Brake-by-wire – technologia, która zmienia układy hamulcowe i pracę warsztatów
ZFPrzez ponad sto lat zasada działania samochodowego układu hamulcowego pozostawała niezmienna: siła nacisku na pedał hamulca była mechanicznie przekazywana do pompy hamulcowej, a następnie hydraulicznie do zacisków dociskających klocki do tarcz. Ten model właśnie odchodzi do historii. Elektryfikacja napędu, rozwój systemów wspomagania kierowcy oraz pojazdów definiowanych programowo wymuszają przejście na technologię brake-by-wire, w której hamowanie jest sterowane elektronicznie.
- Pedał hamulca to już nie tłok, tylko czujnik – w brake-by-wire kierowca „prosi” o hamowanie, a resztę oblicza sterownik w milisekundach. Poznaj tę technologię!
- Cofnięcie tłoczków bez trybu serwisowego może uszkodzić zacisk – klasyczna wymiana klocków wymaga dziś zupełnie nowej procedury. Jakie jeszcze wyzwania stoją przed warsztatami i dotyczą napraw w układzie hamulcowym?
- Kontrolka hamulców, choć hamulce są sprawne – winowajcą bywa BMS, ESC albo błąd komunikacji między sterownikami, nie mechanika. Przeanalizuj listę najczęstszych usterek.
Choć z perspektywy kierowcy współczesny samochód nadal wygląda znajomo (ma pedał hamulca i klasyczne zaciski hamulcowe) rzeczywiste sterowanie procesem hamowania od dawna nie opiera się wyłącznie na mechanice. Już układ przeciwblokujący ABS (Anti-lock Braking System), wprowadzony do produkcji seryjnej pod koniec lat 70. przez firmę Bosch we współpracy z producentami samochodów, udowodnił, że elektronika może wielokrotnie w ciągu sekundy regulować ciśnienie w poszczególnych zaciskach skuteczniej niż kierowca.
Kolejnym krokiem był wprowadzony w 1995 r. system kontroli dynamiki jazdy, który w 1997 r. doprowadził do powstania elektronicznego systemu stabilizacji toru jazdy, znanego dziś również jako ESC (Electronic Stability Program) lub DSC (Dynamic Stability Control). Łączy on funkcję układu przeciwblokującego z kontrolą poślizgu kół napędowych, stabilizując pojazd poprzez ukierunkowane hamowanie poszczególnych kół i redukcję momentu obrotowego silnika.
Od 2014 r. jest on obowiązkowym wyposażeniem pojazdów w Unii Europejskiej. Jednym z wydarzeń, które znacząco przyspieszyły jego wdrożenie, był przeprowadzony w październiku 1997 r. test – manewr gwałtownej, podwójnej zmiany pasa ruchu bez hamowania przy prędkości ok. 60 km/h.
Nowo zaprezentowany pojazd Mercedes-Benz klasy A nie przeszedł tej próby i uległ wywróceniu podczas manewru. Wydarzenie to skłoniło producenta do wprowadzenia systemu ESP (Electronic Stability Program) jako wyposażenia standardowego we wszystkich kolejnych egzemplarzach modelu.
Czym jest technologia brake-by-wire?
Pojęcie brake-by-wire bywa błędnie utożsamiane z całkowitym wyeliminowaniem hydrauliki z układu hamulcowego. W rzeczywistości oznacza ono przede wszystkim zastąpienie mechanicznego połączenia między pedałem hamulca a elementami wykonawczymi sygnałem elektronicznym.
Po naciśnięciu pedału kierowca nie przekazuje już bezpośrednio siły do pompy hamulcowej. Zamiar hamowania kierowcy rejestruje redundantny zestaw czujników mierzących m.in. położenie pedału hamulca, prędkość jego przemieszczania, siłę nacisku oraz tempo narastania sygnału.
Informacje te trafiają do centralnego sterownika układu hamulcowego, który analizuje je równocześnie z danymi przekazywanymi przez pozostałe sterowniki pojazdu: prędkością jazdy, przyspieszeniem poprzecznym i wzdłużnym, prędkościami obrotowymi wszystkich kół, kątem skrętu kierownicy, estymowaną przyczepnością nawierzchni, obciążeniem pojazdu, dostępnym momentem hamowania rekuperacyjnego oraz szacowaną temperaturą elementów ciernych. Na tej podstawie sterownik wyznacza optymalną siłę hamowania dla każdego koła i przekazuje polecenia do elektrohydraulicznych lub elektromechanicznych siłowników hamulcowych. W praktyce kierowca wydaje polecenie hamowania, natomiast sposób jego realizacji jest obliczany przez sterownik w czasie liczonym w milisekundach.
Dlaczego klasyczny hydrauliczny układ hamulcowy przestaje wystarczać?
Jeszcze kilkanaście lat temu układ hamulcowy służył głównie do zmniejszania prędkości i zatrzymywania pojazdu. Dziś współpracuje ze sterownikami napędu, zawieszenia, układu kierowniczego i zarządzania energią, co szczególnie widać w samochodach elektrycznych.
Najpierw wykorzystywane jest hamowanie odzyskowe silnikiem elektrycznym, a hamulce cierne włączają się, gdy wymagane opóźnienie przekracza możliwości odzysku lub akumulator jest maksymalnie naładowany. Proces ten należy do najbardziej wymagających zadań współczesnych sterowników podwozi.
Kierowca powinien odczuwać płynne, liniowe hamowanie niezależnie od sposobu opóźniania pojazdu. Wymaga to błyskawicznej wymiany danych między sterownikiem napędu, systemem zarządzania akumulatorem, układem hamulcowym i systemami stabilizacji toru jazdy. Technologia brake-by-wire zwiększa też skuteczność systemów ADAS, umożliwiając w sytuacji awaryjnej szybkie uruchomienie elementów wykonawczych układu hamulcowego oraz ograniczenie opóźnień charakterystycznych dla klasycznego układu mechaniczno- hydraulicznego.
3 kierunki rozwoju technologii brake-by-wire
Rozwój technologii brake-by-wire przebiega obecnie równolegle w trzech kierunkach, różniących się stopniem wykorzystania hydrauliki. Pierwszą grupę stanowią układy elektrohydrauliczne, w których ciśnienie płynu hamulcowego nadal uruchamia zaciski, jednak jego wytwarzaniem steruje elektrohydrauliczny zespół pompy i modułu ciśnieniowego, a kierowca nie przekazuje już mechanicznie siły do pompy głównej.
Rozwiązanie to – określane również jako wariant „mokry” – jest obecnie najczęściej stosowaną technologią brake-by-wire w produkcji seryjnej. Drugą grupę tworzą rozwiązania hybrydowe, określane także jako „półsuche”, wykorzystujące odmienne technologie hamowania na obu osiach pojazdu.
Przednia oś nadal korzysta z układu hydraulicznego, natomiast tylna wyposażona jest w elektromechaniczne zaciski pełniące jednocześnie funkcję hamulca roboczego i postojowego. Taka konfiguracja sprawdza się zwłaszcza w cięższych pojazdach typu pickup i lekkich samochodach dostawczych, gdzie wymagane siły zacisku dla hamulca postojowego łatwiej uzyskać przy wykorzystaniu napędu elektromechanicznego niż klasycznego elektrycznego hamulca postojowego.
Najbardziej zaawansowanym kierunkiem są w pełni elektromechaniczne układy „suche”, całkowicie eliminujące płyn hamulcowy i przewody hydrauliczne. Każde koło wyposażone jest w elektromechaniczny siłownik napędzający zacisk hamulcowy, a sygnał hamowania od pedału do elementu wykonawczego przesyłany jest wyłącznie drogą elektryczną.
Taka architektura umożliwia skrócenie czasu reakcji układu hamulcowego, precyzyjniejsze sterowanie siłą hamowania, lepszą integrację z hamowaniem rekuperacyjnym oraz wyeliminowanie konieczności okresowej wymiany płynu hamulcowego. Choć technologia ta znajduje się jeszcze na wcześniejszym etapie wdrażania niż rozwiązania elektrohydrauliczne, jest powszechnie uznawana za docelowy kierunek rozwoju pojazdów definiowanych programowo.
Jak dostawcy rozwijają tec hnologię brake-by-wire
Choć poszczególni dostawcy układów hamulcowych stosują odmienne rozwiązania konstrukcyjne, ich wspólnym celem jest skrócenie czasu reakcji układu, łatwiejsza integracja z elektroniką pojazdu oraz przygotowanie pojazdu do realizacji funkcji autonomicznych. Część producentów stawia na pełne oddzielenie pedału hamulca od hydraulicznego obwodu wykonawczego, pozostawiając hydraulikę jako element generujący siłę hamowania przy kołach.
Takie podejście umożliwia bardzo szybkie budowanie ciśnienia, ułatwia rozmieszczenie komponentów w komorze silnika niezależnie od wersji z kierownicą po lewej lub prawej stronie oraz – w niektórych konstrukcjach – pozwala ograniczyć masę całego układu nawet o ok. 25% w porównaniu z klasycznymi, redundantnymi układami hydraulicznymi. Inni dostawcy rozwijają konstrukcje oparte na niezależnym sterowaniu siłą hamowania każdego koła, łącząc hydrauliczne zaciski przedniej osi z elektromechanicznymi na osi tylnej.
Rozwiązanie to umożliwia stopniowe przechodzenie od klasycznych układów hamulcowych do architektury w pełni elektromechanicznej bez konieczności radykalnej przebudowy pojazdu. Otwiera również drogę do integracji układu hamulcowego z systemami monitorowania parametrów opon.
Dane dotyczące przyczepności, obciążenia i temperatury opon mogą być wykorzystywane do jeszcze dokładniejszego dozowania siły hamowania, co może skrócić drogę hamowania pojazdu. Jeszcze inni producenci koncentrują się na modułach współpracujących bezpośrednio z centralnymi komputerami pojazdu.
Dzięki temu funkcje ABS, ESC, kontroli trakcji TCS (Traction Control System) i automatycznego hamowania awaryjnego AEB (Autonomous Emergency Braking) mogą być realizowane przez wspólną platformę programową, a integracja układu hamulcowego z napędem elektrycznym umożliwia płynne przechodzenie między hamowaniem rekuperacyjnym a ciernym. Równie istotną rolę odgrywają dostawcy komponentów elektronicznych – precyzyjnych czujników pedału hamulca, czujników ciśnienia oraz sterowników – od których jakości zależy niezawodność architektury redundantnej spełniającej najwyższe wymagania bezpieczeństwa.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Brake-by-wire w architekturze pojazdu definiowanego programowo
Rezygnacja z mechanicznego połączenia między pedałem a pompą główną daje konstruktorom większą swobodę projektowania komory czołowej pojazdu i upraszcza dostosowanie modeli do różnych wersji konstrukcyjnych. Jeszcze większe znaczenie ma jednak możliwość pełnej integracji układu hamulcowego z architekturą pojazdu definiowanego programowo, w której coraz więcej funkcji realizują centralne komputery zarządzające pracą całego pojazdu. Brake-by-wire doskonale wpisuje się w ten kierunek, ponieważ funkcje i strategie sterowania mogą być aktualizowane programowo, podobnie jak oprogramowanie napędu, zawieszenia czy systemów wspomagania kierowcy.
Bezpieczeństwo układów brake-by-wire: normy ISO 26262 i ASIL D
Ponieważ w architekturze brake-by-wire nie występuje bezpośrednie mechaniczne połączenie między pedałem hamulca a układem wykonawczym, wszystkie nowoczesne rozwiązania projektowane są zgodnie z wymaganiami normy ISO 26262, określającej zasady bezpieczeństwa funkcjonalnego systemów elektrycznych i elektronicznych stosowanych w pojazdach. Większość funkcji brake-by-wire spełnia wymagania poziomu ASIL D (Automotive Safety Integrity Level D) – najwyższej klasy bezpieczeństwa funkcjonalnego przewidzianej dla motoryzacji.
W praktyce zapewniają to:
- redundantne czujniki,
- podwójne tory przetwarzania sygnałów,
- niezależne źródła zasilania
- oraz ciągłe porównywanie wyników obliczeń przez sterowniki,
zgodnie z zasadą redundancji elementów krytycznych dla bezpieczeństwa, od lat stosowaną również w lotnictwie. Dane w sieci pokładowej są przy tym przesyłane magistralami komunikacyjnymi o deterministycznym czasie transmisji i dużej przepustowości, z wykorzystaniem zdublowanych kanałów transmisji danych.
Bezpieczeństwo układów hamulcowych nie kończy się jednak na niezawodności mechanicznej i elektrycznej. Sterowniki brake-by-wire komunikują się z wieloma systemami pojazdu i coraz częściej otrzymują aktualizacje oprogramowania drogą bezprzewodową, dlatego producenci wdrażają rozwiązania chroniące przed nieautoryzowanym dostępem, fałszowaniem komunikacji oraz nieuprawnioną modyfikacją oprogramowania.
Dla niezależnych warsztatów oznacza to stopniowe rozszerzanie procedur autoryzowanego dostępu do funkcji diagnostycznych. Coraz częściej wykonanie wybranych operacji serwisowych będzie wymagało uwierzytelnienia testera diagnostycznego, a niekiedy również uprawnień użytkownika.
Jak brake-by-wire zmienia pracę warsztatu
Przez dziesięciolecia diagnostyka układów hamulcowych opierała się przede wszystkim na ocenie stanu elementów mechanicznych i hydraulicznych: grubości tarcz i okładzin ciernych klocków, szczelności przewodów, stanu zacisków, skuteczności hamowania na stanowisku rolkowym oraz jakości płynu hamulcowego. W przypadku technologii brake- by-wire proporcje te ulegają odwróceniu.
Elementy cierne nadal podlegają kontroli, jednak o prawidłowym działaniu całego układu w coraz większym stopniu decydują czujniki, sterowniki, oprogramowanie i sieci komunikacyjne pojazdu. Dla warsztatów oznacza to konieczność rozszerzenia kompetencji o diagnostykę elektroniczną i sieci pokładowej oraz procedury kalibracyjne.
Nie oznacza to końca klasycznej mechaniki – zaciski, tarcze i klocki nadal pozostają podstawowymi elementami eksploatacyjnymi, lecz ich współpraca z elektroniką jest znacznie bardziej zaawansowana niż w tradycyjnych układach. Współczesna diagnostyka coraz częściej rozpoczyna się od analizy danych zapisanych przez sterownik, który nieustannie kontroluje sygnały z czujników pedału hamulca, ciśnienie generowane przez moduł elektrohydrauliczny, parametry pracy elementów wykonawczych, prędkości obrotowe kół, napięcie zasilania poszczególnych obwodów oraz poprawność działania torów redundantnych.
Dopiero po takiej analizie warto przechodzić do klasycznej diagnostyki mechanicznej. Coraz częściej okazuje się bowiem, że przyczyną nieprawidłowej pracy układu nie jest uszkodzony zacisk czy pompa hamulcowa, lecz zakłócenia komunikacji między sterownikami, błąd kalibracji czujnika lub nieprawidłowo przeprowadzona aktualizacja oprogramowania.
Zmieniają się również typowe czynności serwisowe. W wielu pojazdach przed wymianą klocków konieczne jest przełączenie układu w tryb serwisowy, podczas którego sterownik steruje cofnięciem tłoczków i przygotowuje układ do obsługi, a po zakończeniu naprawy przeprowadza ponowną inicjalizację elementów wykonawczych.
W układach elektrohydraulicznych samo odpowietrzenie zacisków może okazać się niewystarczające, ponieważ powietrze może pozostawać w modulatorze hydraulicznym. W takiej sytuacji konieczne jest uruchomienie procedury odpowietrzania z poziomu testera diagnostycznego, która cyklicznie otwiera zawory i uruchamia pompę.
Rosnąca liczba czujników sprawia z kolei, że po wielu naprawach niezbędna staje się kalibracja obejmująca adaptację czujnika pedału hamulca, inicjalizację zacisków elektromechanicznych czy synchronizację z systemami ESC i ADAS. Ponieważ sterownik układu hamulcowego wymienia dane z układem napędowym, systemem zarządzania akumulatorem BMS (Battery Management System), modułem ESC, układem kierowniczym oraz centralnym komputerem pojazdu, awaria jednego z tych elementów może spowodować wyświetlenie komunikatu dotyczącego hamulców, mimo że sam układ hamulcowy pozostaje sprawny.
Dlatego rośnie znaczenie diagnostyki sieci komunikacyjnych, a w bardziej złożonych przypadkach także analizy przebiegów sygnałów za pomocą oscyloskopu lub analizatora magistrali danych. Brake-by-wire wyznacza dziś jeden z najważniejszych kierunków rozwoju układów hamulcowych.
Elektroniczne sterowanie umożliwia szybszą reakcję, precyzyjniejsze dozowanie siły hamowania i pełną integrację z napędem elektrycznym, systemami wspomagania kierowcy, a także z architekturą pojazdów definiowanych programowo. Choć rozwiązania w pełni elektromechaniczne dopiero wchodzą do produkcji seryjnej, już dziś widać, że klasyczna hydraulika będzie stopniowo ustępować miejsca układom sterowanym cyfrowo.
Dla warsztatów oznacza to zmianę charakteru obsługi hamulców. Znajomość budowy zacisków i pomp pozostanie niezbędna, ale równie ważne stają się umiejętności związane z diagnostyką elektroniczną, kalibracją czujników, procedurami serwisowymi i analizą komunikacji między sterownikami. Brake-by-wire nie eliminuje tradycyjnej mechaniki, ale łączy ją z zaawansowaną elektroniką i oprogramowaniem.
| Co powinien wiedzieć warsztat |
Choć układy brake-by-wire nadal wykorzystują tarcze i klocki hamulcowe, ich obsługa różni się od klasycznych systemów hydraulicznych. Coraz większą rolę odgrywają: diagnostyka elektroniczna, procedury serwiswe i kalibracja sterowników. Przy naprawach warto pamiętać o kilku zasadach:
|
Źródło: Materiały redakcyjne
O Autorze
