый режим ПБС

При движении по глубокому снегу или схожих условиях тяговое усилие может быть увеличено активизацией специального режима работы ПБС. Соединением переключателя тягового режима с «минусом» аккумулятора на время не менее 150 мс электронный блок АБС /ПБС переводится в режим работы ПБС с другими пороговыми значениями регулирования, который позволяет большую пробуксовку ведущих колес. Как альтернатива возможно применение обычной кнопки для переключения режимов работы ПБС, если была сделана установка соответствующих параметров в электронном блоке. При данном режиме работы лампа ПБС медленно мигает для информирования водителя о работе ПБС в тяговом режиме и возможном уменьшении управляемости транспортного средства.

3.2.2. Тормозной контур ПБС (контроллер тормозов)

Обычно, при отличающемся коэффициенте сцепления слева и справа пробуксовывает только то ведущее колесо, у которого коэффициент сцепления наименьший. Если такое происходит, то приводного момента часто недостаточно, чтобы сдвинуть автомобиль с места. В этом случае включается контроллер тормозов и тормозит буксующее ведущее колесо. Для этого клапан ПБС подает воздух, который через перепускной клапан поступает в тормозную магистраль ведущей оси. Модуляторы АБС дозируют подачу воздуха в тормозные цилиндры так, чтобы оба ведущих колеса вращались практически с одной скоростью.

Тормозной момент действует на ведущие колеса с большим коэффициентом сцепления, поэтому контроллер тормозов ПБС действует как автоматически блокируемый дифференциал.

Контроллер тормозов получает скорость ведущего колеса на вышеупомянутой оси как переменную базовую скорость. Пусковые сигналы для магнитных клапанов (клапана ПБС и модуляторов АБС) рассчитываются из скоростей колес и начальной переменной следующим образом:

Магнитный клапан ПБС.

Если ведущее колесо превышает допустимый порог проскальзывания по сравнению с другим колесом, магнитный клапан ПБС приводится в действие. Затем от модуляторов АБС давление воздуха подается к исполнительным тормозным механизмам ведущих колес. Когда время, необходимое для торможения проходит, то магнитный клапан ПБС отключается, и тормозные цилиндры сбрасывают давление воздуха.

Как и при АБС регулировании время нагнетания, стабилизации и сброса давления вычисляются из скоростей колес и текущей базовой скорости. По существу это время зависит от проскальзывания, ускорения и замедления. Параметры управления непрерывно адаптируются.

Рисунок 6. Блок — схема работы АБС и ПБС

Модулятор АБС ведущего, не буксующего колеса переключается между режимами «сброс» и «стабилизация» давления, предотвращая пробуксовывание колеса. Порядок переключения «сброс» — «стабилизация «необходим, чтобы впускной и выпускной клапан не

приводился в действие постоянно через полный период управления регулятором тормозов и клапан не подвергался тепловой нагрузке больше, чем это необходимо.

3.2.3. Контур ПБС управления двигателем (контроллер двигателя)

Если оба ведущих колеса пробуксовывают с одинаковой скоростью, то контроллер двигателя переходит в режим уменьшения крутящего момента двигателя, пока средняя скорость ведущих колес лежит выше средней скорости передней, не ведущей оси с допустимым уровнем проскальзывания. Для этого контроллер двигателя ПБС выбирает среднюю скорость передних, не ведущих колес как переменную базовую скорость. Блок управления получает разницу между средней скоростью передних колес и ведущей осью как отклонение системы.

Необходимое уменьшение крутящего момента двигателя определяется адаптивным, нелинейным контроллером интегрального действия. Требуемое уменьшение момента поступает в БУ двигателя. В зависимости от установленного в автомобиле оборудования возможны следующие варианты соединения:

-Через SAE J1939;

-Через PWM интерфейс БУ двигателя.

О работе АБС информирует мигание аварийной лампы, а о работе ПБС — лампа ПБС.

При использовании реле ПБС функциональные возможности ПБС могут быть расширены (например, подъем подъемных осей при недостаточном тяговом усилии на ведущей оси).

3.2.4. Электронная блокировка дифференциала (EDS)

Электронная блокировка дифференциала (Elektronische Differenzialsperre, EDS) предназначена для помощи автомобилю при начале движения и разгоне на скользкой дороге.

Система EDS срабатывает при проскальзывании одного из колёс. Она подтормаживает скользящее колесо, при этом крутящий момент, передаваемый к колесу, увеличивается. Система работает в диапазоне скоростей от 0 до 80 км/ч.

Система EDS является программным расширением антиблокировочной системы тормозов. В отличие от системы ABS система электронной блокировки дифференциала может самостоятельно создавать давление в тормозной системе. Для этого в гидравлический (пневматический) блок ABS включены дополнительные клапаны и насос обратной подачи.

Принцип работы электронной блокировки дифференциала.

На основании сравнения сигналов, поступающих от датчиков угловых скоростей колёс, блок управления определяет проскальзывание одного из ведущих колёс. Для передачи крутящего момента электронная блокировка дифференциала подтормаживает прокручивающееся колесо.

Управление давлением в системе EDS осуществляется по трём фазам:

На основании сигналов датчиков угловых скоростей колёс, блок управления закрывает переключающий клапан и открывает клапан высокого давления. Для создания давления включается насос обратной подачи. По мере увеличения давления в системе подтормаживается необходимое колесо.

Удержание давления в контуре соответствующего колеса осуществляется при закрытом переключающем клапане и отключенном насосе.

Сбос давления осуществляется за счет открытия впускного и переключающего клапанов.