Système de freinage antiblocage

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Contexte

S'arrêter en toute sécurité est l'une des fonctions les plus importantes qu'un véhicule à moteur puisse remplir. Une défaillance du système de freinage entraînera presque invariablement des dommages matériels, des blessures corporelles ou même la mort. Par conséquent, une grande attention a été accordée à l'amélioration du système de freinage des camions et des voitures particulières au cours des neuf dernières décennies. L'une des dernières améliorations est un système de freinage antiblocage qui, comme son nom l'indique, empêche les freins d'un véhicule de se bloquer et de déraper lors d'arrêts brusques sur des routes mouillées ou verglacées.

Le problème du dérapage révèle la seule faiblesse écrasante de tous les systèmes de freinage des véhicules automobiles :ils dépendent fortement du coefficient de frottement statique entre le pneu et la route. Si, pour une raison quelconque, le pneu perd momentanément son adhérence à la route pendant que les freins sont appliqués, le frottement des freins contre les tambours ou les rotors bloque solidement la roue et le pneu commence à déraper sur la route. Dans cette condition, la force de freinage de cette roue dépend du frottement de glissement entre le pneu et la route, qui est bien inférieur au frottement statique. Dans des conditions humides ou glacées, le frottement de glissement est encore réduit, ce qui entraîne des distances d'arrêt considérablement plus longues. De plus, lorsque les roues avant sont dans cet état, elles ne peuvent pas être utilisées pour diriger le véhicule; quel que soit l'angle des roues avant, le véhicule continue de déraper dans la direction que son élan l'envoie jusqu'à ce que le conducteur relâche les freins ou que le véhicule entre en collision avec quelque chose d'assez solide pour l'arrêter.

Des générations de conducteurs ont appris à gérer cette condition en appliquant et en relâchant rapidement, ou en pompant, les freins lors d'un dérapage. Cependant, cette formation était souvent perdue lors de situations de panique. De plus, même le conducteur le plus calme et le mieux entraîné ne pouvait pas freiner plus rapidement que deux ou trois fois par seconde, ce qui limitait l'efficacité de la technique.

Une meilleure façon de gérer les dérapages lors du freinage avait été utilisée sur les avions pendant des décennies avant d'être introduite dans les véhicules terrestres. Les aéronefs étaient soumis aux mêmes conditions de faible traction que les voitures et les camions, et un aéronef en train de déraper - déjà à peine orientable - était vraiment un danger pour ses occupants et ceux qui l'entouraient. Pour lutter contre ce problème, de nombreux avions étaient équipés de systèmes de freinage antiblocage, appelés ABS, qui empêchaient les roues de freinage de se bloquer et de déraper sur les pistes glissantes.

Au début, cela a été accompli grâce à des commandes hydrauliques élaborées et coûteuses qui activaient et désactivaient rapidement les freins, permettant à l'avion d'être dirigé dans des conditions glissantes tout en permettant une grande capacité d'arrêt. Plus tard, les commandes électroniques ont permis une action antiblocage plus réactive aux conditions réelles du sol.

Au fur et à mesure que les parties électroniques et hydrauliques de l'ABS des avions sont devenues plus petites et moins chères, les constructeurs de camions et d'automobiles ont commencé à s'y intéresser. Au début, les systèmes de freinage antiblocage ont été développés uniquement pour les camions lourds. Les gros camions semi-remorques (combinaisons camions-remorques pesant jusqu'à 80 000 livres (36 364 kg)) étaient particulièrement dangereux pour la circulation autour d'eux lorsqu'ils dérapaient, car ils échappaient non seulement au contrôle du conducteur, mais étaient également articulés ou mis en plis, et fréquemment renversé. Aujourd'hui, les systèmes de freinage antiblocage sont standard sur de nombreuses voitures et camions.

Quel que soit le fabricant ou le type de véhicule, tous les systèmes de freinage antiblocage fonctionnent de la même manière. Des capteurs de vitesse de roue sont placés sur chaque roue à contrôler. Chaque capteur de vitesse a généralement une roue dentée, comme un engrenage, qui tourne à la même vitesse que la roue ou l'essieu du véhicule. Monté à proximité de cette roue dentée, mais sans la toucher, se trouve un aimant permanent enveloppé d'une bobine de fil, appelée bobine de ramassage (voir l'illustration). Lorsque chaque dent tourne au-delà de l'aimant permanent, le champ magnétique se concentre et augmente légèrement. Ceci, à son tour, induit une petite impulsion de courant dans la bobine de fil. Le nombre d'impulsions par seconde est directement proportionnel à la vitesse de la roue. Plus la roue tourne vite, plus les dents passent vite l'aimant et plus la fréquence du pouls est élevée.

La sortie pulsée des capteurs de vitesse de roue va à un contrôleur électronique, qui surveille la vitesse de chaque roue par rapport à la vitesse des autres roues. Tant que les freins ne sont pas appliqués et que toutes les roues surveillées tournent à peu près à la même vitesse, le système ne prend aucune mesure. Si, cependant, les freins sont appliqués et qu'une ou plusieurs des roues surveillées commencent soudainement à réduire la vitesse à un taux plus élevé que les autres - indiquant une perte de traction avec la route et un blocage et un dérapage imminents des roues - le contrôleur s'active alors le système antiblocage.

Le système de freinage antiblocage sur n'importe quel véhicule est simplement une fonction de surveillance et de contrôle supplémentaire superposée au système de freinage existant du véhicule. L'ABS n'est pas un deuxième système de freinage et ne remplace pas le système de freinage du véhicule. Lorsque les quatre roues d'une automobile sont surveillées et contrôlées, le système est appelé ABS à quatre canaux. Si les deux roues avant plus l'essieu arrière (mais pas chaque roue arrière individuellement) doivent être commandées, le système est appelé ABS à trois canaux. Sur les camions lourds avec deux essieux moteurs arrière, l'ABS est généralement un système à quatre canaux qui contrôle les roues avant et deux des quatre roues arrière. Les remorques tirées par des tracteurs de poids lourds peuvent également avoir leur propre ABS séparé qui doit s'interconnecter avec l'ABS du tracteur.

Dans une automobile, les freins sont actionnés par pression hydraulique. Le contrôleur ABS actionne des électrovannes intégrées du côté haute pression du maître-cylindre de frein. Ces valves sont normalement ouvertes et n'interfèrent pas avec le freinage. Lorsque le contrôleur détecte qu'une roue se bloque pendant le freinage, il active d'abord un solénoïde pour fermer une vanne dans la conduite de frein de la roue concernée, ce qui empêche la pression d'augmenter davantage. Si la roue bloquée continue de perdre de la vitesse, le contrôleur active un deuxième solénoïde qui évacue la pression de la conduite de frein affectée, libérant ainsi le frein de cette roue, que le conducteur appuie ou non sur la pédale de frein. Dès que la roue retrouve de l'adhérence et que sa vitesse augmente, les solénoïdes sont désactivés et le freinage normal reprend. Bien entendu, si les conditions sont telles que la roue recommence à patiner, le frein commencera rapidement à se bloquer et l'ABS prendra le relais. Ce cycle est répété 12 à 15 fois par seconde jusqu'à ce que l'état de la route change ou que le conducteur relâche les freins. Le conducteur pourra détecter ce cyclage rapide comme une vibration ressentie à travers la pédale de frein, mais n'aura aucune action à effectuer. L'ABS minimisera le dérapage et permettra au conducteur de garder le contrôle directionnel du véhicule.

Les freins d'un camion lourd sont actionnés par la pression d'air plutôt que par la pression hydraulique. Le système de freinage antiblocage d'un camion fonctionne de la même manière que l'ABS d'une automobile, sauf que les soupapes de commande de pression d'air antiblocage sont situées sur le longeron du châssis du véhicule, près de chaque roue.

Conception

Un système de freinage antiblocage est conçu pour une application spécifique du véhicule. Un camion qui ne tire pas de remorque, comme une bétonnière, aurait un ABS légèrement différent d'un camion tracteur qui tire une ou plusieurs remorques. De même, un système de freinage antiblocage pour une remorque aurait une conception différente.

L'ABS pour automobiles peut être encore plus spécifique et peut être conçu pour un Quel que soit le fabricant ou le type de véhicule, tous les systèmes de freinage antiblocage fonctionnent de la même manière. Des capteurs de vitesse de roue sont placés sur chaque roue à contrôler. Chaque capteur de vitesse a généralement une roue dentée qui tourne à la même vitesse que la roue ou l'essieu du véhicule. Si les freins sont appliqués et qu'une ou plusieurs des roues surveillées commencent soudainement à réduire la vitesse à un taux plus élevé que les autres, le contrôleur active le système antiblocage. marque et modèle de voiture. Étant donné que les composants ABS doivent s'adapter et fonctionner avec les composants existants du véhicule sur chaque modèle, le processus de conception et de fabrication d'un nouveau système de freinage antiblocage est réalisé en partenariat entre le constructeur automobile et le fournisseur d'ABS.

Matières premières

La roue dentée ou l'engrenage du capteur de vitesse est en fer doux, généralement jeté. Le fer est choisi en raison de sa perméabilité magnétique élevée et de sa faible réluctance magnétique. La réluctance magnétique est à peu près équivalente à la résistance électrique, et parfois la roue dentée est appelée le rélucteur. La fonction de la roue dentée est de permettre au champ de l'aimant permanent de passer facilement à travers chaque dent pour provoquer une concentration momentanée de l'intensité du champ qui induit un courant dans la bobine de détection. La bobine de captage a un aimant permanent dans le noyau, enveloppé d'une bobine de fil de cuivre.

Le contrôleur utilise généralement des transistors appelés pilotes hot-side qui contrôlent le côté alimentation du circuit plutôt que le côté terre. Ces transistors produisent plus de chaleur que d'habitude dans un circuit électronique. Plutôt que d'être placés dans un boîtier en plastique ou en acier estampé, ils sont fixés à un boîtier en fonte d'aluminium avec un dissipateur thermique à ailettes pour dissiper la chaleur.

Les solénoïdes hydrauliques de pression de freinage utilisés dans les automobiles ont une construction standard d'éléments de bobine en cuivre avec des vannes et des corps en acier. Ils sont logés dans le même carter que le maître-cylindre du système de freinage qui est généralement en fonte d'aluminium.

Le câblage électrique est en cuivre, souvent avec une isolation en polyéthylène réticulé. Pour éviter les interférences radio (RFI), dans lesquelles des signaux radio haute puissance peuvent être reçus via le câblage et provoquer l'activation du système, tout le câblage est soit blindé, soit les fils sont exécutés en paires torsadées pour annuler les effets des ondes radio . Les connecteurs sont en plastique avec des contacts internes en cuivre.

Le processus de fabrication

Le processus de fabrication des systèmes de freinage antiblocage consiste à fabriquer les pièces constitutives, puis à installer ces pièces sur le véhicule. Les pièces sont fabriquées dans une usine, puis emballées et expédiées à une usine d'assemblage de véhicules pour l'installation. Il s'agit d'un processus typique pour un système de freinage antiblocage automobile.

Réalisation du maître cylindre de frein

• 1 Le maître-cylindre, y compris la base pour le corps du solénoïde, est moulé en une seule unité. Les surfaces d'appui et d'étanchéité sont usinées lisses et les orifices de raccordement sont filetés.
• 2 Les pistons primaire et secondaire individuels, les bobines magnétiques, les bouchons et joints de réservoir, l'accumulateur de pression et toutes les vannes de dosage et de dosage sont installés. Le corps du solénoïde a un couvercle qui se fixe au maître-cylindre avec quatre vis ou plus et est scellé avec un joint.

Réalisation des capteurs de vitesse de roue

• 3 La roue dentée est en fonte. Un usinage mineur peut être nécessaire aux points de montage.
• 4 Les bobines de captage sont enroulées autour du noyau de l'aimant permanent dans une machine appelée enrouleur de bobine. L'ensemble est enfermé, ou en pot, dans de la résine plastique avec un connecteur électrique attaché.

Réalisation du contrôleur

• 5 Les composants du contrôleur électronique sont soudés à une carte de circuit imprimé .
• 6 La carte est connectée à l'intérieur d'un boîtier de protection et montée sur la base du dissipateur thermique en fonte d'aluminium. Des connexions électriques externes sont fournies pour le câblage d'entrée de chaque capteur de vitesse et le câblage de sortie vers les solénoïdes dans le maître-cylindre de frein.

Installation de l'ABS

• 7 Dans l'usine de montage automobile, les conduites de frein en tube d'acier sont installées dans l'ossature de la carrosserie. Ils s'étendent de la cloison entre le compartiment moteur et l'habitacle, appelée pare-feu, jusqu'au voisinage de chaque roue. Les fils électriques de l'ABS sont également acheminés du voisinage de chaque roue à l'emplacement du contrôleur et du contrôleur au pare-feu.
• 8 Le maître-cylindre de frein est boulonné à la cloison pare-feu dans le compartiment moteur près de la pédale de frein. Les conduites de frein sont fixées aux ports appropriés sur le corps du solénoïde et les fils électriques sont connectés.
• 9 Les roues dentées du capteur sont pressées sur les joints homocinétiques externes ou les extrémités des fusées d'essieu de sorte qu'elles roulent juste à l'intérieur des roues. Une fois les essieux fixés au cadre, les conduites de frein sont fixées et les bobines de ramassage sont installées de manière à ce que l'extrémité des bobines soit proche des roues dentées. Les bobines de détection sont ensuite connectées électriquement aux fils du contrôleur.
• 10 Le contrôleur est installé soit sous le tableau de bord, soit dans le coffre du véhicule. Les raccordements électriques sont effectués, y compris le raccordement électrique de la batterie du véhicule à travers la boîte à fusibles.

Contrôle qualité

L'idée qu'un système électronique puisse prendre en charge le fonctionnement des freins d'un véhicule dérange certains. Pour cette raison, le fonctionnement du système est préalablement testé minutieusement et la qualité de l'installation est constamment revue.

De plus, tous les systèmes de freinage antiblocage sont conçus pour être à sécurité intégrée, c'est-à-dire que toute défaillance d'un composant entraînera une défaillance du système de manière à permettre toujours le fonctionnement sûr des freins.

Le futur

Il est fort possible que le gouvernement fédéral impose l'utilisation de freins antiblocage sur certains véhicules dans un proche avenir. L'ABS est utilisé depuis plusieurs années et les preuves s'accumulent concernant ses avantages, en particulier sa capacité à améliorer les distances d'arrêt du véhicule et à maintenir le contrôle directionnel du véhicule dans des conditions de route extrêmement glissantes.

Ces découvertes ne sont cependant pas sans controverse. Les affirmations initiales sur les avantages de l'ABS étaient considérablement surestimées, et de nombreux conducteurs ont découvert que l'ABS leur offrait peu ou pas d'avantage dans leur situation particulière. À cet égard, la polémique est un peu comme celle qui entourait les ceintures de sécurité.

Des systèmes supplémentaires ont été développés pour améliorer les avantages de l'ABS de base. L'un de ces systèmes est le contrôle automatique de la traction, appelé ATC. L'ATC utilise les mêmes composants que l'ABS, mais fonctionne à l'autre extrémité du spectre de vitesse :faire démarrer un véhicule dans des conditions glissantes. En fonctionnement, il détecte la vitesse de chaque roue pour détecter quand une ou plusieurs roues "se détachent" et commencent à patiner. Lorsque cela se produit, il applique le frein sur cette roue 12 à 15 fois par seconde pour la laisser ralentir et reprendre de la traction. Lors de manifestations, les véhicules ont été retenus par des blocs sur une pente recouverte de glace. Lorsque les véhicules démarrent et que les blocs sont retirés, le véhicule sans ATC fait tourner ses roues et glisse lentement vers l'arrière dans la pente, tandis que le véhicule équipé de l'ATC remonte la glace.

On s'attend à ce que l'ABS, ainsi que d'autres nouveaux produits automobiles, continue de gagner en popularité à mesure que le prix baisse et que les avantages deviennent plus apparents.