Wszystko o współczynniku tarcia

Inżynierowie znaleźli sposób na utrzymywanie pojazdów w stanie stabilnym podczas jazdy po śliskich nawierzchniach. Teraz muszą obniżyć koszty produkcji, aby wprowadzić go do powszechnej sprzedaży

W wielu przypadkach fatalny w skutkach scenariusz jest prosty: poślizg – dachowanie – wypadek. W kilka sekund seria tragicznych wydarzeń staje się nieodwracalna i ktoś traci życie na drodze.

Teraz jednak może się to zmienić. Po ponad dziesięciu latach eksperymentów z elektronicznymi systemami kontroli toru jazdy (electronic stability control – ESC) badacze z branży motoryzacyjnej docenili wagę tej żadko stosowanej techniki. Według nich wystarczy powstrzymać poślizg, wykorzystując ESC, aby zapobiec całemu łańcuchowi makabrycznych zdarzeń.

– Ludzie dziś rozumieją, że jeżeli ułatwimy kierowcy sterowanie pojazdem, ograniczymy liczbę wypadków – mówi Rich Golitko, dyrektor marketingu zajmujący się elektronicznym system kontroli toru jazdy w Bosch Automotive.

Rzeczywiście, rozwiązanie uzyskano dzięki powstającym lawinowo opracowaniom technicznym. W styczniu Instytut Ubezpieczeń ds. Bezpieczeństwa Drogowego opublikował wnioski z przeprowadzonych badań. Zgodnie z jednym opracowaniem ESC zmniejszyło śmiertelne wypadki z udziałem jednego samochodu o zdumiewający wskaźnik 56%. To badanie pojawiło się tuż po raporcie National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) opublikowanym we wrześniu i opisującym możliwości zmniejszenia o 35% liczby wypadków z udziałem jednego samochodu, gdyby ESC stosowano we wszystkich pojazdach. Podobne badania przeprowadzone przez Uniwersytet w Iowa i Swedish National Road Commission wykazały odpowiednio 34-procentową i 38-procentową poprawę sterowania na mokrych i zaśnieżonych nawierzchniach dróg.

W ślad za uzyskanymi danymi producenci samochodów i dostawcy elektroniki zaczęli się przygotowywać do zaspokojenia znacznego popytu na ESC, który mógł dodatkowo wzrosnąć po ewentualnym wprowadzeniu przez rząd obowiązku stosowania tego systemu. Mimo że ESC do dziś osiągnął w USA zaledwie 11-procentowy udział w rynku, 30 stycznia GM zapowiedział, że ich technologia, znana jako Stabilitrak, stanie się standardem we wszystkich produkowanych przez firmę samochodach i ciężarówkach do 2010 roku.

Inżynierowie z firmy Bosch szacują, że około jednej trzeciej z produkowanych rocznie 17 milionów samochodów krajowych do roku 2008 będzie wyposażonych w systemy kontroli toru jazdy, zgodnie z zapotrzebowaniem społecznym na ratujące życie ESC.

– Biorąc pod uwagę, że każdego roku zdarza się od 14 000 do 17 000 wypadków śmiertelnych z udziałem jednego pojazdu, a my możemy zmniejszyć tę śmiertelność o 50%, dojdziemy do wniosku, że mamy do czynienia z ogromną liczbą ludzkich istnień, które można ocalić – mówi Golitko.

Jak działa ESC

Aby wizja ta mogła być urzeczywistniona, producenci samochodów, czołowi dostawcy oraz sprzedawcy części muszą przygotować się na znaczne zwiększenie popytu. Eksperci twierdzą, że taki wzrost jest realny głównie dlatego, że ESC jest po prostu elektroniczną nakładką, zainstalowaną w układzie przeciwdziałającym blokowaniu kół pojazdu podczas hamowania (antilock braking system – ABS).

Podstawowymi elementami technicznymi są: przyspieszeniomierz do pomiaru przyspieszenia bocznego, żyroskopowy czujnik stopnia obrotu pojazdu i czujnik kąta skrętu układu kierowniczego oraz elektroniczny moduł sterowania, a także wiązki przewodów elektrycznych. Działanie systemu polega na pomiarze stopnia obrotu pojazdu i bocznego przyspieszenia, a następnie porównaniu ich z torem jazdy pojazdu obranym przez kierowcę, wskazywanym przez czujnik kąta skrętu układu kierowniczego. Jeżeli mikrokontroler wykryje, że różnica pomiędzy żądanym a aktualnym torem jazdy jest zbyt duża, układ uruchomi jeden lub więcej hamulców przy kołach, wykorzystując układ ABS.

– Może to trwać kilka milisekund, aby kontroler zaobserwował odchylenie od celu, a następnie zareagował z dostateczną siłą, aby przywrócić pojazdowi prosty tor jazdy – zwraca uwagę Scott Dahl, dyrektor marketingu zajmujący się systemami zarządzania podwoziem w Bosch Automotive. – Poprzez wybiórcze zastosowanie siły hamowania na jednym z kół układ może wytworzyć moment przeciwdziałający niepożądanemu odchyleniu pojazdu – tłumaczy Dahl.

– W większości systemów kontroli toru jazdy wykorzystywane są mikrokontrolery, które pobierają próbki danych około 50 razy na sekundę – mówi Dahl. – W chwili, gdy „zauważają” odchylenie wykraczające poza wartość graniczną odchylenia od docelowego toru jazdy, wysyłają sygnał sterujący do układu ABS, który w zależności od wartości wymaganej siły hamowania potrzebuje około 80 do 500 milisekund na zareagowanie.

Aby uzyskać pełny obraz sytuacji, w większości systemów kontroli toru jazdy wykorzystuje się również informacje o pojeździe, takie jak: masa pojazdu, masa koła, środek ciężkości, współczynnik oporu, moment obrotowy silnika, moment bezwładności pochylenia, moment bezwładności toczenia i inne.

System kontroli toru jazdy na podstawie tych danych określa, czy konieczne są dodatkowe działania, takie jak ściąganie przepustnicy lub hamowanie innego koła.

– Układ „zna” możliwości każdego samochodu – mówi Dahl. – Oczywiście, corvette ma wyższe wartości graniczne niż expedition lub inny duży SUV.

ESC wykorzystuje również dane czujnika, aby uzyskać przybliżone oszacowanie współczynnika tarcia (μ) na powierzchni toru jazdy. Dzięki znajomości wartości μ, podobnie jak charakterystyk osiągów samochodu, ESC może określić zakres wymaganej interwencji i czas jej rozpoczęcia. Bosch wstępnie testuje układy na wszystkich rodzajach nawierzchni, łącznie z lodem, śniegiem, suchym asfaltem, mokrym asfaltem, żwirem, piaskiem, wybojami i kamieniami. – To wszystko dotyczy współczynnika μ – mówi Dahl.

Koszty trzeba obniżyć

Zanim jednak zgodnie z zamierzeniami system ten znajdzie się w powszechnym użyciu, czołowi dostawcy, tacy jak Bosch, Siemens VDO Automotive i Delphi Corp., muszą na tyle zminimalizować koszty, żeby można było sobie pozwolić na zastosowanie go również w pojazdach niższych klas. W wielu pojazdach przeznaczonych dla początkujących już samo zamontowanie systemu ABS jest zbyt kosztowne, a cóż dopiero mówić o dodatkowych 300–700 USD potrzebnych na ESC.

Aby sprostać zapotrzebowaniu, sprzedawcy elektroniki opracowują tańsze czujniki, a także metody integracji układów elektroniki, które pozwolą zmniejszyć koszty fabrycznego montażu. Na przykład firma Analog Devices Inc. opracowała czujniki stopnia obrotu pojazdu wytwarzane na bazie krzemu, które mogłyby kosztować znacznie mniej niż oparte na kwarcu piezoelektryczne generatory kalibracji żyroskopu, używane obecnie w większości systemów ESC.

W przeciwieństwie do kwarcowego żyroskopu, który wykorzystuje częstotliwość generatora strojenia do pomiaru odchylenia, czujniki krzemowe wykorzystują „drgania masy”, które wytwarzają sygnał elektryczny, proporcjonalny do szybkości zmian kąta obrotu pojazdu. Inżynierowie Analog Devices przewidują, że dzięki wykorzystaniu krzemu zamiast kwarcu mogą uzyskać obniżenie kosztów z około 20, 30 USD za sztukę do mniej niż 10 USD.

– Dziś ceny krzemu i kwarcu są porównywalne – zauważa David Krakauer, dyrektor marketingu produktu w firmie Analog Devices. – W ciągu jednak trzech, czterech lat, gdy technika się rozwinie, krzem będzie z pewnością tańszy.

Sposób działania elektronicznego systemu kontroli toru jazdy

^{DO PODJĘCIA decyzji o konieczności interwencji system ESC wykorzystuje kombinację informacji pochodzących z czujników i przechowywanych w bazie danych pojazdu}

Eksperci twierdzą, że redukcja kosztów może stać się decydującym czynnikiem, ponieważ liczba dodatkowych czujników ESC przypadających na jeden samochód (dziś są tylko dwa) może się zwiększać, co pozwoli dokonywać odczytu na podstawie wskazań przyspieszeniomierzy stosowanych dla trzech osi, dwóch żyroskopów i czujnika stopnia obrotu wokół osi podłużnej.

Inżynierowie Analog Devices argumentują również, że rozwiązania oparte na krzemie są bardziej odporne na uszkodzenia. To ważne zwłaszcza wtedy, gdy pojazd porusza się po żwirowych drogach i wzbija pył i kamienie, które mogą wpłynąć negatywnie na odczyt czujnika.

– Jeżeli jazda odbywa się po wyboistej drodze i kamienie odbijają się od podwozia samochodu, kierowca nie chciałby, aby czujnik odczytał ten wstrząs i zinterpretował go jako niekontrolowany obrót pojazdu – mówi Krakauer.

Inni sprzedawcy, łącznie z Silicon Sensing, spółką joint venture BAE Systems and Sumitomo Precision Products, z siedzibą w Hyogo w Japonii, włączyli się w rozwój badań krzemowych czujników stopnia obrotu pojazdu, wprowadzając nieznacznie różniące się techniki. Również Freescale Semiconductor rozważa wkroczenie na ten rynek.

Według inzynierów kluczem do obniżenia kosztów może stać się integracja urządzenia. Analog Devices pracuje między innymi nad zintegrowaniem na jednej płytce półprzewodnikowej przyspieszeniomierza do pomiaru przyspieszenia bocznego z czujnikami stopnia obrotu pojazdu. Wysiłki te idą w parze z próbami zintegrowania elektroniki ESC z układami ABS pod pokrywą komory silnika, zamiast umieszczania ich jak do tej pory w kabinie pasażerskiej. Wyeliminuje to kosztowne okablowanie siecią przewodów, które muszą być poprowadzone przez przegrodę ogniową, oddzielającą część pasażerską od części maszynowej pojazdu. Mówi się, że niektórzy producenci samochodów próbują pozostawić elektronikę systemów ESC w części pasażerskiej i zmniejszyć koszty przez zintegrowanie modułu ESC z modułem poduszki bezpieczeństwa.

– Lepiej umieścić więcej czujników w jednym miejscu, niż szukać na nie nowych miejsc wewnątrz pojazdu – mówi Krakauer.

ESC przeniesiony pod maskę silnika

^{SYSTEMY KONTROLI toru jazdy łączą czujniki przyspieszenia bocznego z istniejącymi hydraulicznymi systemami ABS}

Konsumenci muszą się przyzwyczaić do ich kupowania

Dostawcy samochodów wierzą, że jeżeli uda im się zapewnić powszechne zastosowanie ESC, zmniejszy się liczba wypadków śmiertelnych, szczególnie w przypadku SUV-ów i ciężarówek. ESC byłoby szczególnie użyteczne w samochodach, w których po poślizgu występuje duże ryzyko dachowania. Eksperci twierdzą, że pojazdy podczas poślizgu czasami uderzają w przeszkody lub wjeżdżają na żwirowe nawierzchnie, co powoduje wywrócenie się pojazdu i dachowanie. I chociaż wypadki takie nie zdarzają się często, dachowanie jest przyczyną 33% śmiertelnych wypadków samochodowych w USA, jak mówią inżynierowie z firmy Bosch.

Wszystko o współczynniku μ

Współczynnik tarcia dla różnych powierzchni

– Kontrola toru jazdy szczególnie skutecznie w przeciwdziała dachowaniom, ponieważ zapobiega obróceniu pojazdu bokiem i zjechaniu z drogi – twierdzi Golitko z Bosch.

Według dostawców system ten może zostać powszechnie przyjęty, jeżeli uda się przekonać społeczeństwo, że kontrola toru jazdy przyczynia się do ratowania życia. Najtrudniej będzie dokonać tego w USA, gdzie obecne zastosowanie wynosi 11%, podczas gdy w Niemczech 64%, a w całej Europie 36%.

– Nasza praca polega na przekonaniu ludzi, że możemy zmniejszyć liczbę wypadków z udziałem pojedynczego pojazdu o ponad 40%, a śmiertelne wypadki – o ponad połowę – stwierdza na zakończenie Golitko. – Wykorzystując tę technikę, możemy ocalić życie ponad 7000 osób rocznie.

Autor: TEKST: CHARLES J. MURRAY, ILUSTRACJE: STEVE EDSON