پایگاه خبری خودروم، در این مقاله از سری مطالب دانش خودرو به بررسی ترمز ضد قفل یا ABS، تاریخچه آن، نحوه عملکرد، اجزاء ترمز ABS، تأثیرات به کارگیری آن و قوانین مرتبط به ترمز ضد قفل یا ABS در سراسر جهان پرداخته است.

سیستم ترمز ضد قفل یا ABS – (مخفف Anti-lock braking system) – سامانه ترمزی ضد لغزش و امنیتی است که در هواپیماها و وسایل نقلیه زمینی مانند خودرو، موتورسیکلت، کامیون و اتوبوس مورد استفاده قرار می‌گیرد. سامانه ABS از قفل شدن چرخ‌ها در هنگام ترمزگیری جلوگیری کرده و در نتیجه سطح اصطهکاکی خودرو با سطح جاده حفظ شده و به این ترتیب راننده می‌تواند کنترل بیشتری بر وسیله نقلیه خود داشته باشد.

به گزارش خودروم، ترمز ضد قفل یا ABS، سامانه‌ای خودکار بوده و براساس روش‌های مرتبط به ترمزگیری ناگهانی یا تکه تکه و در مجموع متناسب با تکنیک‌های رانندگان حرفه‌ای برای متوقف کردن خودرو فعالیت می‌کند. این سامانه موجب افزایش سرعت و بهبود عملکرد رانندگان و در نتیجه ساماندهی نحوه مدیریت آنها بر خودرو می‌شود. همچنین این سامانه موجب بهبود سطح کنترل خودرو و کاهش مسافت طی شده در هنگام ترمزگیری بر سطوح خشک و لغزنده می‌شود؛ اما در جاده‌های گلی یا پوشیده از برف و یخ، سامانه ABS در حالی که همچنان به وظیفه خود برای بهبود کنترل فرمان توسط راننده عمل می‌کند، مدت زمان توقف خودرو را نسبت به سطوح خشک افزایش خواهد داد.

از زمان به کارگیری سامانه ترمز ضد قفل یا ABS در خودروهای گوناگون، فناوری‌های مرتبط به این سامانه بهبود یافته و عملکرد آن مؤثرتر شده است. نسخه‌های مدرن سامانه ABS نه تنها از قفل شدن چرخ‌ها در هنگام ترمزگیری جلوگیری می‌کنند؛ بلکه میزان شدت ترمز در محور عقب و جلو را متناسب با شرایط خودرو تنظیم خواهند کرد و این قابلیت با توجه به نوع به کارگیری و استفاده از آن در خودروهای مختلف با نام سامانه کنترل کشش، ترمز کمکی اضطراری، کنترل پایداری الکترونیکی یا ESC و… شناخته می‌شود.

تاریخچه

سامانه ترمز ضد قفل یا  ABS پیش از معرفی انواع مدرن و امروزی آن در دهه 1950 میلادی مورد استفاده قرار می‌گرفت و به عنوان نمونه در سال 1908 جی.ئی فرانسیس(J.E. Francis) یکی از انواع ابتدایی ترمزهای ABS را برای جلوگیری از لغزش وسایل نقلیه ریلی اختراع کرده بود.

در سال 1920 یکی از پیشگامان ساخت خودرو و هواپیما در فرانسه به نام گابریل وویسین(Gabriel Voisin)، نوعی سامانه ترمز برای هواپیما اختراع کرد که فشار ترمز هیدرولیک هواپیما را کاهش داده و از خطر لغزش چرخ‌ها جلوگیری می‌کرد؛ چون ترمزگیری به شیوه آستانه((Threshold Braking در هواپیما تقریباً غیرممکن بود. سامانه مزبور شامل یک چرخ لنگری و سوپاپی متصل به مخزن هیدرولیک بود و به واسطه آن سیلندرهای ترمز را تغذیه می‌کرد. در عین حال فلایویل به یک درام متصل شده و سرعت آن همانند شتاب چرخ بود. در ترمزهای معمولی، درام و فلایویل باید با سرعتی یکسان می‌چرخیدند و اگر یکی از چرخ‌ها از دور خارج می‌شد؛ درام هم کارکرد خود را از دست می‌داد و در نتیجه چرخ با سرعت بیشتری می‌چرخید.

این اتفاق سوپاپ را باز می‌کرد و مقداری از روغن ترمز از سیلندر اصلی خارج شده و فشار سیلندر را کم کرده و باعث آزاد شدن ترمزها می‌شد. در واقع درام و فلایویل باعث می‌شوند که سیلندر زمانی باز شود که چرخ‌ها در حال چرخش بودند. در هر حال سامانه گابریل وویسین در آزمایش‌ها باعث بهبود 30 درصدی عملکرد ترمزها شد؛ چون خلبان‌ها به جای افزایش آهسته فشار ترمز، با ترمز کامل به خوبی از لغزش هواپیما جلوگیری می‌کردند. از آن گذشته سامانه مزبور باعث کاهش استهلاک لاستیک‌ها و جلوگیری از ترکیدگی آنها می‌شد.

پس از سامانه ترمز گابریل وویسین، به طور کلی اولین سامانه ترمز ضد قفل یا ABS به معنای امروزی در سال 1928 توسط مهندسی آلمانی به نام کارل وسل(Karl Wässel) ثبت اختراع شد. با این حال وسل هرگز موفق به تولید محصولی با استفاده از اختراع خود نشد و در عین حال بعدها رابرت بوش(Robert Bosch) موفق به تولید محصولی مشابه با اختراع کارل وسل شد.

در اوایل دهه 1950 سامانه ضد لغزش دانلوپ ماکسارت(Dunlop Maxaret) به طور گسترده در صنعت حمل و نقل هوایی بریتانیا و در هواپیماهایی مانند Electric Lightning و… مورد استفاده قرار می‌گرفت و بعدها نیز هواپیمای هلندی فوکر F27 Friendship و… از آن استفاده کردند. سامانه دانلوپ با نام Maxaret شناخته می‌شد و شامل سیستم پنوماتیک فشار به جای هیدرولیک برای ترمز بود و ارابه فرود را کنترل می‌کرد. این سامانه مسافت طی شده در شرایط ترمزگیری را تا 30 درصد در هنگام یخبندان یا رطوبت کاهش داده و منجر به افزایش عمر لاستیک می‌شد.

در سال 1958 از سامانه دانلوپ به عنوان ترمز ضد قفل در یک موتورسیکلت Royal Enfield Super استفاده شد. آزمایش بر عملکرد موتورسیکلت مزبور نشان از عملکرد مطلوب ترمزهای ضد قفل داشت و مهندسین شاهد کاهش لغزش خودرو و سهم آن در بروز حوادث رانندگی بودند. در آن زمان مدیر فنی پروژه مزبور فردی به نام تونی ویلسون جونز(Tony Wilson-Jones) بود و او موفق به تولید انبوه این سامانه نشد.

در دهه 1960 نوع مکانیکی سیستم ترمز ضد قفل در خودروهای مسابقه‌ای فرگوسن P99، جنسن FF و فورد زودیاک تمام چرخ متحرک مورد استفاده قرار گرفت. اما پس از آن دیگر از سامانه یادشده خبری نشد؛ چون به کارگیری آن نیازمند هزینه فراوانی بود و هنوز نمی‌شد به آن اعتماد کرد.

در سال 1960 اولین سیستم ترمز ضد قفل کاملاً الکترونیکی برای هواپیمای کنکورد ساخته شد. چندی بعد و در سال 1979 سامانه ترمز ضد قفل یا ABS مدرن امروزی توسط ماریو پالازتی(Mario Palazzetti) معروف به آقای ABS در مرکز تحقیقات فیات اختراع شد و اکنون تقریباً تمام خودروهای استاندارد از آن استفاده می‌کنند. این سامانه به نام سیستم ضد لغزش شناخته شد و پس از فروش حق اختراع آن به کمپانی بوش، از نام ABS برای آن استفاده می‌شود.

تکامل سیستم ترمز ضد قفل یا ABS

پس از فروش حق اختراع سامانه ABS به کمپانی بوش، تولیدکنندگان خودرو به فکر خرید، تولید و توسعه این سیستم افتادند. کرایسلر در سال 1971 نسخه‌ای از ترمز ABS با نام «ترمز مطمئن» را بر خودروی امپریال نصب کرد. این سیستم از چهار سنسور کامپیوتری استفاده می‌کرد و تا چندین سال به دلیل عملکرد مثبت و قابل اعتماد از آن استفاده شد. در سال 1969، فورد سیستم ترمز ضد قفلی با نام Sure-Track معرفی کرد و از آن به عنوان یک آپشن بر محور عقب لینکلن کنتیننتال مارک 3 و فورد تاندربرد استفاده کرد.

در سال 1971 به کارگیری سامانه مزبور به یک استاندارد برای فورد تبدیل شد و با کمک آن سیستم Kelsey-Hayes طراحی شده است. در سال 1971 جنرال موتورز سیستم ترمز ضد قفل اختصاصی خود برای چرخ‌های عقب را با نام Trackmaster رونمایی کرد و آن را روی دیفرانسیل‌های عقب برخی از محصولات کادیلاک و اولدزموبیل تورنادو نصب نمود. در همان سال، نیسان توسط شرکت ژاپنی داسو، سیستم ضد قفل الکتریکی EAL را توسعه داد و از آن به عنوان اولین سیستم ترمز ضد قفل الکترونیکی ژاپن در خودروی نیسان پرزیدنت استفاده نمود.

در سال 1971 اولین خودروی تولیدی جهان با سیستم ترمز ضد قفل کامپیوتری چهار چرخ معرفی شد. تویوتا ترمزهای ضد لغزش کنترل شده الکترونیکی را برروی مدل کراون نصب کرد. در سال 1972 نیز ترامپچی 2500 چهار چرخ متحرک نیز به طور استاندارد از سیستم ترمز ضد قفل الکترونیکی استفاده می‌کرد.

در سال 1971 اولین نسخه ترمز ضد قفل مخصوص کامیون‌ها روی فیات مدل 691N1 نصب شد. در سال 1976 شرکت WABCO توسعه سیستم ترمز ضد قفل برای وسایل نقلیه تجاری را آغاز کرد و در سال 1986 موفق به معرفی سیستم ترمز الکترونیکی EBS برای وسایل نقلیه سنگین شد.

در سال 1978 مرسدس بنز W116 به عنوان یکی از اولین‌های جهان به سیستم ترمز ضد قفل چند کاناله الکترونیکی چهار چرخ بوش مجهز شد.

در سال 1982 هوندا سیستم ترمز ضد قفل چند کاناله الکتریکی ALB با کنترل الکترونیکی را به عنوان آپشنی برای نسل دوم مدل پرلود معرفی کرد و آن را به این طریق در سراسر جهان عرضه نمود. لازم به ذکر است که نماینده هوندا در نروژ تمام پرلودهای بازار این کشور را ملزم به در اختیار داشتن سیستم ALB به عنوان یک ویژکی استاندارد کرد و به این ترتیب باید هوندا پرلود را اولین خودرو در اروپا دانست که سیستم ABS به عنوان یک ویژگی استاندارد برای آن در نظر گرفته شده بود.

در سال 1985 فورد اسکورپیو با سیستم ترمز ضد قفل الکترونیکی Teves به شکل استاندارد در سراسر بازار اروپا عرضه شد و به همین خاطر در سال 1986 جایزه خودروی سال اروپا را به دست آورده و از سوی روزنامه نگاران خودرویی جهان مورد تمجید قرار گرفت. پس از این موفقیت بزرگ، فورد شروع به توسعه سیستم ترمز ضد قفل کرده و سایر خودروسازان را به استفاده از آن تشویق نمود.

در سال 1987 تمام تولیدات مرسدس بنز به ترمزهای ABS مجهز شدند و لینکلن در سال 1993 تصمیم گرفت که همانند رقیب آلمانی خود عمل کنند. در سال 1988 نیز کمپانی BMW اولین موتورسیلکت با ABS الکتروهیدرولیک با نام K100 را معرفی کرد و پس از آن نیز یاماها در سال 1991 مدل FJ1200 را به ABS مجهز نمود. هوندا نیز در سال 1992 اولین موتورسیلکت مجهز به ABS خود با نام ST110 را رونمایی کرد. سوزوکی در سال 2007 مدل GSF1200SA را به ABS مجهز کرد و در سال 2005 هم هارلی دیویدسون اولین موتورسیکلت مجهز به ABS خود را برای استفاده نیروهای پلیس رونمایی نمود.

نحوه عملکرد

کنترل کننده‌های ترمز ضد قفل با نام CAB یا ترمز ضد قفل کنترل کننده نیز شناخته می‌شود. به طور کلی ترمزهای ABS از یک واحد کنترل الکترونیکی مرکزی یا ECU، سنسورهایی روی چهار چرخ و حداقل دو سوپاپ هیدرولیکی ترمز استفاده می‌کنند. ECU همیشه سرعت چرخش چرخ‌ها را کنترل کرده و با تشخیص کُند بودن حرکت چرخ‌ها نسبت به سرعت خودرو، احتمال قفل شدن چرخ‌ها را داده و سوپاپ‌ها را برای کاهش فشار هیدرولیکی ترمز به چرخ آسیب دیده فعال کرده و نیروی ترمز بر چرخ را کاهش می‌دهد و به این ترتیب سبب چرخش سریع‌تر چرخ خواهد شد.

اگر ECU تشخیص دهد که سرعت چرخ زیاد است؛ فشار هیدرولیکی ترمز بر چرخ را افزایش داده و به این ترتیب سرعت آن را کاهش می‌دهد. این فرایند به طور مداوم تکرار شده و راننده می‌تواند با ضربات خود بر پدال ترمز متوجه تغییرات مزبور شود. برخی از سیستم‌های ضد قفل می‌توانند فشار ترمز را تا 15 بار بر ثانیه بر چرخ‌ها اعمال کرده و یا آزاد کنند. به همین دلیل نیز قفل شدن چرخ‌هایی که به سیستم ABS متصل هستند؛ در هنگام ترمزهای ناگهانی و در شرایط بحرانی، عملاً غیرممکن خواهد بود.

در سیستم‌های ترمز ضد قفل، ECU به گونه‌ای برنامه‌ریزی می‌شود که تفاوت سرعت چرخش چرخ را تا زیر یک آستانه خطرناک نادیده بگیرد؛ زیرا وقتی خوردو در حال حرکت است؛ دو چرخ کُندتر می‌چرخند؛ به همین دلیل تقریباً تمام خودروهای جاده‌ای به شکل تک دیفرانسیل تولید می‌شوند.

اگر برای هر کدام از اجزاء سیستم ABS مشکلی ایجاد شود؛ چراغ اخطار آن روی صفحه کیلومتر روشن شده و فقط در صورت رفع مشکل غیرفعال خواهد شد. در سیستم‌های ترمز ضد قفل امروزی از طریق یک سیستم کنترلی و سنسورهای روی توپی چرخ و یک میکروکنترلر اختصاصی برای چرخ‌ها، فشار ترمز به شکل جداگانه بر هر چهار چرخ اعمال می‌شود. اکنون سیستم ABS در اکثر وسایل نقلیه جاده‌ای تولید شده و به شکل استاندارد ارائه می‌شود. در حال حاضر به دلیل کاهش شدید قیمت لوازم الکتریکی خودرو در طول سال‌های گذشته، سرعت به کارگیری و محبوبیت سیستم ترمز ضد قفل در حال افزایش است.

سیستم‌های کنترل پایداری الکترونیکی یا ESC را باید نوع تکامل یافته سامانه ABS دانست. در این سیستم از دو سنسور اضافی برای سنجش زاویه فرمان و ژیروسکوپی استفاده می‌شود. هنگامی که حسگر ژیروسکوپ تشخیص دهد که جهت قرار گرفتن خودرو با آنچه سنسور فرمان گزارش می‌دهد؛ یکسان نیست، سیستم ESC با ترمز و کاهش یا افزایش سرعت حرکت چرخش چرخ‌ها زاویه خودرو را اصلاح می‌کند. سنسور فرمان نیز به سیستم کنترل نیروی ترمز بین چرخ‌های خودرو با توجه به سرعت هر چرخ (CBC) کمک می‌کند.

سیستم کنترل کشش یا TCS نیز برای انجام عملکرد خود از سامانه ABS کمک می‌گیرد. اگر هنگام شتاب گیری خودرو، چرخ‌ها کشش لازم را از دست بدهند؛ ABS وارد عمل شده و کشش مناسب را فراهم خواهد کرد. نسخه‌های پیچیده‌تر ABS به شکل همزمان عملکرد دریچه گاز و ترمزها را پایش می‌کنند. همچنین سیستم پایش فشار باد لاستیک‌ها یا TPMS نیز گاهی اوقات برای بهبود عملکرد ABS به آن متصل شده و تفاوت سرعت چرخش چرخ‌ها به خاطر کم شدن باد لاستیک‌ها را تشخیص می‌دهد.

اجزاء سیستم ترمز ضد قفل یا ABS

سیستم ABS چهار عضو اصلی به نام های سنسور سرعت، سوپاپ، پمپ و کنترلر دارد.

سنسور سرعت

از سنسور سرعت برای تعیین شتاب یا تشخیص کاهش سرعت چرخ‌ها استفاده می‌شود. این سنسورها با بهره‌گیری از آهنربا و قرارگیری در کنار چرخ دنده و سیم پیچ الکترومغناطیسی، سیگنال‌هایی را تولید می‌کنند. در واقع با چرخش چرخ یا دیفرانسیل، میدان مغناطیسی در اطراف سنسور ایجاد شده و نوسانات این میدان باعث ایجاد ولتاژ در سنسور می‌شود. از آنجا که ولتاژ مزبور ناشی از چرخش چرخ‌ها است؛ این سنسور می‌تواند در سرعت‌های کم عملکرد نامطلوبی داشته باشد و نوسانات غلط میدان مغناطیسی باعث فعال شدن کنترلر و در نهایست سیستم ABS خواهد شد.

سوپاپ

از سوپاپ برای کنترل ترمز در سیستم ABS استفاده می‌شود. سوپاپ‌ها به سه دسته تقسیم شده و شامل یک سوپاپ دریچه باز برای کنترل فشار سیلندر اصلی با انتقال مستقیم آن به ترمز، سوپاپ جداکننده اتصال سیلندر اصلی به ترمز(جلوگیری از افزایش فشار در صورت استفاده راننده به شکل ناگهانی از پدال ترمز) و سوپاپ آزاد کننده فشار ترمز می‌شود.

اکثر مشکلات مرتبط به سوپاپ‌های سیستم ABS به دلیل گرفتگی شیرهای آن رخ می‌دهد. هنگامی که دریچه یکی از آنها مسدود شده و توان باز شدن، بسته شدن یا تغییر موقعیت از سوپاپ‌ها گرفته شود؛ آنها نمی‌توانند کنترل فشار وارد شده به ترمزها را برعهده بگیرند.

پمپ

پمپ در سیستم ABS وظیفه بازگرداندن فشار به ترمزهای هیدرولیکی پس از رها شدن سوپاپ‌ها را بر عهده دارد. با تشخیص خطای چرخش چرخ‌ها، سیگنالی از کنترلر رها شده و سوپاپ‌ها آزاد می‌شوند. پس از اینکه سوپاپ فشار موجود را آزاد کرد، پمپ برای بازگرداندن فشار به سیستم ترمز وارد عمل خواهد شد. کنترلر وضعیت پمپ را پایش کرده تا فشار مورد نیاز تأمین شده و لغزش کاهش یابد.

کنترلر

کنترلر یکی از انواع ECUها بده و اطلاعات سنسور سرعت چرخ را دریافت می‌کند. سپس کنترلر نیروی ترمز یا EBD را محدود کرده و با فعال کردن ABS سوپاپ‌های ترمز را فعال یا غیرفعال می‌کند.

انواع سیستم ترمز ضد قفل یا ABS

سیستم ترمز ضد قفل یا ABS به پنج نوع تقسیم می‌شود. نوع اول ABS چهار کاناله و چهار سنسوری است و در این نوع کنترلر هر چرخ را به شکل جداگانه مورد بررسی قرار می‌دهد. نوع دوم ABS سه کاناله و چهار سنسوری است. در این نوع از یک سوپاپ برای دو چرخ عقب استفاده شده و خودروهای قدیمی چهار چرخ متحرک معمولاً از آن استفاده می‌کنند. نوع سوم ABS سه کاناله و سه سنسوری است.

از این نوع معمولاً در وانت‌های چهار چرخ متحرک استفاده می‌شود و شاهد به کارگیری یک سنسور سرعت، یک سوپاپ برای هر یک از چرخ‌های جلو به همراه یک سوپاپ و سنسور برای هر دو چرخ عقب هستیم. نوع چهارم ABS دو کاناله و چهار سنسوری بوده و از آن از اواخر دهه 80 تا اواسط دهه 1990 استفاده می‌شد. در این نوع از یک سنسور سرعت برای هر چرخ استفاده می‌شد و هر کدام از سوپاپ‌های کنترلی برای محور جلو و عقب به شکل جفتی در نظر گرفته شده بود. نوع پنجم ABS تک کاناله تک سنسوری بوده و از آن بیشتر در وانت‌ها، شاسی‌بلندها و وانت‌های دیفرانسیل عقب استفاده می‌شود.

تأثیرات ترمز ضد قفل یا ABS

نتایج یک مطالعه در استرالیا که در سال 2004 توسط مرکز تحقیقات حوادث دانشگاه موناش(Monash University) انجام شد؛ ثابت کرد که به کارگیری ترمز ضد قفل خطر بروز حوادث جاده‌ای را 18 درصد کاهش داده و تا 35 درصد موجب بروز حوادث رانندگی در مسیرهایی خارج از جاده‌های معمول می‌شود.

اکثر خودروهای مجهز به ترمز ضد قفل مسافت کمتری برای توقف نسبت به خودروهای فاقد سامانه ABS طی می‌کنند. البته عادی شدن به کارگیری ترمز ABS برای رانندگان خودروهای معمولی کمی دشوار است. این سیستم احتمال تصادف و شدت ضربات ناشی از آن را کاهش می‌دهد. به اکثر رانندگان غیر حرفه‌ای که سوار برخودروهای مجهز به ABS هستند؛ توصیه می‌شود که در مواقع اضطراری تا حد امکان پدال ترمز را محکم فشار دهند؛ زیرا در چنین شرایطی احتمال لغزش و از دست دادن کنترل خودرو کاهش خواهد یافت.

ترمز ABS موجب افزایش فاصله توقف خودرو در شن، ماسه و برف می‌شود. در این سطوح چرخ ‌ا با سرعت بیشتری می‌چرخند و در نتیجه سرعت توقف خودرو افزایش می‌یابد. البته ABS تا حد امکان با باز و بسته کردن سوپاپ‌های ترمز سعی در کاهش سرعت هرزگردی چرخ‌ها دارد؛ ولی به همین علت برخی از سازندگان خودرو با قرار دادن دکمه‌ای برای آفرود و بی‌راهنوری، امکان خاموش کردن ABS را فراهم می‌کنند. در هر حال ABS در سطوح مزبور و علیرغم مشکل یادشده؛ موجب افزایش کنترل راننده و حفظ تعادل خودرو در سطوح لغزنده و… می‌شود. لازم به ذکر است که در سال 1999 نتایج تحقیقات اداره ملی ایمنی ترافیک بزرگراه‌های آمریکا(NHTSA) نشان داد که ABS موجب افزایش فاصله توقف در شن‌های شُل به میزان 27,2 درصد خواهد شد. همچنین این موسسه با انجام مطالعاتی در سال 2010 ثابت کرد که موتورسیکلت‌های دارای ترمز ضد قفل تا 37 درصد نسبت به نمونه‌های بدون ABS، کمتر با حوادث مرگبار رانندگی مواجه می‌شوند.

استاندارد و ترمز ضد قفل

فواید ترمز ضد قفل به حدی زیاد بود که در سال 2004 اتحادیه اروپا تمام خودروهای سواری جدید را ملزم به استفاده از ABS کرد. در ایالات‌متحده آمریکا نیز به کارگیری ترمزهای ABS از سال 2012 الزامی شد. همچنین براساس مقررات سازمان ملل متحد، کلیه خودروها از دسته 1 تا 5، به علاوه موتورسیکلت‌ها باید به ABS مجهز شوند و این قانون در اتحادیه اروپا، روسیه، ژاپن، ترکیه، اوکراین، استرالیا و بریتانیا اجرا می‌شود.

در سال 2016 نیز اتحادیه اروپا تمام اسکوترها، موتورسیکلت‌ها و… با حجم موتور بالاتر از 125 سی‌سی را ملزم به استفاده از ABS کرد. این قوانین و مشابه آنها اکنون در اکثر کشورهای جهان اجرا می‌شوند.