Тормозные системы: электромеханическое будущее

В последние годы в области тормозных технологий произошел значительный прогресс, обусловленный соображениями безопасности, нормативными актами по защите экологии и требованиями повышения эксплуатационных характеристик. Внедренные новации охватывают различные аспекты, включая материалы, дизайн, интеграцию программного обеспечения и автоматизацию. В результате тормозные системы стали более эффективными, надежными и способными обеспечивать повышенную тормозную способность. В этой статье мы рассмотрим развитие и основные тенденции тормозных технологий.

У кого-то может возникнуть соблазн возразить, что тормозные системы относительно мало изменились за последние 25 лет. Комбинация вакуумного усилителя, суппортов и тормозных жидкостей все это время была стандартной, и поэтому требования к компонентам также оставались неизменными. Инженеры четко определились с требуемыми параметрами конструкции и геометрией, и, хотя были внесены небольшие изменения, принципы остались прежними.

Все это так, но…

Электрогидравлика

…Но на рубеже второй и третьей декады XXI века технология чрезвычайно бурно эволюционировала и, без сомнения, будет еще стремительнее развиваться и впредь. Одним из ее свежих достижений стала система электрогидравлического усилителя (EHB – Electrohydraulic Booster) тормозов, которая полностью отличается от традиционного вакуумного усилителя.

Несмотря на то, что за прошедшие десятилетия вакуумный усилитель проделал блестящую работу по повышению безопасности участников дорожного движения во всем мире, переход на электрогидравлические альтернативы имеет ряд преимуществ. Одним из них является то, что электрогидравлические усилители меньше и легче, что позволит освободить пространство в моторном отсеке или сократить его размер. Другим – открывшиеся возможности в абсолютно летком, фактически прямом подключении к современным системам помощи водителю, поскольку все управляется электрически.

Мощность торможения в аварийной ситуации тоже намного выше и вырабатывается намного быстрее, чем при использовании стандартной системы вакуумного усилителя. Обычно в вакуумном усилителе тормоз приводится в действие ногой, и существует физическая зависимость между тормозным давлением, передаваемым через гидравлическую систему, и размером вакуумного усилителя. Однако рассчитать усилие передачи сложно, поскольку оно в значительной степени зависит от водителя, который нажимает на педаль, и воспринимается по-разному от человека к человеку. 

С электрогидравлическим усилителем происходит электрическое включение тормоза, который, в свою очередь, реагирует намного быстрее и генерирует большую силу трения, чем было возможно в прошлом с вакуумным усилителем. 

Это обеспечивает гораздо более стабильную работу и потенциально сокращает время реагирования на аварийную ситуацию на дороге, повышая безопасность водителя и пассажиров.

Учитывая критическую важность надежных и эффективных тормозных систем и фундаментальное влияние, которое любая неисправность может оказать на безопасность, при разработке ключевых компонентов системы, таких как уплотнения, необходимо тщательно учитывать широкий спектр факторов. К EHB при производстве предъявляется ряд особых требований, таких как стойкость к истиранию, категории чистоты и точность решений по уплотнению. Помимо прочего, эластомерные компоненты современных систем управления тормозами также должны быть способны противостоять высокочастотным динамическим механическим нагрузкам под высоким давлением и одновременно гарантировать безопасность на протяжении всего срока службы автомобиля.

Переходный этап

Впрочем, многие производители и эксперты считают, что от гидравлической системы в конечном итоге можно было бы отказаться, если бы тормоза всех четырех колес приводились в действие электромеханически и, таким образом, были бы полностью «сухими». Тогда отпадет необходимость в нынешней сосредоточенности на создании давления и модуляции с использованием соответствующего интеллектуального управления. Они предлагают заменить гидравлическую систему программными функциями, которые выполняются на высокопроизводительных компьютерах.

Для достижения этой цели разрабатываются системы торможения по проводам (braking-by-wire), известные как электромеханическое торможение (EMB – Electromechanical braking). Поскольку в тормозных системах EMB отсутствует гидравлическая жидкость, они проще в сборке, менее вредны для окружающей среды и менее сложны, чем гидравлические тормоза. Между блоками EMB и собственно педалью тормоза нет физической связи, поэтому на дороге она работает тише и не создает реверберации по всему автомобилю (подробнее обо всем этом мы поговорим позже).

Но сразу перейти на «сухие» системы довольно сложно. Поэтому на промежуточном этапе создаются компромиссные модели, так называемые «полусухие» системы. Например, компания Continental проводит активную модернизацию продуктовой линейки, переходя с мокрых тормозных систем сначала на полусухую схему (также известную как Future Brake System – FBS), которая будет включать в себя несколько новых компонентов. 

В FBS от Continental на задней оси используются электромеханические тормоза, которые работают «всухую», без тормозной жидкости. На передней оси колесные тормоза по-прежнему приводятся в действие гидравлически. Новая технология также включает в себя систему торможения по проводам второго поколения. В дополнение к ней должна появиться и Continental Air Supply – высокоинтегрированная система подачи воздуха, используемая в сочетании с пневматическими баллонами на передней и задней осях для пневматической подвески.

Дорожная карта компании включает несколько стадий разработки и внедрения, начиная с FBS 0 и заканчивая FBS 3, предоставляющей производителю автомобилей полную свободу выбора оборудования для интеллектуального привода, где единое универсальное программное обеспечение используется всеми электронными блоками управления для обеспечения безопасности и функциональной гибкости.

Тем самым совершается эволюция от обособленного (замкнутого на себя) управления тормозами до комплексных систем движения, прокладывающих путь к полностью сухим тормозам на задней и передней осях. 

Стартует дорожная карта  с FBS 0, опирающейся, как уже было сказано, на второе поколение фирменной системы торможения по проводам, которая является основой для всех будущих тормозных систем. Уже в ней применяется главный цилиндр с электронным управлением, способный блокировать тормоза в течение 150 миллисекунд, что в два раза быстрее, чем в традиционных вакуумных системах. 

На следующем этапе разработки (FBS 1) отпадает необходимость устанавливать систему в определенном месте на задней стенке моторного отсека перед водителем. Использование электронной педали с приводом, не привязанным к конкретной локации, позволит инженерам и дизайнерам реализовать новые концепции организации рабочего пространства водителя и оформления интерьера транспортного средства. В такой модели не гидравлический привод, а датчики определяют запрашиваемое водителем тормозное усилие, после чего электродвигатель системы создает гидравлическое давление. При этом, благодаря мультилогической архитектуре и высокому уровню защиты функции остаются доступными даже в случае неисправности, так что водитель может рассчитывать на постоянную поддержку. 

Наконец, с FBS 3 тормозная система может быть разделена на модули. В долгосрочной перспективе гидравлическая система будет полностью устранена, исключив все жидкости, что способствует повышению экологичности. Для достижения этой цели все приводы на четырех колесах будут регулироваться электромеханически, став полностью сухими. Отдельные функции тормозной системы будут «упакованы» как отдельные продукты в модульные программные блоки.

Полностью без гидравлики

Такую полностью сухую электромеханическую тормозную систему, в которой тормозное усилие на каждом колесе создается электродвигателем, в конце прошлого года представила компания ZF.  Она создавалась в центрах разработки ZF в Китае, США и Германии.

По сравнению с обычными тормозными системами новинка от ZF, точно укладывающаяся в принципы концепции интегрированного управления тормозами (IBC – Integrated Brake Control), обеспечивает сокращение тормозного пути, лучшее восстановление энергии торможения и более низкие затраты на техническое обслуживание.

При автоматическом экстренном торможении тормозной путь на скорости 100 км / ч может быть на девять метров короче, чем при использовании обычных тормозных систем. Кроме того, электромобили могут увеличить запас хода на 17% за счет еще лучшей рекуперации энергии торможения.

В частности, при использовании систем сухого торможения по проводам моменты остаточного сопротивления, возникающие при использовании обычных тормозных систем из-за минимального контакта между тормозными колодками и тормозными дисками, могут быть сведены практически к нулю. Это приводит к еще меньшему выбросу твердых частиц из-за износа тормозов. Более низкое сопротивление во время движения также экономит энергию и может увеличить запас хода на электромобиле.

Кроме того, отказ от гидравлической системы означает значительное снижение затрат на сборку и логистику даже в процессе производства автомобиля, поскольку система состоит из меньшего количества деталей. 

В течение срока службы автомобиля пользователь получает выгоду, поскольку больше не нужно менять тормозные жидкости, что сокращает объем обслуживания, требуемого в мастерской.

С другой стороны, несмотря на то, что больше нет механической связи между педалью тормоза и тормозными приводами, ощущения при торможении такие же, как при гидравлическом тормозе. Безопасность передачи и обработки данных, а также подачи энергии к электродвигателям обеспечивается дублированием всех соединений и систем, что также характерно для беспроводных систем в авиации.

Вторая жизнь барабанного тормоза

Барабанным тормозам почти столько же лет, сколько самому автомобилю. Многие считают их старомодным продуктом, который в первую очередь ассоциируется с небольшими транспортными средствами с маломощными двигателями. Такой однобокий взгляд приводит к тому, что мы очень сильно недооцениваем реальные технические возможности самой технологии барабанных тормозов, а так же их долговечность, надежность и снижение запыленности тормозов. Эти основные преимущества, помноженные на вероятные усовершенствования технологий, являются причиной того, что автопроизводители в последнее время все чаще возвращаются к барабанным тормозам, но в существенно модифицированном виде.

В частности, электромобили, могут извлечь выгоду из технологии барабанных тормозов благодаря встроенным системам рекуперации электроэнергии, которые эффективно замедляют машину в нормальных условиях движения до такой степени, что тормоза используются редко (за исключением экстренных случаев). Из-за нечастого использования традиционная дисковая тормозная система становится более восприимчивой к образованию коррозии (пленки ржавчины), что может привести к снижению тормозной эффективности после длительного бездействия, хотя при необходимости оно должно быть доступно на 100% немедленно.

В противоположность ей барабанный тормоз полностью заключен в корпус, который обеспечивает хорошую защиту его механизма и тормозных поверхностей от агрессивного воздействия окружающей сред (дождь, соль, противогололедные реагенты, грязь и проч.). Благодаря этому обеспечивается надежная работа колодок, фрикционных поверхностей, пружин и прочих компонентов системы, как в статичном режиме приложения тормозного момента, так и в динамическом для мгновенного или аварийного применения.

Немаловажен и экологический аспект, с точки зрения которого барабанные тормоза обладают еще большей привлекательностью: их выбросы твердых частиц в окружающую среду значительно меньше по сравнению с традиционной технологией дисковых тормозных систем. 

Как известно мелкодисперсная тормозная пыль, образующаяся в тормозной системе, может оказывать на здоровье человека далеко идущие негативные последствия. Эксперты ожидают ужесточения законодательных требований со стороны Комиссии ЕС не позднее 2025-2026 годов. В этой связи неоспоримое достоинство технологии барабанных тормозов заключается в использовании преимущества закрытого корпуса, позволяющего частицам тормозной пыли накапливаться внутри – они могут собираться и удаляться контролируемым образом, защищающим окружающую среду.

Один из ярких примеров успешной реализации такой концепции продемонстрирован концерном Volkswagen на своих моделях ID.3 и ID.4. Электромобили оснащены комплектом барабанных тормозов на задней оси. 

 Установка барабанных тормозов на переднюю ось также вполне осуществима. Принцип двойного сервопривода обеспечивает высокий тормозной момент при низких усилиях приведения в действие; эффект самоусиления этого функционального принципа может быть использован с пользой. 

Это делает барабанный тормоз передней оси идеальным модулем для следующего поколения фундаментных тормозов с сухим приводом. 

Программное обеспечение

В формировании будущего автомобильных систем торможения не менее важную роль, чем механические и электрические компоненты играет программное обеспечение. От имитационного моделирования до встроенных электронных блоков управления – программное обеспечение обеспечивает высокоскоростной обмен сложными данными в различных областях транспортного средства. Эти возможности превосходят потенциал обычного механического управления, обеспечивая значительный прогресс в архитектуре систем.

Используя программное обеспечение, автопроизводители могут выбирать конкретные функции и оптимизировать вычислительные мощности, в результате чего создаются индивидуальные решения для передовых технологий безопасности, электрификации транспортных средств и автоматизированного вождения. Интеграция программного обеспечения стала необходимой для управления сложными современными транспортными средствами, которые содержат огромное количество микропроцессоров, электронных блоков управления, электропроводки и программного кода.

Ведущие компании, такие как Delphi и Bosch, находятся на переднем крае использования программного обеспечения для внедрения инноваций в области проектирования, разработки и повышения производительности тормозных систем. Delphi, например, ежедневно выпускает миллиарды строк программного кода, что отражает растущее доверие к программному обеспечению в автомобильной промышленности и его влияние.

Поскольку технологические достижения продолжают определять автомобильную промышленность, автоматизированное экстренное торможение (AEB – Automated Emergency Braking) стало важной областью исследований и разработок. AEB стремится предотвращать или смягчать последствия столкновений путем автономного нажатия на тормоза при обнаружении потенциальной опасности. Эта технология имеет большие перспективы в повышении безопасности дорожного движения и снижении тяжести аварий. А ее успешное функционирование полностью основано на прогностическом программном обеспечении.

Направления эволюции

Поскольку автомобильные технологии продолжают развиваться, тормозная промышленность остается на переднем крае инноваций. Применяя системный подход к техническому обслуживанию и постоянно расширяя границы технологий, производители и поставщики сервисных услуг могут гарантировать оснащение транспортных средств передовыми тормозными системами, в которых приоритет отдается безопасности, производительности и экологичности. Тормозные технологии ждет светлое будущее, поскольку они продолжают формировать автомобильную промышленность и защищать жизни людей на дорогах. Вот некоторые из зперспективных разработок, определяющих будущее тормозных технологий и безопасности автомобилей.

Передовые материалы и покрытия: Производители тормозов изучают передовые материалы и покрытия для повышения производительности и долговечности тормозных систем. К ним относятся углеродно-керамические композиты, легкие сплавы и специальные покрытия, которые улучшают характеристики трения, снижают износ и более эффективно отводят тепло.

Сенсорная технология и профилактическое обслуживание: Сенсорная технология интегрируется в тормозные системы для получения данных в режиме реального времени об износе тормозных колодок, состоянии тормозного диска и общей работоспособности системы. Эти данные позволяют проводить профилактическое техническое обслуживание, дают возможность водителям и специалистам сервисного обслуживания устранять потенциальные проблемы до того, как они приведут к отказу тормозной системы.

Интеллектуальные тормозные системы и межтранспортная коммуникация: Тормозные системы становятся все более интеллектуальными и способны к межтранспортной коммуникации. Интеллектуальные тормозные системы могут взаимодействовать с другими транспортными средствами и инфраструктурой, обеспечивая такие функции, как совместное предупреждение о столкновении, постановка на паркинг и безопасность на перекрестках. Эти технологии потенциально могут значительно повысить безопасность дорожного движения и снизить количество аварий.

Машинное обучение и искусственный интеллект: Тормозные технологии используют машинное обучение и искусственный интеллект для повышения производительности и безопасности. Эти технологии обеспечивают интеллектуальные алгоритмы торможения, которые адаптируются к индивидуальному стилю вождения, дорожным условиям и дорожно-транспортным ситуациям, улучшая общее впечатление от вождения.

Автономные транспортные средства и резервные тормозные системы: По мере распространения автономных транспортных средств разрабатываются резервные тормозные системы для обеспечения безотказной работы. Эти системы оснащены резервными компонентами, резервными источниками питания и сложными алгоритмами, которые контролируют целостность системы в режиме реального времени, обеспечивая дополнительный уровень безопасности в сценариях автономного вождения.

Интеграция тормозной системы с функциями системы помощи водителю: Тормозные системы тесно интегрируются с функциями системы помощи водителю, такими как адаптивный круиз-контроль, система удержания полосы движения и автоматическая парковка. Эти интегрированные системы работают вместе, обеспечивая скоординированное торможение и управление дроссельной заслонкой, повышая безопасность и удобство для водителя.

Улучшенный контроль шума, вибрации и жесткости (NVH): Производители тормозов уделяют особое внимание оптимизации характеристик NVH, чтобы обеспечить более тихое и комфортное вождение. Для снижения шума тормозов и устранения вибраций используются передовые инженерные технологии, такие как улучшенная конструкция тормозного диска и колодок, шумопоглощающие материалы и передовые технологии суппортов.

Поскольку технологии продолжают развиваться, мы можем ожидать дальнейших инноваций, которые повысят производительность, надежность и безопасность тормозных систем, что в конечном итоге приведет к более безопасным дорогам и более приятному вождению.