アンチロックブレーキシステム

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背景

安全に停止することは、自動車が実行できる最も重要な機能の1つです。ブレーキシステムの故障は、ほとんどの場合、物的損害、人身傷害、さらには死亡につながります。その結果、過去90年間、トラックや乗用車のブレーキシステムの改善に多大な配慮が払われてきました。最新の改良点の1つは、アンチロックブレーキシステムです。これは、その名前が示すように、濡れた路面や凍った路面でのハードストップ中に車両のブレーキがロックして横滑りするのを防ぎます。

横滑りの問題は、すべての自動車ブレーキシステムの1つの圧倒的な弱点を明らかにします。それらは、タイヤと道路の間の静止摩擦係数に強く依存します。何らかの理由でブレーキがかけられている間にタイヤが道路への接着を一時的に失うと、ドラムまたはローターに対するブレーキの摩擦がホイールをしっかりとロックし、タイヤが道路を横切って滑り始めます。この状態では、その車輪のブレーキ力はタイヤと路面の間の滑り摩擦に依存し、静止摩擦よりはるかに小さくなります。濡れた状態や氷の状態では、滑り摩擦がさらに減少し、停止距離が大幅に長くなります。さらに、前輪がこの状態の場合、前輪を使用して車両を操縦することはできません。前輪の角度に関係なく、ドライバーがブレーキを解除するか、車両が停止するのに十分な固いものに衝突するまで、車両はその勢いがどの方向にでも滑走し続けます。

何世代にもわたるドライバーは、スキッド中にブレーキをすばやくかけたり解放したり、ポンプで汲み上げたりすることで、この状態に対処するように教えられました。ただし、このトレーニングはパニック状態のときに失われることがよくありました。さらに、最も穏やかで最も訓練されたドライバーでさえ、1秒間に2〜3回より速くブレーキをかけることができず、それが技術の有効性を制限していました。

地上車両に導入される前の数十年間、航空機ではブレーキをかけながらスキッドを処理するためのより良い方法が使用されていました。航空機は、自動車やトラックと同じ低トラクション条件にさらされており、横滑りする航空機は、すでにわずかに操縦可能でしたが、乗員とその周囲の人々にとって本当に危険でした。この問題に対処するために、多くの航空機にはABSと呼ばれるアンチロックブレーキシステムが装備されていました。これにより、滑りやすい滑走路でブレーキホイールがロックして横滑りするのを防ぎました。

当初、これは、ブレーキのオンとオフをすばやく切り替える精巧で高価な油圧制御によって実現され、滑りやすい状況でも飛行機を操縦できると同時に、大きな停止能力を発揮しました。その後、電子制御により、実際の地面の状態により敏感なアンチロックアクションが可能になりました。

航空機のABSの電子および油圧部分がより小さく、より安価になるにつれて、トラックおよび自動車メーカーが関心を持ち始めました。当初、アンチロックブレーキシステムは大型トラック専用に開発されました。大型セミトラック（最大80,000ポンド（36,364 kg）のトラックトラクターとトレーラーの組み合わせ）は、ドライバーの制御が及ばないだけでなく、関節式またはジャックナイフで移動したため、横滑りしたときに周囲の交通に特に危険でした。頻繁にロールオーバー。今日、アンチロックブレーキシステムは多くの車やトラックに標準装備されています。

メーカーや車両の種類に関係なく、すべてのアンチロックブレーキシステムは同じように作動します。車輪速センサーは、制御される各車輪に配置されます。各速度センサーには通常、歯車のような歯車があり、車両の車輪または車軸と同じ速度で回転します。この歯付きホイールの近くに取り付けられていますが、触れていないのは、永久磁石です。 ピックアップコイルと呼ばれるワイヤーのコイルで包まれています（図を参照）。各歯が永久磁石を越えて回転すると、磁場が集中してわずかに増加します。これにより、ワイヤーのコイルに小さな電流パルスが誘導されます。 1秒あたりのパルス数は、ホイールの速度に正比例します。ホイールの回転が速いほど、歯が磁石を通過する速度が速くなり、脈拍数が高くなります。

ホイールスピードセンサーからのパルス出力は、他のホイールの速度に対する各ホイールの速度を監視する電子コントローラーに送られます。ブレーキがかかっておらず、監視対象のすべての車輪がほぼ同じ速度で回転している限り、システムは何のアクションも実行しません。ただし、ブレーキがかかっていて、監視対象の1つまたは複数の車輪が他の車輪よりも速い速度で突然減速し始めた場合（道路でのトラクションが失われ、車輪のロックアップとスキッドが差し迫っていることを示します）、コントローラーがアクティブになります。アンチロックシステム。

あらゆる車両のアンチロックブレーキシステムは、既存の車両ブレーキシステムに追加された単なる追加の監視および制御機能です。 ABSはセカンドブレーキシステムではなく、車両のブレーキシステムに取って代わるものでもありません。自動車の4輪すべてを監視および制御する場合、このシステムは4チャンネルABSと呼ばれます。前輪と後輪（各後輪を個別に制御するのではなく）を制御する場合、このシステムは3チャンネルABSと呼ばれます。 2つの後輪駆動車軸を備えた大型トラックでは、ABSは通常、前輪と4つの後輪のうちの2つを制御する4チャンネルシステムです。大型トラックのトラクターで牽引されるトレーラーには、トラクターのABSと相互接続する必要のある独自のABSが付いている場合もあります。

自動車では、ブレーキは油圧によって作動します。 ABSコントローラーは、マスターブレーキシリンダーの高圧側に組み込まれたソレノイドバルブを操作します。これらのバルブは通常開いており、ブレーキを妨げることはありません。コントローラーは、ブレーキをかけているときにホイールがロックしていることを感知すると、最初にソレノイドをアクティブにして、影響を受けるホイールのブレーキラインのバルブを閉じ、圧力がそれ以上上昇しないようにします。ロックされたホイールの速度が低下し続けると、コントローラーは2番目のソレノイドを作動させ、影響を受けたブレーキラインから圧力を逃がします。これにより、ドライバーがブレーキペダルを踏んでいるかどうかに関係なく、そのホイールのブレーキが解除されます。ホイールが牽引力を取り戻し、その速度が上がるとすぐに、ソレノイドが非アクティブになり、通常のブレーキが再開されます。もちろん、車輪が再び滑り始めるような状態の場合、ブレーキはすぐにロックし始め、ABSが引き継ぎます。このサイクルは、道路状況が変化するか、ドライバーがブレーキを解除するまで、1秒間に12〜15回繰り返されます。ドライバーは、ブレーキペダルを通して感じられる振動としてこの急速なサイクリングを検出することができますが、何もする必要はありません。 ABSはスキッドを最小限に抑え、ドライバーが車両の方向制御を維持できるようにします。

大型トラックのブレーキは、油圧ではなく空気圧によって作動します。トラックのアンチロックブレーキシステムは、自動車のABSと同じように機能しますが、アンチロック空気圧制御バルブが各ホイールの近くの車両フレームレールに配置されている点が異なります。

デザイン

アンチロックブレーキシステムは、特定の車両用途向けに設計されています。セメントミキサーのようにトレーラーを引っ張らないトラックは、1つまたは複数のトレーラーを引っ張るトラックトラクターとはわずかに異なるABSを持ちます。同様に、トレーラー用のアンチロックブレーキシステムは異なる設計になります。

自動車用のABSはさらに具体的で、特定の用途向けに設計されている場合があります メーカーや車両の種類に関係なく、すべてのアンチロックブレーキシステムは同じように動作します。車輪速センサーは、制御される各車輪に配置されます。各速度センサーには通常、車両の車輪または車軸と同じ速度で回転する歯車があります。ブレーキがかかり、監視対象の1つまたは複数の車輪が他の車輪よりも速い速度で突然減速し始めると、コントローラーはアンチロックシステムを作動させます。車のブランド名とモデル。 ABSコンポーネントは、各モデルの既存の車両コンポーネントと適合して機能する必要があるため、新しいアンチロックブレーキシステムの設計と製造プロセスは、自動車メーカーとABSサプライヤーの協力のもとに実施されます。

原材料

速度センサーの歯車または歯車は、柔らかい鉄でできています。 通常はキャストします。鉄は、透磁率が高く、磁気抵抗が低いために選択されています。磁気抵抗は電気抵抗とほぼ同等であり、歯車はリラクターと呼ばれることもあります。歯車の機能は、永久磁石の磁場が各歯を容易に通過できるようにして、ピックアップコイルに電流を誘導する磁場強度の瞬間的な集中を引き起こすことです。ピックアップコイルのコアには永久磁石があり、銅線のコイルで包まれています。

コントローラは通常、グランド側ではなく回路の電源側を制御するホットサイドドライバと呼ばれるトランジスタを採用しています。これらのトランジスタは、電子回路で通常よりも多くの熱を発生します。プラスチックやプレス加工されたスチール製のハウジングに配置するのではなく、フィン付きヒートシンクを備えた鋳造アルミニウム製のハウジングに取り付けて、熱を放散させます。

自動車に使用される油圧ブレーキ圧力ソレノイドは、鋼製のバルブとボディを備えた銅コイル要素の標準的な構造になっています。それらは通常アルミニウムから鋳造されるブレーキシステムマスターシリンダーと同じケーシングに収容されています。

電気配線は銅で、多くの場合、架橋ポリエチレン絶縁が施されています。高出力の無線信号が配線を介して受信され、システムがアクティブになる可能性がある無線周波数干渉（RFI）を防ぐために、すべての配線をシールドするか、ワイヤをツイストペアとして配線して電波の影響を打ち消します。 。コネクタはプラスチック製で、内部に銅製の接点があります。

製造
プロセス

アンチロックブレーキシステムの製造プロセスは、構成部品を製造し、それらの部品を車両に取り付けることで構成されます。部品は1つの工場で製造され、梱包されて車両組立工場に出荷され、設置されます。これは、自動車のアンチロックブレーキシステムの典型的なプロセスです。

マスターブレーキシリンダーの作成

• 1ソレノイド本体のベースを含むマスターシリンダーは、単一のユニットとして鋳造されています。着座面とシール面は滑らかに機械加工されており、接続ポートにはネジが切られています。
• 2個々のプライマリピストンとセカンダリピストン、ソレノイドコイル、リザーバーキャップとシール、圧力アキュムレータ、および任意のメータリングバルブとプロポーショニングバルブが取り付けられています。ソレノイド本体には、4本以上のネジでマスターシリンダーに取り付けられ、ガスケットでシールされたカバーが付いています。

ホイールスピードセンサーの作成

• 3歯車は鉄から鋳造されています。取り付けポイントで小さな機械加工が必要になる場合があります。
• 4ピックアップコイルは、コイルワインダーと呼ばれる機械の永久磁石コアに巻かれています。アセンブリ全体は、電気コネクタが取り付けられたプラスチック樹脂で包まれているか、鉢植えになっています。

コントローラーの作成

• 5電子コントローラーコンポーネントはプリント回路基板にはんだ付けされています。
• 6ボードは保護ハウジング内に接続され、鋳造アルミニウムヒートシンクベースに取り付けられています。各スピードセンサーからの入力配線とマスターブレーキシリンダーのソレノイドへの出力配線には、外部の電気接続が用意されています。

ABSのインストール

• 7自動車組立工場では、車体の骨組みに鋼管ブレーキラインが設置されています。それらは、ファイアウォールと呼ばれるエンジンコンパートメントと乗員コンパートメントの間の仕切りから各ホイールの近くまで走っています。 ABSの電線も、各ホイールの近くからコントローラーの位置まで、およびコントローラーからファイアウォールまで配線されています。
• 8ブレーキマスターシリンダーは、ブレーキペダル近くのエンジンコンパートメントのファイアウォールにボルトで固定されています。ブレーキラインはソレノイド本体の適切なポートに接続され、電線が接続されています。
• 9歯付きセンサーホイールは、外側の等速ジョイントまたはアクスルスピンドルの端に押し付けられ、ホイールのすぐ内側に乗るようになります。車軸がフレームに取り付けられると、ブレーキラインが取り付けられ、コイルの端が歯車に近づくようにピックアップコイルが取り付けられます。次に、ピックアップコイルがコントローラーへのワイヤーに電気的に接続されます。
• 10コントローラーは、インストルメントパネルの下または車両のトランクに取り付けられています。電気接続は、車両バッテリーからヒューズボックスを介した電源接続を含めて行われます。

品質管理

電子システムが車両のブレーキの操作を引き継ぐことができるという考えは、一部の人々を悩ませています。このため、システムの動作は事前に徹底的にテストされ、インストールの品質は常に見直されています。

さらに、すべてのアンチロックブレーキシステムはフェイルセーフになるように設計されています。つまり、コンポーネントに障害が発生すると、ブレーキの全体的な安全な操作を可能にするような方法でシステムに障害が発生します。

未来

連邦政府が近い将来、特定の車両にアンチロックブレーキの使用を義務付ける可能性が高いです。 ABSは数年前から使用されており、その利点、特に車両の停止距離を改善し、非常に滑らかな道路状況下で車両の方向制御を維持する能力に関する証拠が増えています。

しかし、これらの調査結果には論争がないわけではありません。 ABSの利点に関する最初の主張はかなり誇張されており、多くのドライバーは、ABSが特定の状況でほとんどまたはまったく利点を提供しないことに気づきました。この点で、論争はシートベルトを取り巻くものに少し似ています。

基本的なABSの利点を強化する追加のシステムが開発されました。これらのシステムの1つは、ATCと呼ばれる自動トラクションコントロールです。 ATCはABSと同じコンポーネントを使用しますが、速度スペクトルのもう一方の端で機能します。つまり、滑りやすい条件下で車両を始動させます。動作中は、各ホイールの速度を検知して、1つまたは複数のホイールが「緩み」、回転を開始したことを検出します。それが起こるとき、それはそれを減速させて牽引力を取り戻すためにその車輪に毎秒12から15回ブレーキをかけます。デモンストレーションでは、車両は氷で覆われた勾配のブロックによって保持されています。車両が発進してブロックが引き離されると、ATCのない車両は車輪を回転させ、ゆっくりと後方にスライドして勾配を下げ、ATCを装備した車両は氷上を引き上げます。

価格が下がり、メリットが明らかになるにつれ、ABSは他の新車製品とともに人気が高まると予想されます。