مقدمه و تاریخچه :
امروزه در صنعت اتومبیل سازی حفظ ایمنی سرنشینان خودرو فوق العاده مورد توجه قرار گرفته است . با توجه به اینکه سیستم ترمز مهمترین بخش ایمنی خودرو محسوب می گردد ، در چند ساله اخیر پیشرفتهای زیادی در این زمینه انجام گرفته است . جدیدترین این پیشرفتها پیدایش سیستم ترمز ضد قفل ABS می باشد . در این پروژه هدف آن است که این نسل از ترمزها مورد بررسی قرار گیرد تا ان شاءالله زمینه ای برای ورود این تکنولوژی به ایران فراهم شود . این ترمزها به سبب پیچیدگی مکانیزمشان هنوز مورد توجه طراحان داخلی قرار نگرفته است که یکی از دلایل آن عدم اطلاعات کافی و عدم آشنائی با این سیستم می باشد . امید است این پروژه مقدمه ای برای قدمهای بعدی در راه ساخت و طراحی این تکنولوژی در ایران باشد . (ان شاءالله)
در این پروژه ابتدا تاریخچه ای از پیدایش ترمزها ارائه خواهد شد . در فصل اول به بررسی سیستم ترمز معمولی شامل کاسه ای و دیسکی و سایر اجزای جانبی آن می پردازیم .
در فصل دوم سیستم ترمز پنوماتیکی مورد بررسی قرار می گیرد و سپس در فصل سوم و سیستم ترمز ضد قفل ABS مقایسه ای بین فصول اول و دوم خواهیم داشت تا برتریها و معایب هرکدام نسبت به یکدیگر مشخص شود ود در فصول بعدی مطالب مربوط به طراحی و محاسبه نیروهای لازم آورده خواهد شد . نخست تاریخچه ای از پیدایش ترمزهای اولیه تا کنون بیان می کنیم :
اولین موتور احتراقی در سال 1885 بوسیله بنز ساخته شد . توقف این اتومبیل بوسیله یک لقمه ترمز بر روی محور دنده هرزگرد انجام می گرفت . بعدها که اتومبیل تکمیل شد و سرعت آن افزایش یافت و از لحاظ وزن سنگین تر شد ، ترمزهای مخصوصی برای آن طرح ریزی شد .
تا سال 1900 ترمز دستی شامل ترمز ساده ای که مستقیماً با سطح لاستیکهای توپر اصطکاک پیدا می کرد استفاده می شد. اما از این سال به بعد ترمزی ابداع شد که توسط پدال عمل می کرد و عبارت از یک نوار فلزی بود که در خارج بر روی چرخ دندانه دار محور محرک عقب نصب شده بود و بصورت استوانه ای آن را احاطه می کرد .
در همین سال لنکستر(Lanchester) ترمز و کلاچ را در یک مجموعه مخروطی شکل متشکل کرد و در اولین ماشین ساخت انگلستان بکار گرفت .
در سال 1905 ، انتقال حرکت بوسیله چرخ دنده و محور جای انتقال حرکت توسط زنجیر یا تسمه را گرفت و عمومیت پیدا کرد و بیشتر اتومبیلها با پدالی که انتقال حرکت را به ترمز تأمین می کرد مجهز شده بودند .
در سال 1910 میلادی ترمزهای بیشتر ماشینهای امریکائی روی چرخهای عقب تأثیر می کرد . در این سالها بسیاری از عوامل مربوط به ترمز، مانند اهمیت چسبندگی لاستیک به جاده اثرات چرخ قفل شده و غیره بخوبی شناخته شده بود و این مطلب محقق شده بود که جهت اعمال ترمز صحیح هر چهار چرخ بایستی ترمز شود ، و کوشش و اثر ترمز با نسبتی متناسب بین چرخ جلو و چرخ عقب سهیم باشد . با ترمز شدن چهارچرخ است که بدون خطر لیز خوردن ماشین ، فاصله توقف به نصف تقلیل می یابد . سالها طول کشید تا موضوع ترمز چهارچرخ مورد قبول عموم قرار گرفت . شکل عمده این بود که آرایشی برای ترمز ترتیب داده شود که با تشکیلات و اتصالات فرمان و چرخهای جلو و بطور کلی با تشکیلات سیستم فرمان و هدایت ماشین تداخل پیدا نکند .
در فاصله دو جنگ جهانی اول و دوم ، احتیاج به ترمز تا حدودی بیشتر احساس شد . چون سرعت ماشین ها رو به افزایش رفت همچنین بر تراکم ترافیک نیز افزوده شد .
نظر به اینکه رانندگان به ترمز قوی احتیاج داشتند و از طرفی ترمز قوی در چرخهای عقب ، موجب سرخوردن ماشین می شد ، فشار زیادی به طراحان ترمز وارد می آمد تا ترمز چرخهای جلو را تکمیل کنند . در نتیجه ، بعد از گذشت ده سال از جنگ اول ، استعمال ترمز در هر چهار چرخ ، عمومیت پیدا کرد . ظهور ترمز در چرخهای جلو ، پس از جنگ ابتدا در خودروهای بزرگ و گرانقیمت مانند هیسپانو سوئیزا و هاچیکس(Hotchikss) و سپس درخودروهای سبک و ارزان قیمت صورت پذیرفت . ساده ترین راه برای اعمال ترمز جلو استفاده از سیستم هیدرولیک بود . ولی در طی سالیان متمادی اکثریت خودروها از سیستم مکانیکی استفاده می کردند تا اینکه مزایای هیدرولیک برای همه روشن شد . چرخهای اتومبیل بدون احتیاج به دنده ای پیچیده ترمز می شدند . جبران سائیدگی لنتها بطور خودکار صورت می گرفت و تلفات اصطکاک بمراتب کمتر از سیستم مکانیکی بود .
در سال 1911 ، اتومبیلی با ترمز های هیدرولیکی برای چهارچرخ به نمایش گذاشته شد . اما در آن تردیدهائی وجود داشت بنابراین بصورت ابداعی باقی ماند . چندی بعد شخصی بنام M-Loughead سیستمی عملی اختراع کرد که در سال 1917 به ثبت رسید .
در کشور انگلستان در سال 1924 ، ابتدا ترمز لاک هید هیدرولیک در ماشینهای «بین»(Bean) بکار برده شد .
در سال 1924 ترمزهای مکانیکی از چرخهای جلو برداشته شد و در 1925 نیز از چرخهای عقب حذف شد و جای خود را به ترمزهای هیدرولیک واگذار کرد .
نظر به اینکه برای ترمزهای ماشینهای سنگین به نیروی زیادی احتیاج بود بنابراین سرووهای مختلف طراحی شدند . در سال 1924 ، دواندر (Dewandre) دستگاه سرووئی ساخت که برای بکار انداختن آن از خاصیت خلأ استفاده شده بود .
دهه 1930 ، ظهور متخصصینی را به خود دید که سردسته آنها در ساخت ترمزهای مکانیکی ، بندیکس و گیرلینگ بودند ، و در ساخت ترمزهای هیدرولیک ، لاک هید بود .
در طول دهه 1930 ، بتدریج هیدرولیک جای ترمز مکانیکی را گرفت ظرف مدت ده سال تلاش برای توسعه ترمز هیدرولیک شدت یافت بخصوص هنگامی که تعلیقات مستقلی برای ترمز جلو بکار رفت . در سال 1935 ، بعضی از مدلهای ساخت انگلستان دارای دو سیلندر اصلی پشت سرهم شد . در این سیستم ، یک قسمت از سیلندر اصلی ، ترمزهای جلو را بکار می انداخت و قسمت دیگر از طریق خط کاملاً مجزای دیگری ، ترمزهای عقب را .
بعد از سال 1930 ، چندین سال ، مکانیسم ترمز بدون تغییر باقی ماند و عملاً تمام ترمزها از نوع پرویا بندیکس پرو بودند .
در سال 1948 ، گیرلینگ اولین سیستم ترمز هیدرولیک و ترمزهای اتومبیل را ارائه کرد و چند سالی هم تولید ترمزهای هیدرواستاتیک ادامه یافت . در این نوع ترمز ، فاصله ای بین کاسه و لنت وجود داشت و بوسیله فنرهائی آنها را در حد تماس نگاه می داشتند تا از تکان خوردن و صدای آن جلوگیری بعمل آید .
در اواسط دهه 1950 ، در وضع عمومی ترمزها تغییر عظیمی صورت گرفت . زیرا در این هنگام آغاز جایگزینی ترمز دیسکی بجای ترمز استوانه ای بود .
در این سال در آمریکا ، شرکت کرایسلر ترمزهای دیسکی « خود نیروزا » و « خود تنظیم ساز » و« نوع صفحه ای » را در ماشینهای نوع « کراون امپریال »(Crown Imperial) خود نصب کرد که بعنوان یک ترمز اضافی و اختیاری بکار می رفت . در انگلستان نیز در سال 1925 ترمز دیسکی دانلوپ در ماشینهای جگوار کورسی بکار رفت . امروزه تمام اتومبیلهای انگلیسی ، به استثنای ماشینهای سبک که حداقل در چرخهای جلو ترمز دیسکی دارند ، در تمام چرخها ، از ترمز دیسکی استفاده می کنند.
از تاریخی که ترمز کاسه ای ساخته شد تا مدت سی سال ، یا زمانی در همین حدود ، رسم براین بود که کاسه ترمز را از فولاد پرس شده می ساختند . در آن زمان ، سرعت اتومبیل کم بود و مشکلات حرارتی وجود نداشت ولی هنگامی که سرعت ماشینها زیاد شد ، حرارت زیادی در کاسه پدید می آمد و باعث می شد فولاد مقداری از سختی و سفتی خود را از دست بدهد و کاسه معیوب شود . بدین منظور از چدن استفاده شد .
مواد اصطکاک زا در بدو امر ، برای ایجاد اصطکاک در ترمزهای اتومبیل ، از قطعه ای چوب یا فلز و یا چرم و یا پارچه استفاده می شد که با دوره چرخ یا با لاستیک اصطکاک حاصل می کرد .
در سال 1901 ، هربرت فرود(Herbert Frood) مواد اصطکاک زائی را به ثبت رساند . این مواد با فولاد اصطکاک داشتند یا با لاستیک . در حالت اول از اشباع الیاف نخی با لاستیک تهیه می شدند و در حالت دوم از اشباع الیاف نخی با مواد مومی . در سال 1914 ، مصرف لنت ترمز فرود ، توسعه پیدا کرد . در سال 1930 ، فرود به صمغهای تعدیل کننده حرارت توجه کرد و سپس ، انتهای قالب ریزی شده را بجای لنتهای بافته شده بکار برد .
بدین ترتیب تاریخ ترمز اتومبیل سیر منظمی را طی کرد تا به شکل امروزی در آمد .
Anti - lock Braking system روی خودروهای سنگین مجهز به ترمز بادی بصورت انتخابی نصب می شود این سیستم در سال 1952 در شرکت DUNLOP با نصب Maxaret روی هواپیما آغاز شد در سال 1972 در انگلستان برای اولین بار jensen intercepter و بعد شرکتهای آمریکایی ford برای خودرو سال 69 بصورت تک کاناله و بوستردار طراحی کردند . سیستمخلایی 3 کاناله روی چهار چرخ در سال 1971 با همکاری دوشرکت Bendix و Chrysler ساخته شد . اولین خودرو چهارچرخ ABS دار از 1976 تا 1982 از روی برخی خودروهای جنرال موتور مجاز شدند اشکال سیستم های الکترونیکی قابلیت اعتماد کم آنها بود . که با توسعه منابع انرژی فشار بالا وبکارگیری اکومولاتور مطرح شد .بنابراین مدار کنترل الکترونیکی بر اساس پاسخ سنسوری کار می کند و نسبت به منابع خلایی محدودیت کاربرد دارد و قیمت آن بالا است . بعد از آن اداره ملی ایمنی بزرگراهها و حمل و نقل آمریکا NHTSA روی خودرو سنگین ABS بادی را نصب کرد که اشکالاتی بوجود می آمد . سنسورها 41%، سوپایها 16% ، کامپیوتر 8% ، نصب غلط 3% ، اتصالات الکترونیکی 1% و تداخل امواج الکترومغناطیس 50% .
در نیمه اول دهه 70 در اروپا سیستم های الکترونیکی ترمزها دیجیتالی شدند این تغییر که نتیجه تبدیل تحلیلهای آنالوگ به میکروپروسسور و مدارهای مجتمع IC (Integrated Circuits) بود . که در سال 1979 روی سواری مرسدس با سیستم ترمز بوش به کار رفت که روی چهار چرخ به همراه بوستر خلایی یا هیدرولیکی بود .
BMW و ژاپنیها این راه را ادامه دادند ABS بوش در 1986 روی کادیلاک نصب شد. و روی فورد در آلمان سال 1985 بکار رفت در 1991 سازندگان اتومبیل این سیستم را روی یک سوم خودروها پیشنهاد کردند . تویوتا 40% ، نیسان 44% ،هندا50% ، مزدا25%، میتسوبیشی 27% کرایسلر 18% ، GM 33% ، فورد 13% تا سال 1992 15 درصد خودروها مجهز به ABS بودند . دلیل عدم استفاده ABS روی خودروهای کوچک قیمت بالا 800 تا 1300 دلار بود . GM ، ABS موثر (ABS-VI) رابا قیمت 350 دلاری روی ماشینهای 91 خود بکار برد . نرخ تصادفات ماشینهای سنگین پائین آمد و آمار تصادفات بامرسدس 6% تا 10% کاهش یافت .
این سیستم ابتدا توسط روبرت بوش اختصار (Unti - Blockier Schutz)ABS را پیدا کرد که با اندازه گیری سرعت زاویه ای چرخ ، سایر پارامترهای دینامیکی را محاسبه کرده و باشروط منطقی لغزش تایر ، قفل شدن چرخها در اثر ترمزگیری را پیش بینی می کند . واحد کنترل الکترونیکی با فرستادن سیگنالی به تعدیل گر هیدرولیکی (قلب سیستم) فرمان کاهش فشار ترمزی را صادر می کند . این روند ادامه می یابد تا باز فرمان افزایش فشار جهت ترمزگیری صادر شود . این کار چند بار تکرار می شود . مغز سیستم واحد کنترل الکترونیکی است . این قسمت فرمان دریافتی از سنسور چرخها یا دیفرانسیل (برای سیستم کنترل دوکاناله) را دریافت کرده و پس از پردازش ، دستور مناسب را صادر می کند . موتور الکتریکی مرتبط با واحد کنترل با فرمان گیری از این قسمت ، تعدیل فشار ترمزی را انجام می دهد مدل تایر نیز مطرح شده است . ماهیت غیرخطی سیستم به علت ترم هایی مثل حاصلضرب سرعت خطی خودرو در لغزش تایر ، ممان اینرسی انتقال یافته به چرخها و ضریب اصطکاک جاده ای می باشد.
روش مدلغزشی Sliding Mode که از روشهای مقاوم در سیستم های ساختار متغیر است به عنوان منطق کنترل غیرخطی سیستم قرار گرفت . انگیزه اصلی این تحقیق از آنجا شروع شد که ضعف روش خطی و خطای حاصله نظیر حساسیت پارامتری وپیشرفت نرم افزاری مشهود شد . در سال 1981 روشهای دامنه فرکانسی همچون توابع توصیفی Describing Function با پسخورانده های خطی روی ABS ارزیابی شد . کار Fling ادامه یافت ودر سال 1990 روشی موسوم به مرز مزدوج Conjuhate Boundary توسط Yeh پیشنهاد شد . مدل تایر (مشخصه ضریب اصطکاک طولی بالغزش تایر) اعمال در دینامیک غیرخطی سیستم ، همان مدل ایده‌آل یا قطه ای خطی بود . در این کار مفاهیم جدید تعادل گشتاور ترمزی و مرزهای مزدوج جهت تحلیل ناپایداری سیکلهای حدی بکار رفت . روش غیرخطی مد لغزشی برای اولین بار در 1994 مطرح شد . خطاهای ناشی از مدلساطی و اختشاشات خارجی مثل سطح ناصاف جاده، تحریک های سیستم تعلیق و فرمان ، استفاده از روش غیرخطی مقاوم را مورد توجه قرار دارد در سال 1995 بهروز شریفی روش مدلغزشی بهینه را برای کنترل ABS بکار برد . Drakunov از روسیه نیروهای اصطکاکی جاده ای را به عنوان نیروهای خارجی سیستم در نظر گرفت و سیستم را تحلیل کرد . روش غیرخطی به دلیل پیچیدگی حجم پروسس نرم افزاری بسیاری رامی طلبند و روش مد لغزشی به علت شرطی بودن نیاز به تحلیل مساله در فاصله زمانی کوتاه دارد .
2-2-اصول طراحی ABS
طراحی یک سیستم ترمز ABS با درک کامل مشخصات اصطکاکی سطح تماس تایر و جاده آغاز می گردد . در حالت عمومی جهت کنترل اتوماتیک عملکرد ترمز چرخ های خودرو ، با اندازه گیری پارامترهای زیر و مقایسه آنها بامقادیر مطلوب وابسته می توان فرمانهای کنترلی مناسبی را اعمال نمود .(1)
1-سرعت زاویه ای چرخ
2-میزان لغزش تایر
3-اختلاف سرعت تایر و خودرو
4-اختلاف سرعت تایر باتایرهای دیگر خودرو
البته لازم به ذکر است که عموماً اندازه گیری سرعت زاویه ای چرخ وارتباط دادن آن با میزان لغزش تایر در طراحی سیستم هاتی ترمزی ABS مورد استفاده قرار می‌گیرد.
رابطه بین چرخ با زمین همواره به صورت لغزش یاغلتش صد در صد نیست ، بلکه قسمتی غلتش و قسمتی لغزش وجود دارد . در صورتی که چرخی هنگام ترمز گیری سرعت خطی داشته باشد ولی سرعت زاویه ای نداشته باشد ، لغزش آن صد در صد است یا به عبارت دیگر چرخها قفل شده اند و یابالعکس در صورتی که حاصلضرب سرعت زاویه ای چرخ در شعاع آن با سرعت خطی برابر گردد ، میزان لغزش صفر است .