گزارش کاراموزی بررسی جامع تاریخچه ترمز ضد قفل (ABS)

دسته بندي : فنی و مهندسی » مکانیک
گزارش کاراموزي بررسي جامع تاريخچه ترمز ضد قفل (ABS) در 300 صفحه ورد قابل ويرايش


بسم الله الرحمن الرحيم

مقدمه و تاريخچه :

امروزه در صنعت اتومبيل سازي حفظ ايمني سرنشينان خودرو فوق العاده مورد توجه قرار گرفته است . با توجه به اينكه سيستم ترمز مهمترين بخش ايمني خودرو محسوب مي گردد ، در چند ساله اخير پيشرفتهاي زيادي در اين زمينه انجام گرفته است . جديدترين اين پيشرفتها پيدايش سيستم ترمز ضد قفل ABS مي باشد . در اين پروژه هدف آن است كه اين نسل از ترمزها مورد بررسي قرار گيرد تا ان شاءالله زمينه اي براي ورود اين تكنولوژي به ايران فراهم شود . اين ترمزها به سبب پيچيدگي مكانيزمشان هنوز مورد توجه طراحان داخلي قرار نگرفته است كه يكي از دلايل آن عدم اطلاعات كافي و عدم آشنائي با اين سيستم مي باشد . اميد است اين پروژه مقدمه اي براي قدمهاي بعدي در راه ساخت و طراحي اين تكنولوژي در ايران باشد . (ان شاءالله)

در اين پروژه ابتدا تاريخچه اي از پيدايش ترمزها ارائه خواهد شد . در فصل اول به بررسي سيستم ترمز معمولي شامل كاسه اي و ديسكي و ساير اجزاي جانبي آن مي پردازيم .

در فصل دوم سيستم ترمز پنوماتيكي مورد بررسي قرار مي گيرد و سپس در فصل سوم و سيستم ترمز ضد قفل ABS مقايسه اي بين فصول اول و دوم خواهيم داشت تا برتريها و معايب هركدام نسبت به يكديگر مشخص شود ود در فصول بعدي مطالب مربوط به طراحي و محاسبه نيروهاي لازم آورده خواهد شد . نخست تاريخچه اي از پيدايش ترمزهاي اوليه تا كنون بيان مي كنيم :

اولين موتور احتراقي در سال 1885 بوسيله بنز ساخته شد . توقف اين اتومبيل بوسيله يك لقمه ترمز بر روي محور دنده هرزگرد انجام مي گرفت . بعدها كه اتومبيل تكميل شد و سرعت آن افزايش يافت و از لحاظ وزن سنگين تر شد ، ترمزهاي مخصوصي براي آن طرح ريزي شد .

تا سال 1900 ترمز دستي شامل ترمز ساده اي كه مستقيماً با سطح لاستيكهاي توپر اصطكاك پيدا مي كرد استفاده مي شد. اما از اين سال به بعد ترمزي ابداع شد كه توسط پدال عمل مي كرد و عبارت از يك نوار فلزي بود كه در خارج بر روي چرخ دندانه دار محور محرك عقب نصب شده بود و بصورت استوانه اي آن را احاطه مي كرد .

در همين سال لنكستر(Lanchester) ترمز و كلاچ را در يك مجموعه مخروطي شكل متشكل كرد و در اولين ماشين ساخت انگلستان بكار گرفت .

در سال 1905 ، انتقال حركت بوسيله چرخ دنده و محور جاي انتقال حركت توسط زنجير يا تسمه را گرفت و عموميت پيدا كرد و بيشتر اتومبيلها با پدالي كه انتقال حركت را به ترمز تأمين مي كرد مجهز شده بودند .

در سال 1910 ميلادي ترمزهاي بيشتر ماشينهاي امريكائي روي چرخهاي عقب تأثير مي كرد . در اين سالها بسياري از عوامل مربوط به ترمز، مانند اهميت چسبندگي لاستيك به جاده اثرات چرخ قفل شده و غيره بخوبي شناخته شده بود و اين مطلب محقق شده بود كه جهت اعمال ترمز صحيح هر چهار چرخ بايستي ترمز شود ، و كوشش و اثر ترمز با نسبتي متناسب بين چرخ جلو و چرخ عقب سهيم باشد . با ترمز شدن چهارچرخ است كه بدون خطر ليز خوردن ماشين ، فاصله توقف به نصف تقليل مي يابد . سالها طول كشيد تا موضوع ترمز چهارچرخ مورد قبول عموم قرار گرفت . شكل عمده اين بود كه آرايشي براي ترمز ترتيب داده شود كه با تشكيلات و اتصالات فرمان و چرخهاي جلو و بطور كلي با تشكيلات سيستم فرمان و هدايت ماشين تداخل پيدا نكند .

در فاصله دو جنگ جهاني اول و دوم ، احتياج به ترمز تا حدودي بيشتر احساس شد . چون سرعت ماشين ها رو به افزايش رفت همچنين بر تراكم ترافيك نيز افزوده شد .

نظر به اينكه رانندگان به ترمز قوي احتياج داشتند و از طرفي ترمز قوي در چرخهاي عقب ، موجب سرخوردن ماشين مي شد ، فشار زيادي به طراحان ترمز وارد مي آمد تا ترمز چرخهاي جلو را تكميل كنند . در نتيجه ، بعد از گذشت ده سال از جنگ اول ، استعمال ترمز در هر چهار چرخ ، عموميت پيدا كرد . ظهور ترمز در چرخهاي جلو ، پس از جنگ ابتدا در خودروهاي بزرگ و گرانقيمت مانند هيسپانو ـ سوئيزا و هاچيكس(Hotchikss) و سپس درخودروهاي سبك و ارزان قيمت صورت پذيرفت . ساده ترين راه براي اعمال ترمز جلو استفاده از سيستم هيدروليك بود . ولي در طي ساليان متمادي اكثريت خودروها از سيستم مكانيكي استفاده مي كردند تا اينكه مزاياي هيدروليك براي همه روشن شد . چرخهاي اتومبيل بدون احتياج به دنده اي پيچيده ترمز مي شدند . جبران سائيدگي لنتها بطور خودكار صورت مي گرفت و تلفات اصطكاك بمراتب كمتر از سيستم مكانيكي بود .

در سال 1911 ، اتومبيلي با ترمزهاي هيدروليكي براي چهارچرخ به نمايش گذاشته شد . اما در آن ترديدهائي وجود داشت بنابراين بصورت ابداعي باقي ماند . چندي بعد شخصي بنام M-Loughead سيستمي عملي اختراع كرد كه در سال 1917 به ثبت رسيد .

در كشور انگلستان در سال 1924 ، ابتدا ترمز لاك هيد هيدروليك در ماشينهاي «بين»(Bean) بكار برده شد .

در سال 1924 ترمزهاي مكانيكي از چرخهاي جلو برداشته شد و در 1925 نيز از چرخهاي عقب حذف شد و جاي خود را به ترمزهاي هيدروليك واگذار كرد .

نظر به اينكه براي ترمزهاي ماشينهاي سنگين به نيروي زيادي احتياج بود بنابراين سرووهاي مختلف طراحي شدند . در سال 1924 ، دواندر (Dewandre) دستگاه سرووئي ساخت كه براي بكار انداختن آن از خاصيت خلأ استفاده شده بود .

دهه 1930 ، ظهور متخصصيني را به خود ديد كه سردسته آنها در ساخت ترمزهاي مكانيكي ، بنديكس و گيرلينگ بودند ، و در ساخت ترمزهاي هيدروليك ، لاك هيد بود .

در طول دهه 1930 ، بتدريج هيدروليك جاي ترمز مكانيكي را گرفت ظرف مدت ده سال تلاش براي توسعه ترمز هيدروليك شدت يافت بخصوص هنگامي كه تعليقات مستقلي براي ترمز جلو بكار رفت . در سال 1935 ، بعضي از مدلهاي ساخت انگلستان داراي دو سيلندر اصلي پشت سرهم شد . در اين سيستم ، يك قسمت از سيلندر اصلي ، ترمزهاي جلو را بكار مي انداخت و قسمت ديگر از طريق خط كاملاً مجزاي ديگري ، ترمزهاي عقب را .

بعد از سال 1930 ، چندين سال ، مكانيسم ترمز بدون تغيير باقي ماند و عملاً تمام ترمزها از نوع پرويا بنديكس ـ پرو بودند .

در سال 1948 ، گيرلينگ اولين سيستم ترمز هيدروليك و ترمزهاي اتومبيل را ارائه كرد و چند سالي هم توليد ترمزهاي هيدرواستاتيك ادامه يافت . در اين نوع ترمز ، فاصله اي بين كاسه و لنت وجود داشت و بوسيلة فنرهائي آنها را در حد تماس نگاه مي داشتند تا از تكان خوردن و صداي آن جلوگيري بعمل آيد .

در اواسط دهه 1950 ، در وضع عمومي ترمزها تغيير عظيمي صورت گرفت . زيرا در اين هنگام آغاز جايگزيني ترمز ديسكي بجاي ترمز استوانه اي بود .

در اين سال در آمريكا ، شركت كرايسلر ترمزهاي ديسكي « خود نيروزا » و « خود تنظيم ساز » و« نوع صفحه اي » را در ماشينهاي نوع « كراون امپريال »(Crown Imperial) خود نصب كرد كه بعنوان يك ترمز اضافي و اختياري بكار مي رفت . در انگلستان نيز در سال 1925 ترمز ديسكي دانلوپ در ماشينهاي جگوار كورسي بكار رفت . امروزه تمام اتومبيلهاي انگليسي ، به استثناي ماشينهاي سبك كه حداقل در چرخهاي جلو ترمز ديسكي دارند ، در تمام چرخها ، از ترمز ديسكي استفاده مي كنند.

از تاريخي كه ترمز كاسه اي ساخته شد تا مدت سي سال ، يا زماني در همين حدود ، رسم براين بود كه كاسه ترمز را از فولاد پرس شده مي ساختند . در آن زمان ، سرعت اتومبيل كم بود و مشكلات حرارتي وجود نداشت ولي هنگامي كه سرعت ماشينها زياد شد ، حرارت زيادي در كاسه پديد مي آمد و باعث مي شد فولاد مقداري از سختي و سفتي خود را از دست بدهد و كاسه معيوب شود . بدين منظور از چدن استفاده شد .

مواد اصطكاك زا در بدو امر ، براي ايجاد اصطكاك در ترمزهاي اتومبيل ، از قطعه اي چوب يا فلز و يا چرم و يا پارچه استفاده مي شد كه با دوره چرخ يا با لاستيك اصطكاك حاصل مي كرد .

در سال 1901 ، هربرت فرود(Herbert Frood) مواد اصطكاك زائي را به ثبت رساند . اين مواد با فولاد اصطكاك داشتند يا با لاستيك . در حالت اول از اشباع الياف نخي با لاستيك تهيه مي شدند و در حالت دوم از اشباع الياف نخي با مواد مومي . در سال 1914 ، مصرف لنت ترمز فرود ، توسعه پيدا كرد . در سال 1930 ، فرود به صمغهاي تعديل كننده حرارت توجه كرد و سپس ، انتهاي قالب ريزي شده را بجاي لنتهاي بافته شده بكار برد .

بدين ترتيب تاريخ ترمز اتومبيل سير منظمي را طي كرد تا به شكل امروزي در آمد .

Anti - lock Braking system روي خودروهاي سنگين مجهز به ترمز بادي بصورت انتخابي نصب مي شود اين سيستم در سال 1952 در شركت DUNLOP با نصب Maxaret روي هواپيما آغاز شد در سال 1972 در انگلستان براي اولين بار jensen intercepter و بعد شركتهاي آمريكايي ford براي خودرو سال 69 بصورت تك كاناله و بوستردار طراحي كردند . سيستمخلايي 3 كاناله روي چهار چرخ در سال 1971 با همكاري دوشركت Bendix و Chrysler ساخته شد . اولين خودرو چهارچرخ ABS دار از 1976 تا 1982 از روي برخي خودروهاي جنرال موتور مجاز شدند اشكال سيستم هاي الكترونيكي قابليت اعتماد كم آنها بود . كه با توسعه منابع انرژي فشار بالا وبكارگيري اكومولاتور مطرح شد .بنابراين مدار كنترل الكترونيكي بر اساس پاسخ سنسوري كار مي كند و نسبت به منابع خلايي محدوديت كاربرد دارد و قيمت آن بالا است . بعد از آن اداره ملي ايمني بزرگراهها و حمل و نقل آمريكا NHTSA روي خودرو سنگين ABS بادي را نصب كرد كه اشكالاتي بوجود مي آمد . سنسورها 41%، سوپايها 16% ، كامپيوتر 8% ، نصب غلط 3% ، اتصالات الكترونيكي 1% و تداخل امواج الكترومغناطيس 50% .

در نيمه اول دهه 70 در اروپا سيستم هاي الكترونيكي ترمزها ديجيتالي شدند اين تغيير كه نتيجه تبديل تحليلهاي آنالوگ به ميكروپروسسور و مدارهاي مجتمع IC (Integrated Circuits) بود . كه در سال 1979 روي سواري مرسدس با سيستم ترمز بوش به كار رفت كه روي چهار چرخ به همراه بوستر خلايي يا هيدروليكي بود .

BMW و ژاپنيها اين راه را ادامه دادند ABS بوش در 1986 روي كاديلاك نصب شد. و روي فورد در آلمان سال 1985 بكار رفت در 1991 سازندگان اتومبيل اين سيستم را روي يك سوم خودروها پيشنهاد كردند . تويوتا 40% ، نيسان 44% ،هندا50% ، مزدا25%، ميتسوبيشي 27% كرايسلر 18% ، GM 33% ، فورد 13% تا سال 1992 15 درصد خودروها مجهز به ABS بودند . دليل عدم استفاده ABS روي خودروهاي كوچك قيمت بالا 800 تا 1300 دلار بود . GM ، ABS موثر (ABS-VI) رابا قيمت 350 دلاري روي ماشينهاي 91 خود بكار برد . نرخ تصادفات ماشينهاي سنگين پائين آمد و آمار تصادفات بامرسدس 6% تا 10% كاهش يافت .

اين سيستم ابتدا توسط روبرت بوش اختصار (Unti - Blockier Schutz)ABS را پيدا كرد كه با اندازه گيري سرعت زاويه اي چرخ ، ساير پارامترهاي ديناميكي را محاسبه كرده و باشروط منطقي لغزش تاير ، قفل شدن چرخها در اثر ترمزگيري را پيش بيني مي كند . واحد كنترل الكترونيكي با فرستادن سيگنالي به تعديل گر هيدروليكي (قلب سيستم) فرمان كاهش فشار ترمزي را صادر مي كند . اين روند ادامه مي يابد تا باز فرمان افزايش فشار جهت ترمزگيري صادر شود . اين كار چند بار تكرار مي شود . مغز سيستم واحد كنترل الكترونيكي است . اين قسمت فرمان دريافتي از سنسور چرخها يا ديفرانسيل (براي سيستم كنترل دوكاناله) را دريافت كرده و پس از پردازش ، دستور مناسب را صادر مي كند . موتور الكتريكي مرتبط با واحد كنترل با فرمان گيري از اين قسمت ، تعديل فشار ترمزي را انجام مي دهد مدل تاير نيز مطرح شده است . ماهيت غيرخطي سيستم به علت ترم هايي مثل حاصلضرب سرعت خطي خودرو در لغزش تاير ، ممان اينرسي انتقال يافته به چرخها و ضريب اصطكاك جاده اي مي باشد.

روش مدلغزشي Sliding Mode كه از روشهاي مقاوم در سيستم هاي ساختار متغير است به عنوان منطق كنترل غيرخطي سيستم قرار گرفت . انگيزه اصلي اين تحقيق از آنجا شروع شد كه ضعف روش خطي و خطاي حاصله نظير حساسيت پارامتري وپيشرفت نرم افزاري مشهود شد . در سال 1981 روشهاي دامنه فركانسي همچون توابع توصيفي Describing Function با پسخورانده هاي خطي روي ABS ارزيابي شد . كار Fling ادامه يافت ودر سال 1990 روشي موسوم به مرز مزدوج Conjuhate Boundary توسط Yeh پيشنهاد شد . مدل تاير (مشخصه ضريب اصطكاك طولي بالغزش تاير) اعمال در ديناميك غيرخطي سيستم ، همان مدل ايده‌آل يا قطه اي خطي بود . در اين كار مفاهيم جديد تعادل گشتاور ترمزي و مرزهاي مزدوج جهت تحليل ناپايداري سيكلهاي حدي بكار رفت . روش غيرخطي مد لغزشي براي اولين بار در 1994 مطرح شد . خطاهاي ناشي از مدلساطي و اختشاشات خارجي مثل سطح ناصاف جاده، تحريك هاي سيستم تعليق و فرمان ، استفاده از روش غيرخطي مقاوم را مورد توجه قرار دارد در سال 1995 بهروز شريفي روش مدلغزشي بهينه را براي كنترل ABS بكار برد . Drakunov از روسيه نيروهاي اصطكاكي جاده اي را به عنوان نيروهاي خارجي سيستم در نظر گرفت و سيستم را تحليل كرد . روش غيرخطي به دليل پيچيدگي حجم پروسس نرم افزاري بسياري رامي طلبند و روش مد لغزشي به علت شرطي بودن نياز به تحليل مساله در فاصله زماني كوتاه دارد .





19ـ1ـ خطوط ترمز : (Brake Lines)

لوله فولادي بين سيلندر اصلي و بدنه اتصالات و بين اكسل عقب (ياtee ) و سيلندرهاي چرخ عقب بكار مي رود . لوله هاي لاستيكي قابل انعطاف لوله ترمز را به سيلندرهاي چرخ جلو و طبق اكسل عقب متصل مي سازد اگر قسمتي از لوله يا شيلنگ صدمه ببيند ، مطمئناً بايد لوله مناسب يا شيلنگي كه توسط كارخانه سازنده معين شده است ، تعويض گردد . زماني كه اين خطوط احتياج به مقاومت در برابر فشار نسبتاً زيادي داشته باشند ، بطور مخصوصي ساخته مي شوند . معمولاً لوله هاي مسي چندان رضايتبخش نيستند . لوله هاي فولادي ، بايستي بصورت دو دهانه اي ( دهانه شيپوري) باشند .

24ـ1ـ انواع ترمزهاي پرقدرت كه بكمك خلأ بكار مي افتند .

اين ترمزها مي توانند به دو دسته تقسيم شوند . الف: معلق شده بوسيله هوا ب: معلق شده بوسيله خلأ . در نوع معلق شده توسط خلأ ، خلأ مينفولد ورودي براي دو طرف پيستون يا ديافراگم بكار مي رود .

براي ترمز كردن ، فشار اتمسفر به يك طرف پيستون يا ديافراگم راه مي يابد . اختلاف فشار سبب مي شود كه پيستون يا ديافراگم براي عمل ترمز ، حركت كند . اكثر سيستمهاي ترمزهاي پر قدرت اتومبيل از اين نوع هستند .

در نوع معلق شده بوسيله فشار اتمسفري ، فشار اتمسفر به هر دو طرف ديافراگم يا پيستون اعمال مي شود . جهت عمل ترمز گيري يكطرف ديافراگم بايد به منبع خلأ كه همان منيفولد ورودي است متصل شود . اين نوع ترمزها در صورت خاموش بودن موتور عمل نمي كنند ، مگر اينكه يك ذخيره كننده خلأ وجود داشته باشد . در بعضي ازاين سيستمها يك تانك كوچك خلأ بكار رفته است كه پس از خاموش شدن موتور ، خلأ جهت چندين بار ترمز گرفتن را تأمين خواهد كرد .

ترمزهاي پر قدرت كه توسط خلأ كار مي كنند به سه دسته تقسيم مي شوند : نوع كامل ، نوع افزاينده و نوع كمكي .



1ـ نوع كامل Integral : يك سيلندر اصلي ترمز دارد كه بهمجموعه ترمز پر قدرت وصل است وقتي پدال ترمز عمل مي كند ، باعث مي شود كه يك سوپاپ در مجموعه ترمز پر قدرت بكار بيفتد . در اين صورت فشار اتمسفر به يك طرف پيستون يا ديافراگم و خلأ را به يك طرف ديگر راه مي دهد . اين عمل سبب مي شود كه پيستون يا ديافراگم حركت كند و اين حركت به پيستون نيرو وارد مي كند . تا در سيلندر اصلي حركت نمايد . بنابراين ترمز گرفته خواهد شد . اكثر اتوبوسهاي سواري و كاميونهاي سبك از اين نوع سيستم استفاده مي كنند .



2ـ نوع افزاينده Multiplier : سيستم ترمز پر قدرت نوع افزاينده (شكل 34ـ1) فشار فراهم شده توسط سيلندر اصلي را افزايش مي دهد . فشار از سيلندر اصلي ، از ميان يك تيوب به دستگاه ترمز افزاينده راهنمائي مي شود . اين دستگاه فشار سيال ترمز را به يك سوپاپ اعمال مي كند . بدين ترتيب سوپاپ باعث مي شود تا فشار اتمسفر به يك طرف پيستون يا ديافراگم و خلأ به طرف ديگر هدايت شود . پيستون يا ديافراگم در اثر نيرو حركت مي كنند و اين حركت سبب مي شود كه پيستون در داخل سيلندر هيدروليكي كه قسمتي از دستگاه افزاينده است حركت كند .