Как ABS и ESP спасают наши жизни, и причем тут невидимый лось и Yaw-сенсор

Без лося виноватые: скандальный переворот Mercedes-Benz A-класса

Тогда, 21 октября, заместитель главреда шведского журнала Teknikens Värld (“Мир технологий”) в ходе съемки для телепрограммы Trafikmagasinet на площадке близ Стокгольма перевернул новый Mercedes-Benz A-класса, выполняя “elk test". Это называемый "лосиный тест" — версия маневра “переставка”, моделирующая резкий объезд препятствия на скорости на 60 км/ч.

Домыслы о том, что на автомобиле стояли неправильные шины, или скорость была превышена, были развеяны. Заодно стало ясно, что шведская "лосиная" переставка короче и резче европейской, по принятому в разработке автомобилей стандарту DIN. Более того, для ее выполнения нужно было вращать руль со скоростью, недоступной большинству водителей. Тогда, при совпадении частот колебаний кузова и подвески, возникал резонанс, отрыв двух колес и риск опрокидывания. На нижних кадрах обошлось без переворота, но в обоих случаях за рулем были профи.

Опасная черта управляемости А-класса, призванного стать новым шагом в развитии немецкой марки в сторону массового сегмента рынка, грозила пустить по ветру затраченные на разработку модели 2,5 миллиарда дойчмарок и испортить репутацию Mercedes-Benz. Узнав о случившемся, глава легкового подразделения Daimler Юрген Хубберт срочно вылетел из Японии с презентации нового Maybach. В самолете прямо на полу развернули документацию по А-классу и начали искать решение.

В итоге при помощи собственных специалистов, инженеров Bosch и рекламного агентства Springer & Jacoby всего за три месяца в Mercedes-Benz смогли достойно выйти из ситуации.Спустя десятилетия Хубберт, которого глава концерна Дитер Цетше тогда не отпустил в отставку, заставив “разруливать” ситуацию, признался: если бы это случилось сейчас, в эпоху соцсетей и хейтеров, решить проблему было бы невозможно. Но в 1997 году это было сделано.

Были немедленно отозваны все проданные автомобили (около 13 тысяч), проведена доработку конструкции. Затраты в 300 млн дойчмарок пошли на установку более жестких и коротких пружин от версии Avantgarde, замену полого стабилизатора поперечной устойчивости диаметром 17,6 мм на 20-миллиметровый пруток.

Из передних амортизаторов убрали пружины ограничения хода отбоя, поставили более низкопрофильные шины (195/50 R15 вместо 175/65 R15), увеличили заднюю колею, добавив проставки между рычагами и креплением ступицы. Увеличили отрицательный развал задних колес. И главное — все автомобили были оборудованы электронной системой стабилизации (ESP), ранее доступной только на более дорогих Mercedes (к стоимости автомобиля она добавила 1700 дойчмарок, но с клиентов деньги не брали).

По иронии судьбы, впервые в мире система ESP появилась как раз на автомобиле Mercedes-Benz — а именно, S600 Coupe (C140) Произошло это всего за два года до описываемых событий.

Эта история стала поводом для повсеместного внедрения на автомобилях систем ESP, спасшей за эти годы не менее 15 тысяч жизней только в Европе. Где все легковые автомобили, продаваемые с 1 ноября 2014 года, комплектуются ESP в обязательном порядке.

Давайте поговорим о том, откуда появилась система ESP, кто и как ее создал и как она работает. Начнем, как обычно, издалека.

Первые шаги: история появления антиблокировочной системы тормозов (ABS)

Первые системы, способные растормаживать заблокированные колеса, появились еще в начале прошлого века. Речь шла не про автомобили: решение было востребовано в железнодорожном транспорте и авиации. После посадки, пилоты выжимали до упора педаль тормоза. Это вызывало блокировку колес передней стойки шасси, что иногда приводило к повреждению шин, или даже перевороту самолета.

В 20-х годах авиаконструктор Габриэль Вуазен создал механическое устройство, в котором на одной оси был установлен барабан, вращающийся со скоростью колеса, и маховик, приводящий гидравлический клапан. Как только маховик при блокировке колеса начинал вращаться быстрее барабана, клапан приоткрывался, пропуская часть тормозной жидкости в расширительный резервуар в обход главного тормозного цилиндра, тем самым снижая давление в магистрали, вызывая разблокировку колеса. Это позволяло сократить тормозной путь на треть. Пилотам не надо было играть с педалью, можно было сразу давить от души. В авиации технология вошла в обиход. Антиблокировочную систему для автомобилей в 1936 году запатентовал немецкий инженер Роберт Бош, но действующий образец тогда не был построен.

К началу 50-х годов автомобили уже были достаточно скоростными, а их водители все чаще — непрофессиональными. Было очевидно, что при заблокированных колесах автомобиль теряет управляемость, что повышает риск ДТП.

В середине 60-х годов авиационные механогидравлические системы Dunlop Maxaret были адаптированы для автомобилей. Вспомним полноприводную семейку из Британии: болид F1 Ferguson Project 99 (P99, 1960 год), его предшественника — экспериментальную легковушку Ferguson R4 (1952 год) и наследника — мелкосерийный спорткар Jensen FF (1966). Система была одноканальной — то есть растормаживала все колеса одновременно, работая с частотой 10 герц (10 импульсов в секунду).

Механо-гидравлическая Sure-Trac разработки Kelsey-Hayes в приводе задних тормозов появилась в 1969 модельном году как опция на Lincoln Continental Mark III и Ford Thunderbird. В начале 70-х появилось сразу нескольких трехканальных систем АБС с элементами электронного управления: на Nissan President, Toyota Crown, Triumph 2500 и Chrysler Imperial.

Предлагаемая за cкромную доплату в $351 (при цене авто в $6800) система Sure-Trac второго поколения разработки Bendix поначалу представлялась прорывом. Почти шестиметровый Imperial (возможно, самый большой на тот момент в мире автомобиль с несущим кузовом!) действительно продолжал слушаться руля при торможении в пол и минимально уплывал в сторону на миксте.

Вместе с тем, компьютер системы Sure-Brake иначе как “глуповатым” не называли. Например, в тесте журнала Road Test, эксперты хотя и отмечали сокращение тормозного пути и стабильность при экстренном торможении, но у них возникали претензии к особенностям системы. При парковке электроника начинала думать, что колеса заблокированы на ходу, и начинала рывками распускать тормоза. Инструкция учитывала этот аспект, и рекомендовала владельцам попрактиковаться перед выездом на дороги.

Другими словами, ни одна из ранних антиблокировочных систем не была достаточно хороша для безопасного движения.

Качественный скачок случился в Европе. В 1966 компанией Teldix GmbH из Гейдельберга был разработан проект многоканальной АБС с полностью электронным управлением. Система получила название ABS 1.

Презентация системы, способной регулировать давление в конкретных тормозных механизмах, прошла на испытательном полигоне Daimler в Унтертюркхайме.

Возможности были многообещающими, но реализация — недостаточно надежной. Но разработка обратила на себя внимание компании Bosch, которая с 1969 года сама разрабатывала АБС с использованием полупроводников. Стало очевидно, что вместе компании способны предоставить действительно революционный продукт.

В 1973 году Teldix стал частью Bosch. Работы с Daimler продолжились. В 1978 году была представлена система ABS 2 — первая настоящая электронная трехканальная АБС. От Daimler за проект отвечал инженер Юрген Пауль, ставший одним из отцов новой разработки, наряду со своим коллегой Хайнцем Либером.

Теперь немного теории.

Что происходит на автомобиле без ABS? Заблокированные колеса генерируют силы, направленные противоположно направлению вращения колес. Изменение угла поворота руля практически не меняет направление вектора силы. То есть у вас нет возможности влиять на поперечное вращение автомобиля при торможении.

Электронная ABS обеспечивает возможность управления при торможении. Используя электромагнитные клапаны для исполнительных тормозных механизмов, она снижает давление в тормозных цилиндрах ниже уровня, установленного водителем.

Основная задача управляющего алгоритма — поддержание максимально возможного уровня тормозного усилия с одновременным сохранением генерации значительного уровня поперечных сил при помощи руля. Диапазон изменения тормозного усилия рассчитывается при помощи датчиков скорости вращения колес. Если колесо замедляется слишком быстро, то давление снижается, и снова ступенчато увеличивается при разгоне колеса.

“Первенцем” стал престижный седан Mercedes-Benz W116. Цена ABS как опции составляла внушительные DM 2,217.60. К 1980 году доработанная — уже четырехканальная — система в виде стала предлагаться на всех автомобилях марки, включая коммерческие, войдя в базовое оснащение к декабрю 1992 года. К тому моменту большинство продаваемых в Европе автомобилей класса предлагалось с ABS лишь в качестве опции.

Регистрация коммерческих автомобилей массой более 3,5 тонн и автобусов без АБС была запрещена еще в 1991 году, легковых — лишь в середине нулевых.

Система ABS стала первым шагом в совершенствовании систем активной безопасности автомобиля — появлении электронных систем контроля тяги (TCS/ASR) и стабилизации (ESP/ESC/VDC/FDR)

Новые возможности электроники. Антон ван Зантен, Yaw-сенсор и рождение системы ESP.

Влияние разворачивающего момента на движение автомобиля при торможении на заблокированных колесах стало предпосылкой для появления АБС. Но потеря управляемости наблюдалась и во множестве других случаев — во время скольжения передних колес при повороте руля на слишком большой угол, при активной пробуксовке ведущих колес, превышении скорости входа в поворот, недостаточной/избыточной скорости или неправильном направлении вращения руля и так далее. Возможно ли взять все эти факторы под контроль?

Заручившись рыночным успехом, Bosch и Daimler продолжили разработки. Лидером направления стал голландский инженер Антон ван Зантен. В 1973 году он окончил престижный Корнелльский университет в США, и в 1977 году был принят в Bosch. Талантливый ученый был вдохновлен идеей АБС, но понимал, что электроника способна на большее.

Для начала инженеры разобрались с потерей управляемости при пробуксовке ведущих колес. Так появились системы трекшн-контроля, сохраняющие управляемость при высоком уровне крутящего момента за счет контроля пробуксовки колес.

Использование концепции работы, аналогичной ABS, не подошло, в связи с высокой инерцией связанных с двигателем трансмиссией вращающихся колес и нелинейной зависимостью скорости вращения колес от скорости вращения коленвала двигателя. На моноприводных автомобилях проблема решилась легко — путем сравнения скорости вращения ведущих и не ведущих колес; для полноприводных машин было принято использовать более сложную математическую модель, учитывающую распределение крутящего момента между осями. Снижение проскальзывания колес до уровня достижения зацепа достигалось с помощью ограничения тяги двигателя и использования тормозных механизмов. В 1986 году в Bosch была выпущена в серию система TCS (ASR) — еще один из важных помощников для водителя.

Но главным достижением инженеров Bosch стала система ESP.

Сердцем новой системы стал новый датчик — Yaw-сенсор. Если перевести напрямую, то это датчик рыскания — но это авиационный термин. А речь тут идет об измерении скорости и ускорения поперечного вращения автомобиля, или его разворачивающего момента. Можно использовать формулировку — датчик угловой скорости относительно вертикальной оси.

Ранее, в рамках систем ABS и TCS, ни угол поворота руля, ни значение разворачивающего момента не были известны компьютеру, и контролировать управляемость за счет управления тормозами или тягой было невозможно.

Вместе с тем, проведенные исследования о влиянии угла скольжения автомобиля на его управляемость подтвердили, что значение разворачивающего момента меняется по мере того, как угол поворота рулевого колеса уменьшается, а угол скольжения — увеличивается. На сухих покрытиях, потеря управляемости отмечалась при значениях угла скольжения автомобиля больше 15°, в то время как на утрамбованном снегу это значение составляло около 4°. При больших углах поворота руля "зона стабильности" становилась практически нулевой для всех комбинаций угла и угловой скорости скольжения.

Поведение в критических ситуациях обычных водителей также оказалось совсем не таким, как у профессиональных водителей-испытателей. Большая часть (90%) обычных “драйверов” в потенциально аварийной ситуации совершала ошибки управления, не позволяющие избежать ДТП.

Система ESP, разработанная Антоном ван Зантеном, позволила достичь контроля за разворачивающим моментом автомобиля, регулируя значение проскальзывания каждого конкретного колеса. Эта концепция впервые позволяла управлять продольными и поперечными силами, действующими на автомобиль путем корректировки его разворачивающего момента в каждой конкретной ситуации. Главную роль в иерархии системы занимал компьютер, позволяющий с высокой скоростью анализировать показания с четырех новых датчиков: угла поворота рулевого колеса, давления в тормозной системе, разворачивающего момента (yaw-сенсор) и поперечного ускорения (g-сенсор).

Поскольку задуманная водителем траектория движения системе неизвестна, компьютеру предстояло учитывать множество переменных — не только сигналы от рулевого колеса, но и крутящий момент двигателя (как дериватив от положения педали газа) наряду с давлением в тормозной системе. И, используя все эти данные, контролировать вращающий момент автомобиля. Основной задачей системы стало повышение уровня активной безопасности, в частности, минимизации угла скольжения автомобиля. Как вы уже догадались, задачу по контролю уровня проскальзывания колес возложили на тормозные механизмы (ABS) и ограничение тяги двигателя (TCS). Выборочно подтормаживая колеса при помощи гидромодулятора ABS, и ограничивая подачу топлива, система ESP позволила добиваться стабильности автомобиля в любой ситуации — будь то разгон, поворот или торможение.

На этих схемах показано, как автомобили без ESP и ASP ведут себя в стандартных ситуациях, ведущих к потерю контроля.

На первой картинке — снос, или так называемый андерстир.Это ситуация возникает при значительном превышении скорости входа в поворот на большинстве современных автомобилей.

Автомобиль слева — без ESP, на повернутых колесах улетает с дороги. Справа — автомобиль с ESP. Системаподтормаживает внутреннее заднее колесо, доворачивая автомобиль по часовой стрелке и позволяя ему остаться на дуге.

Вторая картинка — ситуация с оверстиром, то есть когда в быстром повороте у вас развивается занос задней оси. На автомобиле без ABS (слева) вам в этой ситуации необходимо бороться с заносом.

Определив занос при помощи датчиков, система стабилизации на автомобиле с ESP притормаживает левое внешнее колесо, разворачивая автомобиль против часовой стрелки, и вы остаетесь на траектории.

Конечно, все сказанное выше про алгоритмы — большое упрощение. Ван Зантен с коллегами потратили годы, совершенствуя компьютерную модель и алгоритмы системы. В ходе тестов, проходивших в самых разных дорожных и климатических условиях, было в том числе установлено, что эффективность систем ESP сильно зависит от шин, которые также должны особым образом проектироваться для автомобилей, оснащенных электронными ассистентами.

Разработка системы ESP была долгой и дорогостоящей, и отчасти это упиралось в технологические возможности. Прототипы системы требовали компьютера массой в 35 кг и генератора на 220 В, они занимали весь огромный багажник (со сложенными сиденьями второго ряда) универсала Mercedes-Benz W123.

Более компактная, полностью работоспособная система ESP, считывающая показания с датчиков 25 раз в секунду, была разработана в 1987 году. Ее доводка, тестирование и внедрение потребовали еще нескольких лет.

Еще бы, ведь ее собирались поставить на один из самых дорогих из автомобилей того времени — Mercedes-Benz S600 Coupe (C140).

Автомобили с двигателями V12, уже в базе оснащенные ESP (FDR), поступили в продажу в марте 1995 года, за ними последовали седаны S600. В январе 1996 года система стала доступна в качестве опции для S- и SL-классов с моторами V8, как и для E420 W210.

Система ESP уверенно демонстрировала свое превосходство: используя тормозные механизмы и контроль тяги, она была способна бороться и со сносом, и с заносом.

Описанный в начале поста инцидент с переворотом А-класса стал для Mercedes-Benz поворотной точкой в принятии решения об оснащении всех выпускаемых автомобилей системой ESP. Тем более, что в 1998 году были представлены новые микромеханические yaw-сенсоры от Bosch — более точные и компактные, по сравнению с прежними пьезоэлектрическими.

К 1999 году компания Mercedes-Benz стала первым в мире производителем, все легковые автомобили которого уже в базе оснащались ESP. Это стало сигналом для всей индустрии. Сейчас выпускается уже девятое поколение систем ESP, которые в рамках поколения также различаются между собой по классам — например, шестипоршневые системы для премиальных автомобилей имеют больший функционал и эффективность, чем двухпоршневые системы на массовых автомобилей.

По данным на 2018 год, компанией Bosch — мировым лидером в этой области — выпущено свыше 250 миллионов систем ESP различных поколений, установленных на 82% выпускаемых автомобилей. Это позволило предотвратить сотни тысяч ДТП и спасти множество жизней.

Еще один интересный факт: Совершенствование тормозных систем в части появления ABS сопровождалось разработкой нового класса сравнительно маловязких тормозных жидкостей с высокой температурой кипения — так в свое время появился стандарт “тормозухи” DOT4 Class 4, а затем Class 6, и DOT5.1. Дальнейшее развитие ESP сделало требования к тормозной жидкости еще жестче. Разработанная Bosch новейшая ТЖ ENV6 — новый стандарт для первичной комплектации премиальных автомобилей.

Если сравнить с DOT4, то сухая точка кипения 270 градусов вместо 230 градусов, влажная точка кипения 185 против 155, вязкость при 40 градусах — менее 670 мм2/сек, против 750 (у маловязкой версии DOT4, у стандартной этот показатель равен 1500). Новый класс жидкости обеспечивает более надежную работу тормозов в жарких климатах, при эксплуатации в горных местностях, особенно при затяжных торможениях на спусках. Важно отметить “скорострельность” работы ESP при низких температурах, эффективную смазку и защиту от коррозии компонентов ABS и ESP, снижает шум работы систем, не вызывает повреждения резиновых компонентов. Совокупность всех свойств ENV6 добавила еще один позитивный фактор: менять ее можно минимум раз в три года, вместо традиционных двух. Что, впрочем, не отменяет необходимость регулярной проверки ТЖ при помощи «эбулиоскопического» тестера на температуру кипения. Популярная проверка "пальчиковыми" тестерами якобы на процент содержания влаги в тормозухе — не более чем проверка электропроводности. К сожалению, она не показательна. Но это несколько отдельная и сложная тема, поэтому не будем далеко отходить в сторону.

Антон ван Зантен получил более 180 патентов, из них несколько десятков — в области систем ESP. В 2016 году он был награжден престижной европейской премией “Изобретатель года” в номинации “дело жизни”.

Его команда продолжила совершенствование системы, которая со временем научилась стабилизировать автобусы, прицепы и мотоциклы.

Развитие систем ESP. Новые возможности и путь к автономному вождению

Появление систем активного рулевого управления и активной подвески расширило возможности систем стабилизации. ESP научилась подруливать и динамически менять жесткость стабилизаторов поперечной устойчивости, корректируя разворачивающий момент автомобиля в конкретный момент.

Еще один шаг на пути к более безопасному движению — электрогидравлическая тормозная система (EHB, SBC), в которой управляющий сигнал к исполнительным гидравлическим тормозным механизмам передается по проводам; давление в них устанавливается при помощи пропорциональных клапанов соответственно давлению в в главном тормозном цилиндре. Наиболее важное с точки зрения интеграции с ESP тут то, что давление в каждом механизме теперь не рассчитывается условно, а точно измеряется, и может быть моментально увеличено по команде электроники.

За счет этого, оценка скольжения каждого из колес осуществляется более точно, и система ESP может срабатывать раньше, что более комфортно для водителя. Фактически, скорость срабатывания ESP в таком случае ограничена только самой концепцией системы, направленной на безопасность. В электронику заложена необходимость сомневаться в достоверности сигналов, поэтому сначала ей нужно убедиться в соответствии показаний датчиков данным с yaw-сенсора. Основная идея в данном случае — лучше не мешать водителю, чем неприятно удивить его резкой реакцией в случае некорректного сигнала с датчика.

Работая совместно с активным рулевым управлением, электрогидравлическая тормозная система способна обеспечивать максимально эффективное влияние на стабилизацию автомобиля. Пока на большинстве автомобилей система EHB плавно внедряется в формате электронного стояночного тормоза, но все чаще новые электромобили получают тормозную систему типа brake-by-wire.

В настоящее время системы ESP работают как часть единого комплекса со всеми прочими помощниками водителя — системами удержания в полосе, автоматического торможения, контроля мертвых зон помощи при спуске, и конечно же, автономного вождения. И это тоже большая отдельная тема, о которой поговорим в одной из следующих публикаций.