نسبت لغزش ۱۰ تا ۲۰ درصدی: سیستم‌های ترمز ضدقفل چگونه با حفظ کنترل فرمان، شتاب منفی را به حداکثر می‌رسانند

واحد کنترل الکترونیکی (ECU) در سیستم ترمز ضدقفل به عنوان تصمیم‌گیرنده نهایی در فرآیند کاهش سرعت عمل می‌کند و این اختیار انحصاری را دارد که ورودی فیزیکی راننده بر روی پدال را نادیده بگیرد. این واحد با عملکردی در مقیاس میلی‌ثانیه، داده‌های سرعت چرخ را به طور پیوسته ارزیابی کرده و به شیرهای هیدرولیک فرمان می‌دهد تا فشار روغن ترمز را در هر کالیپر کاهش، حفظ یا افزایش دهند. هدف اصلی آن صرفاً متوقف کردن خودرو نیست، بلکه محبوس کردن تایر در یک وضعیت فیزیکی محدود به نام نسبت لغزش ۱۰ تا ۲۰ درصدی است.[1][6]

پیش از پذیرش گسترده ABS در اواخر دهه ۱۹۸۰، ترمزهای ناگهانی اساساً ارتباط خودرو را با قصد و نیت راننده قطع می‌کردند. یک چرخ کاملاً قفل‌شده - که در لغزش ۱۰۰ درصدی عمل می‌کند - روی سطح جاده کشیده می‌شود و ضمن تولید گرمای شدید، ضریب اصطکاک را به شدت کاهش می‌دهد. مهم‌تر از آن، تایر قفل‌شده هیچ نیروی جانبی تولید نمی‌کند؛ به این معنی که چرخاندن فرمان هیچ تاثیری بر مسیر حرکت خودرو نخواهد داشت.[5]

مکانیک لاستیک روی آسفالت ایجاب می‌کند که حداکثر چسبندگی نه زمانی رخ می‌دهد که چرخ آزادانه می‌چرخد و نه زمانی که کاملاً روی زمین کشیده می‌شود. نسبت لغزش، تفاوت بین سرعت رو به جلوی خودرو و سرعت دورانی تایر را کمّی‌سازی می‌کند. در لغزش صفر درصد، تایر کاملاً هماهنگ با جاده می‌غلتد؛ در لغزش ۱۰۰ درصد، تایر قفل شده و روی سطح می‌لغزد.[2][3]

رابطه میان این لغزش و چسبندگی حاصل از آن، روی «منحنی مو-لغزش» (mu-slip) ترسیم می‌شود، جایی که حرف یونانی «مو» نشان‌دهنده ضریب اصطکاک است. بر اساس تحقیقات دینامیک تایر که در نشریه Racecar Engineering منتشر شده، اصطکاک طولی با شروع لغزش تایر به شدت افزایش می‌یابد و دقیقاً در محدوده ۱۰ تا ۲۰ درصد به اوج خود می‌رسد. در این بازه، بلوک‌های آج لاستیک تغییر شکل داده و به مؤثرترین شکل ممکن با بافت میکروسکوپی سطح جاده درگیر می‌شوند.[5]

با این حال، اصطکاک طولی تنها نیمی از معادله است. خودرو همچنین باید اصطکاک جانبی خود را حفظ کند تا راننده بتواند با فرمان دادن از موانع عبور کند. پژوهشگران در مقاله‌ای در سال ۲۰۲۱ در نشریه Mechanics & Industry خاطرنشان می‌کنند که «تنظیم نسبت لغزش چرخ» برای «بررسی رفتار دینامیکی خودرو در طول ترمزگیری و ورودی فرمان» حیاتی است. چسبندگی جانبی در لغزش صفر درصد در بالاترین حد خود قرار دارد و با افزایش لغزش به سرعت افت می‌کند. زمانی که تایر به لغزش ۲۰ درصدی می‌رسد، ظرفیت جانبی کافی برای تغییر لاین اضطراری را حفظ می‌کند، اما فراتر از ۳۰ درصد، قدرت فرمان‌پذیری به شدت سقوط می‌کند.[2]

بنابراین، نسبت لغزش ۱۰ تا ۲۰ درصدی نشان‌دهنده یک نقطه تعادل فیزیکی حیاتی است. این دقیقاً همان تقاطع ریاضی است که در آن شتاب منفی طولی به حداکثر می‌رسد، در حالی که چسبندگی جانبی کافی نیز حفظ می‌شود. الگوریتم ABS صرف‌نظر از نوع سطح جاده، کاملاً به جستجو و حفظ این تقاطع خاص اختصاص یافته است.[4][6]

برای دستیابی به این هدف، سیستم به شبکه‌ای از سنسورهای مغناطیسی سرعت چرخ متکی است. این سنسورها یک سیگنال الکتریکی پالسی تولید می‌کنند که ECU آن را به سرعت دورانی ترجمه می‌کند. اگر ECU تشخیص دهد که یک چرخ با نرخی بیشتر از شتاب منفی کلی خودرو در حال کند شدن است - که از نظر فیزیکی غیرممکن است مگر اینکه چرخ در حال قفل شدن باشد - وارد عمل می‌شود.[1]

این مداخله از طریق یک واحد کنترل هیدرولیک صورت می‌گیرد. همان‌طور که در Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control به تفصیل بیان شده، ECU به یک شیر برقی فرمان می‌دهد تا کالیپر ترمزِ چرخی که در حال قفل شدن است را از سیلندر اصلی جدا کرده و فشار را ثابت نگه دارد. اگر چرخ همچنان به قفل شدن ادامه دهد، شیر دوم باز می‌شود تا روغن را به داخل یک انباشتگر تخلیه کند، که این امر باعث افت فشار ترمز شده و به چرخ اجازه می‌دهد دوباره سرعت بگیرد.[6]

به محض اینکه سرعت چرخ بازیابی شد و نسبت لغزش به زیر آستانه ۱۰ درصدی بازگشت، یک پمپ روغن را به مدار بازمی‌گرداند و فشار ترمز را مجدداً اعمال می‌کند. این چرخهِ رهاسازی، حفظ و اعمال مجدد، تا ۱۵ الی ۲۰ بار در ثانیه اتفاق می‌افتد و همان لرزش مشخصی را ایجاد می‌کند که در هنگام ترمز اضطراری از طریق پدال ترمز احساس می‌شود.[3][6]

الگوریتم‌های مدرن ABS از استراتژی خاصی استفاده می‌کنند که به عنوان «کنترل جستجوی نقطه اکسترمم» شناخته می‌شود. همان‌طور که مهندسان شرکت MathWorks تشریح کرده‌اند، کنترل‌کننده نیازی ندارد که ضریب اصطکاک دقیق سطح جاده را از پیش بداند. در عوض، به طور پیوسته فشار ترمز را تغییر داده و شتاب چرخِ ناشی از آن را اندازه‌گیری می‌کند تا به صورت پویا و در لحظه، به دنبال نقطه اوج منحنی مو-لغزش بگردد.[1]

این جستجوی پویا بسیار حیاتی است، زیرا نسبت لغزش بهینه بسته به محیط تغییر می‌کند. روی آسفالت خشک، اوج اصطکاک ممکن است در لغزش ۱۸ درصدی رخ دهد. در جاده‌های خیس، این نقطه اوج پایین‌تر آمده و به ۱۲ درصد نزدیک‌تر می‌شود. الگوریتم جستجوی اکسترمم، فرکانس تنظیم فشار خود را تطبیق می‌دهد تا نقطه اوجِ مختصِ همان قطعه از جاده را که تایر در حال عبور از آن است، پیدا کند.[1][3]

یک استثنای قابل توجه برای قانون ۱۰ تا ۲۰ درصدی وجود دارد: سطوح سست. روی شن، ماسه یا برف عمیق، فیزیکِ کاهش سرعت به کلی تغییر می‌کند. یک چرخ قفل‌شده که در لغزش ۱۰۰ درصدی عمل می‌کند، در مواد سست فرو می‌رود و یک توده فیزیکی در جلوی تایر ایجاد می‌کند که خودرو را به مراتب سریع‌تر از یک چرخ در حال غلتش متوقف می‌کند.[5]

از آنجا که ABS استاندارد از تشکیل این توده جلوگیری می‌کند، مسافت توقف روی شن در زمان فعال بودن سیستم ممکن است در واقع افزایش یابد. برای مقابله با این مسئله، خودروهای آفرود و شاسی‌بلندهای مدرن از الگوریتم‌های تخصصی استفاده می‌کنند که سطوح سست را از طریق الگوهای نوسان سرعت چرخ تشخیص داده و عمداً اجازه می‌دهند نسبت لغزش به ۵۰ درصد یا بیشتر برسد تا ضمن جلوگیری از قفل شدن کامل، از اثر توده‌سازی بهره ببرند.[4][5]

با گذار صنعت خودرو به سمت وسایل نقلیه الکتریکی، مکانیک کنترل لغزش نیز در حال تکامل است. سیستم‌های ترمز احیاکننده که از موتور الکتریکی برای کاهش سرعت خودرو استفاده می‌کنند، می‌توانند گشتاور را با دقت میلی‌ثانیه‌ای تنظیم کنند که شیرهای هیدرولیک قادر به رقابت با آن نیستند. این امر امکان کنترل دقیق‌تر نسبت لغزش را فراهم کرده و تایر را به نقطه اوج مطلق منحنی مو-لغزش نزدیک‌تر نگه می‌دارد.[6]

با این حال، فیزیک بنیادی بدون تغییر باقی می‌ماند. چه این تنظیم توسط روغن هیدرولیک انجام شود و چه توسط مقاومت الکترومغناطیسی، هدف سیستم ترمز مدیریت تغییر شکل لاستیک در برابر آسفالت است. خودرو با هدف‌گذاری پیوسته روی نسبت لغزش ۱۰ تا ۲۰ درصدی، تضمین می‌کند که راننده توانایی تعیین مسیر وسیله نقلیه را حفظ کرده و یک توقف اضطراری را از یک مسیر پرتابه‌ای غیرقابل کنترل، به یک مانور کنترل‌شده تبدیل می‌کند.[2][6]