Onderwerpen:
- Geschiedenis
- Doel
- Werking
- Toerentalsensoren
- Hydroaggregaat
- Hydraulisch circuit
- ABS regelcyclus
- Regelprincipes om µ-split te voorkomen
- Metingen van een voertuig met en zonder ABS
Geschiedenis:
ABS (een afkorting van Anti Blokkeer Systeem) Al in 1961 experimenteerde bandfabrikant Dunlop succesvol met ABS op de Ferguson P99 Formule 1-racewagen. Dat is ongeveer veertien jaar voordat iets dergelijks op ‘normale’ auto’s werd geïntroduceerd. Tegenwoordig zijn alle nieuwe auto’s met ABS uitgevoerd.
Doel:
Het doel van ABS is het benutten van de maximale hechting tussen band en wegdek tijdens het rijden. Daarbij zorgt de ABS er ook voor dat de rijstabiliteit behouden blijft. Hieronder vallen:
- De stuurstabiliteit: wanneer de ABS in werking treedt, blijft het voertuig bestuurbaar. Bij een slippend wiel glijdt het voertuig namelijk in een richting door en zullen de stuurbewegingen niet overgebracht kunnen worden op het wegdek.
- De koersstabiliteit: bij een blokkerend wiel kan het voertuig een andere koers aannemen. Een blokkerend achterwiel kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat het voertuig om zijn as heen draait waardoor het voertuig achterstevoren op de weg komt te staan.
Werking:
Het remsysteem is verantwoordelijk voor het afremmen van de wielen. Het wiel mag in geen enkel geval blokkeren, want dan verliest deze de grip met het wegdek. Het wiel glijdt dan over het asfalt, waardoor er ook geen stuurbewegingen meer kunnen worden overgebracht. Het voertuig is in dat geval onbestuurbaar. Het ABS-systeem voorkomt het blokkeren van het wiel.
Op het moment dat het wiel dreigt te blokkeren, zorgt het ABS-systeem dat de remdruk (de remvloeistofdruk op de wielremcilinders) op het betreffende wiel verminderd wordt. Het maakt op dat moment niet uit hoe hard er met de voet op het rempedaal geduwd wordt. Het ABS-systeem regelt de remdruk af zodat het wiel niet gaat slippen. Op een bepaald moment gaat het ABS-systeem de druk weer trapsgewijs opbouwen, want het wiel moet natuurlijk wel maximaal afgeremd worden. Dit gebeurt net zo lang todat de slipgrens weer bereikt wordt; daarna wordt de druk weer afgenomen. Dit proces duurt enkele milliseconden. In het rempedaal is dan een trilling voelbaar. Vaak is de ABS-pomp dan ook hoorbaar.
In de onderstaande afbeelding staat een overzicht van de componenten van het ABS-systeem.
In de bovenstaande afbeelding zijn twee rode leidingen afgebeeld. Deze lopen vanaf de hoofdremcilinder naar de hydroaggregaat. Hydroaggregaat is een ander woord voor de ABS-pomp. De twee rode leidingen hebben te maken met het gescheiden remsysteem; linksvoor met rechtsachter en rechtsvoor met linksachter. Mocht er bijvoorbeeld een lekkage aanwezig zijn bij het linker voorwiel waardoor alle remvloeistof weg is gelekt, dan kan er nog steeds geremd worden met het andere remcircuit. Vanaf de hydroaggregaat lopen er oranje leidingen naar alle wielen. In de hydroaggregaat kan per wiel de remkracht afgeregeld worden.
Bij elk wiel zit een toerentalsensor gemonteerd. Daarmee kan continu de snelheid van alle vier de wielen worden gecontroleerd. De blauwe lijnen zijn signaaldraden die verbonden zijn met de toerentalsensor. Vanaf elk wiel loopt er een signaaldraad naar het regelapparaat. Ook de signalen van het rempedaal en van de hydroaggregaat gaan naar het regelapparaat. Bij de afgebeelde auto zit deze onder de stoel, in het interieur van de auto. Tegenwoordig zie je steeds vaker dat het regelapparaat aan de hydroaggregaat vast zit. Het is dan één geheel. Mocht er een storing in het systeem aanwezig zijn, bijvoorbeeld door een defecte of vervuilde sensor, defecte kabel of een defect aan de hydroaggregaat, dan gaat er in het instrumentenpaneel een storingslampje branden. De storing kan dan met diagnoseapparatuur worden uitgelezen.
Toerentalsensoren:
In de onderstaande afbeelding is de inductieve toerentalsensor in gemonteerde toestand zichtbaar. Dit is een foto van een McPherson veerpoot van de voorwielophanging. Ook is hier de tandkrans te zien, waar de sensor het toerental van meet.
Een ABS-sensor kan zijn uitgevoerd als inductieve sensor (zie bovenstaande afbeelding), of als magneto-resistieve sensor (MRE-sensor), oftewel een Hall-sensor (zie afbeelding rechts). De werking van deze sensor wordt op de pagina Hall-sensor beschreven. De laatst genoemde sensor wordt toegepast bij de ABS-magneetring die in het wiellager verwerkt zit.
De signalen van de inductieve- en Hall-sensoren kunnen met de oscillscoop worden gemeten. Voorbeelden van deze metingen staan hieronder weergeven en beschreven.
Inductieve toerentalsensor:
De inductieve toerentalsensor bestaat uit een permanente magneet waar een spoel omheen zit. De magnetische veldsterkte verandert wanneer er een tand van de ring met tanden (dat aan de aandrijfas bevestigd is) zich door het magnetisch veld van de permanente magneet beweegt. De verandering van het magnetisch veld zorgt ervoor dat in de spoel een spanning wordt opgewekt. Iedere periode in het toerentalsignaal komt overeen met het passeren van een tand langs de sensor. De hoeveelheid aanwezige tanden op de ring en de draaisnelheid van de aandrijfas zorgen voor de frequentie en de amplitude van het signaal.
Hall-sensor:
Ook bij de magneto-resistieve sensor (MRE-sensor), oftewel de Hall-sensor, beweegt er een metalen ring met magneten langs de sensor. De magneetring bevindt zich op de aandrijfas of in het wiellager. De frequentie van de blokspanning is afhankelijk van de draaisnelheid en het aantal tanden van de metalen ring. De amplitude (de hoogte van het signaal) blijft gelijk.
MRE-sensoren hebben een voedingsspanning nodig om te kunnen werken. Toch hebben deze sensoren vaak maar twee draden (en dus twee aansluitingen). De sensor stuurt het signaal via de minkabel naar het ABS-regelapparaat. Het signaal wordt gevormd doordat de elektrische weerstand van de halfgeleiderplaatjes verandert wanneer deze aan een wisselend magnetisch veld bloot staan.
De signalen van de toerentalsensoren worden doorgegeven aan het ABS-regelapparaat. De signalen van vier wielen worden met elkaar vergeleken. Op het moment dat het voertuig door een bocht rijdt, zal het toerental van de wielen in de binnenbocht lager zijn dan van de wielen in de buitenbocht. Dit wordt gemeten, maar valt uiteraard ruim binnen de marges.
Wanneer de toerentallen teveel van elkaar verschillen tijdens het remmen, zal het ABS-regelapparaat zorgen dat de hydroaggregaat de remdruk op het desbetreffende (te hard remmende) wiel verlaagd zal worden. Bij teveel toerentalverschil tijdens het accelereren zal het motorvermogen abrupt verlaagd worden door het motormanagementsysteem.
Bij storingen aan het ABS-systeem kunnen de signalen met de oscilloscoop gemeten worden. Deze kunnen bij het wiel gemeten worden, maar ook bij het regelapparaat. Door bij het wiel te meten kan gecontroleerd worden of de ABS-sensoren goed werken. Wanneer er bij het regelapparaat gemeten wordt, kan uitgesloten worden of defecte bedrading de oorzaak van de storing is.
Tijdens de meting kan worden gecontroleerd of dat de frequentie en amplitude bij de inductieve sensor correct zijn. Bij de Hall-sensor kan er gecontroleerd worden of de frequentie van het signaal correct is tijdens het draaien van het wiel. Draai het wiel daarvoor volledige rotaties, zodat eventuele defecten aan de tanden snel herkend kunnen worden. Bij beschadigde tanden zal er een afwijking in de zuiverheid van de sensorsignalen zichtbaar zijn (denk daarbij aan een frequentie die bij elke rotatie breder is dan dat de bedoeling is).
Hydroaggregaat:
De afbeelding linksonder toont een hydroaggregaat met een ingebouwd regelapparaat. Dat is o.a. te zien aan de grote hoeveelheid pinnen in de stekkeraansluiting.
Ook zijn hier de aansluitingen van de leidingen vanaf de hoofdremcilinder en naar de wielen zichtbaar. De gescheiden remcircuits (linksvoor met rechtsachter en rechtsvoor met linksachter) zijn verwerkt in deze pompunit.
Wanneer we de hydroaggregaat uit elkaar halen, is het kleppenblok te zien. De afbeelding rechtsonder toont de binnenzijde van de hydroaggregaat.
Hydraulisch circuit:
In het onderstaande hydraulische schema zijn de componenten ín en om de hydroaggregaat zichtbaar. Om de werking, onderdelen en symbolen te begrijpen, kan de pagina basisprincipes hydrauliek worden geraadpleegd.
Het onderstaande schema is voor één wiel getekend. De nummers 5, 6 en 9 zitten intern. Een ander wiel gebruikt, op de 2/2 kleppen (6) na, dezelfde componenten, alleen met andere aansluitingen. Met andere woorden, mocht het schema van de complete auto worden getekend, dan staan er nog zes 2/2 kleppen naast met allen hun eigen leidingen. Om het overzichtelijk te houden, wordt nu slechts het schema voor één remcircuit afgebeeld.
Situatie 1: Bij níet en bij stabiel remmen:
Het schema aan de rechterzijde geeft de situatie aan bij níet en bij stabiel remmen. Het rempedaal (2) wordt ingeduwd waardoor er door de hoofdremcilinder (4) een vloeistofdruk op de linker 2/2 klep (6) komt te staan. Deze 2/2 klep heeft een open verbinding naar de remklauw (7). Doordat de vloeistofdruk naar de remklauw toeneemt, zullen de remblokken tegen de remschijf worden gedrukt. Er zal dan geremd worden. De toerentalsensor (8) registreert het aantal omwentelingen dat het wiel maakt.
Situatie 2: ABS actief, remdruk vasthouden:
In dit schema staat de situatie afgebeeld wanneer er stevig wordt geremd en de wielvertraging te groot is. De ABS-sensor bij de rem heeft aan klem 5 van het regelapparaat het snelheidssignaal doorgegeven wat lager is dan van de andere wielen. Het regelapparaat geageerd daarop en sluit het systeem naar de remklauw toe af.
Dat gebeurt als volgt: op pin 3 van het regelapparaat wordt een bepaalde stroom gezet waardoor de magneetklep op het linker 2/2 ventiel bekrachtigd wordt. De klep wordt tegen de veerkracht in naar links geduwd. Daardoor is de toegang van nieuwe remvloeistof naar de remklauw geblokkeerd. De rechter 2/2 klep blijft in dezelfde positie staan, dus er kan zowel geen remvloeistof naar de rem toe, als retour. De druk wordt hiermee constant gehouden. Het regelapparaat bekijkt opnieuw of het toerentalverschil tussen het betreffende wiel en de andere wielen te ver verschilt. Mocht het zo zijn dat het onderlinge snelheidsverschil minimaal is, of er is geen snelheidsverschil meer doordat de remdruk constant is gehouden, dan haalt het regelapparaat de stroom weer van pin 3 af. De 2/2 klep veert weer terug in zijn oorspronkelijke positie, waardoor situatie 1 weer van toepassing is. Mocht het snelheidsverschil niet veranderen, of zelfs nog groter worden, dan moet de remdruk van het betreffende wiel verlaagd worden. Dit gebeurt in situatie 3.
Situatie 3: ABS actief, remdruk verlagen:
Om de remdruk te verlagen, dient er remvloeistof in de leiding tussen de 2/2 klep en de remklauw weggepompt te worden. Dit gebeurt in het bovenstaande schema.
Nu wordt ook pin 4 van stroom voorzien, zodat de rechter 2/2 klep bekrachtigd wordt. Ook deze wordt nu in de linker positie geschoven, waardoor de doorgang tussen de remklauw en de hydraulische pomp vrij gekomen is. Op dit moment zal de pompmotor gaan draaien en de remvloeistof vanaf de remklauw naar de hoofdremcilinder pompen. De vloeistof wordt nu tegen de kracht van de hoofdremcilinder in terug naar het reservoir gepompt. De druk wordt verlaagd en het wiel zal hierdoor weer gaan draaien.
Samengevat:
Tijdens het rijden en licht afremmen is situatie 1 van toepassing. Tijdens het afremmen waarbij het wiel dreigt te blokkeren situatie 2 en waarbij de druk verlaagd moet worden i.v.m. het blokkerende wiel situatie 3. Tijdens het afremmen zal de situatie steeds veranderen. Mocht situatie 3 van toepassing zijn, waarbij remvloeistof weggepompt wordt van de rem, dan moet daarna wel weer het wiel afgeremd worden. Anders zou het voertuig niet krachtig genoeg kunnen remmen. Er wordt dan weer overgegaan naar situatie 1, vervolgens weer situatie 2 en daarna weer situatie 3. Dit gebeurt net zo lang todat de bestuurder stopt met remmen, of totdat er op een andere ondergrond gereden wordt wat bijvoorbeeld stroever is (een hogere wrijvingscoëfficiënt).
ABS regelcyclus:
In de onderstaande grafiek is de regelcyclus van de ABS afgebeeld. Hier zijn verschillende factoren in toegevoegd, zoals de voertuigsnelheid (A) met de wielsnelheid, de wielomtrekversnelling (B), de activiteit van het systeem (C) en de remdruk (D).
De grafiek is ook nog verdeeld in 9 tijdsperiodes. In elke periode is er een verandering zichtbaar doordat het systeem wordt afgeregeld. De tijdsperiode is in totaal ongeveer 20 milliseconden en is verdeeld in 9 ongelijke stukken. Onder de grafiek staat de verklaring van de lijnen.
A: De zwarte lijn is de voertuigsnelheid, de groene lijn de wielsnelheid en de rode lijn de referentiesnelheid. De voertuigsnelheid neemt af (periode 1), maar de wielsnelheid neemt veel sneller af. Daarbij wordt de rode referentielijn gesneden. Op het moment dat de groene lijn ónder de rode lijn terecht komt (vanaf periode 2), kan er wielslip ontstaan. De ABS zal dus gaan ingrijpen.
B: De lijn geeft de wielomtrekversnelling aan. Een voorbeeld: door het wiel te draaien en langzaam af te remmen, blijft de lijn bij B dichtbij de nullijn. Door het wiel nu met dezelfde snelheid te draaien en krachtiger af te remmen, zal de lijn verder naar onderen uitslaan. Dat gebeurt ook met het op snelheid brengen; door het wiel héél snel vanaf 0 naar 10km/h te verdraaien, zal de lijn verder omhoog schieten als dat je er 5 seconden over doet om het wiel van 0 naar 10km/h te verdraaien. Kortom, dit is de wielomtrekversnelling.
C: Deze lijn geeft aan waar de druk in het systeem wordt gestabiliseerd; de ABS is dan in werking. Waar de lijn bij C laag is (op de nullijn) is het ABS-systeem niet in werking. In periode 7 wordt de ABS pulserend aangestuurd, waardoor de wielsnelheid niet te snel afneemt.
D: Deze lijn geeft de remdruk aan. De remdruk loopt op totdat de groene lijn (A) van de wielsnelheid de rode referentielijn snijdt. De ABS treedt in werking (C) en zorgt er voor dat de wielomtrekversnelling niet te laag wordt. De wielomtrekversnelling is in periode 4 op de nullijn; precies het moment waarop de wielsnelheid in (A) van negatief naar positief gaat. De druk wordt op dat moment constant gehouden. In periode 7 is de pulserende aansturing duidelijk zichtbaar. De remdruk wordt nu voorzichtig verhoogd, zodat het wiel niet te snel af zal remmen.
Regelprincipes om µ-split te voorkomen:
De ABS kan met deze informatie per wiel afzonderlijk worden ingesteld. De wieltoerentalsensoren registreren van elk wiel de snelheid. Dit is noodzakelijk omdat in alle situaties de maximaal haalbare wrijvingscoëfficiënt afgewogen moet worden ten opzichte van de bestuurbaarheid van het voertuig. Wanneer het voertuig met de linker wielen op droog asfalt en met de rechter wielen in de zachte berm rijdt en er met volledige remkracht geremd wordt, zal het voertuig onbestuurbaar worden en om zijn as draaien. Het remkrachtverschil tussen de wielen op asfalt en op ijs veroorzaakt namelijk een giermoment dat voor een koersafwijking zorgt. Deze situatie wordt de µ-split situatie genoemd. De µ spreekt men uit als “mu”. Om dit scenario te voorkomen worden er een aantal regelprincipes toegepast:
- De individuele regeling (IR): hierbij wordt de remdruk ingesteld op de maximale wrijvingscoëfficiënt van elk wiel. Hiermee kunnen er hoge giermomenten optreden, maar worden de maximale remkrachten behaald.
- De select-low regeling (SL): het wiel met de laagste wrijvingscoëfficiënt bepaalt de remdruk voor het andere wiel. Hierbij wordt niet de maximaal haalbare remkracht gebruikt, maar is het giermoment laag.
- De select-high regeling (SH): het wiel met de hoogste wrijvingscoëfficiënt bepaalt de remdruk voor het andere wiel. De select-high regeling wordt alleen maar toegepast voor ASR-regelingen.
- De select-smart of modificerende regeling: tijdens het remmen wordt er van select-low naar de individuele regeling geregeld. Hierdoor kan een compromis worden bereikt tussen giermomenten en maximale remkrachten. Deze regeling wordt vaak op bedrijfswagens toegepast.
Meestal wordt het remsysteem van een personenauto diagonaal (kruislinks) gescheiden. Een voorbeeld hiervan is in de onderstaande afbeelding weergeven. Hierin is het rood afgebeelde remsysteem van linksvoor en rechtsachter en het blauwe remsysteem van rechtsvoor en linksachter.
De remmen van de voorwielen worden met de individuele regeling (IR) aangestuurd. De remdruk van het ene voorwiel wordt hierbij ingesteld op de maximale wrijvingscoëfficiënt van het andere voorwiel. Tijdens een noodstop zullen de voorwielen individueel naar de maximaal haalbare remkracht zoeken.
De remmen van de achterwielen worden geregeld volgens het select low (SL) principe. De afgeregelde remdruk van de achterwiel met de minste wrijvingscoëfficiënt bepaalt de remdruk van het andere achterwiel. Het remkoppel van beide achterwielen zal gelijk blijven.
Metingen van een voertuig met en zonder ABS:
Om een goed beeld te krijgen wat de invloed van het ABS-systeem op een voertuig is, zijn in deze paragraaf twee grafieken van metingen te zien waarmee het verschil van een afremmend voertuig zonder en met ABS aangetoond wordt.
Voertuigsnelheid ten opzichte van de wielsnelheid zonder ABS:
In de grafiek rechts is de voertuigsnelheid ten opzichte van de wielsnelheid te zien.
Vanaf t = 0 seconde is de voertuigsnelheid 15 meter per seconde. Op dat moment wordt het rempedaal maximaal ingedrukt. De voertuigsnelheid neemt lineair af tot 0 m/s op tussen
t = 2,75 en 3,00 seconden. De wielsnelheid daalt tussen t = 0,5 en 1,0 seconden volledig naar 0 m/s. Dat betekent dat het wiel al een snelheid heeft van 0 m/s, dus stilstaat, terwijl het voertuig nog rijdt. Op dat moment is er een wiel geblokkeerd. Het wiel slipt over het wegdek, terwijl het voertuig nog niet stilstaat. In deze situatie is de ABS dus niet in werking.
Voertuigsnelheid ten opzichte van de wielsnelheid met ABS:
In de grafiek rechts verloopt de blauwe lijn hetzelfde; bij een voertuigsnelheid van 15 m/s wordt er maximaal geremd tot 0 m/s. Dit gebeurt wederom in een tijdsbestek van 3 seconden. Nu de ABS wel in werking is, daalt de rode lijn bij t = 0,3 seconde niet naar 0 m/s, maar wordt de snelheid van het wiel weer hoger. Dit is te zien aan de rode lijn die eerst naar onderen loopt en iets voor t = 0,5 seconde weer omhoog gaat. De remdruk wordt namelijk door de ABS bij een snelheid van 7,5 m/s verlaagd. De snelheid van de andere wielen is gelijk aan de voertuigsnelheid en dus aan de blauwe lijn. De ABS-sensor van het linker voorwiel registreert de vertraging. De ABS-computer herkent het verschil in snelheid, waardoor deze ingrijpt. De remdruk wordt met de hydroaggregaat verlaagd totdat de blauwe en de rode lijn weer gelijk zijn. Op dat moment wordt de remdruk weer constant gehouden. Totdat het voertuig stilstaat, blijft de ABS de snelheid van het slippende wiel regelen.
De druk in de hoofdremcilinder ten opzichte van de wielremcilinder zonder ABS:
De kracht die uitgeoefend wordt op het rempedaal wordt in de hoofdremcilinder door middel van vloeistofverplaatsing omgezet in remdruk. Deze remdruk is in de onderstaande grafiek met de blauwe lijn weergeven.
Ongeacht of het wiel wel of niet slipt, blijft de remdruk in de wielremcilinder (de rode lijn) gelijk aan de druk in de hoofdremcilinder. Dit is dus de situatie zonder ABS.
De druk in de hoofdremcilinder ten opzichte van de wielremcilinder met ABS:
In de situatie waarbij de ABS in werking treedt, zijn de drukken in de hoofdremcilinder en in de wielremcilinder niet meer gelijk aan elkaar. De druk in de hoofdremcilinder blijft hoog, doordat de bestuurder het rempedaal ingeduwd houdt. In de grafiek daalt de rode lijn bij t = 0,3 seconde; hier verlaagt de ABS de remdruk. De verlaging van de remdruk zorgt ervoor dat het wiel weer gaat rollen. Vanaf t = 0,4 seconde wordt de remdruk weer trapsgewijs verhoogd, totdat de snelheid van het wiel gelijk is aan de andere wielen. Dat is bij t = 2,35 seconde het geval.
