בלי רגליים

הרכב שלפניך נעצר לפתע. ברכב שלך אין דוושת בלימה, ואתה ונוסעיך תלויים בחסדי שמים. אינך יכול לעשות דבר כדי לבלום את הרכב.

התרחיש הזה נשמע אולי אוטופי, אבל בעוד שנים ספורות הרכבים האוטונומיים יעלו לכביש ובהיקף גדול. בהתחלה יהיו לנהג אמצעי שליטה של היגוי ובלימה שישמשו לרוב כגיבוי, אבל אלה ייעלמו כעבור כמה שנים.

הרגולציה מדדה הרבה אחרי ההתפתחות הטכנולוגית, כשהיא דורשת גיבוי מרובה למצב של כשל. לפיכך יצרני מערכות הרכב הגדולים בעולם פועלים לפתח פתרונות "בלימה עודפת" (Redundant braking), המיועדים לתמוך בכל רמות האוטומציה שהגדיר ארגון מהנדסי הרכב הבינלאומי, SAE. היעד: כל כשל שהוא במערכת הבלימה, ובפרט ברכבים האוטונומיים, יקבל גיבוי. בדרך זו ניתן תמיד מענה לבלימה אוטונומית, ומערכות הבלימה לא תלויות זו בתקינותה של זו. לא פשוט, אבל הכרחי. צריך לשכנע את הלקוחות, ולא פחות חשוב - את הרגולטורים, שהרכב האוטונומי יבלום בכל מצב. רק כך יאפשרו הרגולטורים נסיעה ברכב אוטונומי (כעת עם נהג, ובעתיד בלעדיו), והלקוחות יידעו שתמיד יהיה גיבוי לכשל במערכת הבלימה הראשית.

iBooster של בוש

חברת בוש לדוגמה חשפה בכנס מהנדסי הרכב הבינלאומי בצפון אמריקה טכנולוגיה ושירותים לפתרונות הבלמים שלה, כולל בלימה עודפת לנהיגה אוטונומית. פריצת הדרך הטכנולוגית בבלימה עודפת הושגה על ידי שינוי אלמנט אחד במערכת: בוסטר הוואקום שמפעיל את הבלם מוחלף במאיץ חכם אלקטרו-מכני ששמו iBooster. הרכיב מאפשר להעצים את מערכת הבלימה, ובו בזמן מספק גיבוי מכני למערכת האלקטרונית. ממדיו צנועים. לא עוד בוסטר גדול ומערכת בלימה מגושמת, אלא מערכת קטנה, קלה ונגישה, שמשלבת מספר פתרונות חכמים לבלימה. בבוש מדגישים שהמערכת מתאימה לכל כלי הרכב, אך בעיקר לכלי רכב היברידים וחשמליים, שבהם מערכת הבלימה צריכה להיות מדויקת מאוד ולאפשר טעינה מחדש של מרבית אנרגיית הבלימה.

על אף ממדיו הצנועים של ה-iBooster, אפשר להפיק ממנו ביצועים מעולים. משקלו 4.5 ק"ג בלבד, אולם הוא תומך בהפעלת כוח של עד 800 ק"ג(!). הדרישה היא למתח חשמל בסיסי שיש בכל רכב (מעל 9.8 וולט), וההספק שנדרש למנוע הוא כ-300 ואט. תנאי הסף האלו מבטיחים שיתאפשר להתקינו בכל דגם של רכב, בין שהוא בהנעה רגילה ובין שהוא בהנעה היברידית או חשמלית.

כאשר ה-iBooster נעזר במנוע החשמלי, הוא מסוגל לבנות לחץ באופן עצמאי לחלוטין, כלומר בלי שנדרש מהנהג ללחוץ על דוושת הבלם. מעבר לכך, בהשוואה למערכת בקרת יציבות אלקטרונית סטנדרטית, הלחץ ב-iBooster נבנה במהירות הגבוהה פי שלושה. המשמעות היא שהבלימה מהירה וחזקה הרבה יותר, והדבר מביא לקיצור מרחק הבלימה, כלומר להפחתת הסיכון לתאונה (או להפחתת חומרתה). אם מביאים בחשבון את שאר מאפייני הנהיגה האוטונומית, הסיכון לתאונה קטן בהרבה.

בוסטר הבלימה הקונבנציונלי מאפשר לפתח לחץ הידראולי רק בטווח מצומצם מאוד של פעילות, המכונה בשפה המקצועית jump-in area. הוא חייב להתמודד עם מומנט הבלימה, ולפיכך מוגבל מטבעו. יתרה מזו, הפעולה של הבוסטר, הווה אומר הגברת כוח הבלימה, קשורה במישרין לנפח, והנפח משפיע במישרין על תחושת הדוושה. אם כן, פעולות בלימה בבוסטר קונבנציונלי יכולות להתבצע רק מתחת לתאוטה של 0.2g. לעומתו ב-iBooster, התאוטה עם מערכת בקרת היציבות יכולה להתבצע ברף תאוטה של 0.3g. הדבר מתאפשר הודות ליכולתו של ה-iBooster להתאים בעצמו את הכוח שמופעל על המערכת ההידראולית בכל זמן נתון, הכול באמצעות תוכנת הבקרה הממוחשבת. מדובר בטווח גדול מאוד של אפשרויות בלימה, המכסות את מרבית סיטואציות הבלימה בכביש.

רמה זו של פעילות בלימה חכמה מאפשרת לרכבים החשמליים להגדיל את טווח הנסיעה שלהם בעד 20%, והשיא הוא בנסיעה בכבישים עירוניים צפופים שמתבצעת בהם פעילות רבה של בלימה והאצה. המשמעות היא מיחזור מיטבי של אנרגיית הבלימה, החיוני במיוחד בכלי רכב היברידיים וחשמליים. מומנט הבלימה שמייצר הגנרטור צריך להיות מופעל ביעילות המרבית ברכב, בהתחשב ברמת יציבותו הרגעית. ברכבים חשמליים מדובר בתרומה מהותית לכושר המיחזור של אנרגיית הבלימה, והדבר מאפשר להגדיל באופן ניכר את טווח הנסיעה בין טעינה אחת לאחרת. ברכבים בעלי הנעה רגילה ובעלי הנעה היברידית מדובר בהפחתה ניכרת של תצרוכת הדלק ופליטת דו-תחמוצת הפחמן, והיתרון העיקרי מושג גם כאן בנסיעה עירונית מרובת עצירות.

ה-iBooster הוא למעשה מגבר בלם מכני יעיל. בניגוד למקובל, הוא פועל ללא מקור ואקום. משמעות הדבר היא כי משאבת הוואקום המכנית אינה נדרשת עוד. עצם הסרתה חוסך דלק ומפחית את פליטת דו-תחמוצת הפחמן. יתרה מזו, הפונקציות להפחתת תצרוכת הדלק, כגון במצב start/stop ובכל פעם שהמנוע כבוי זמנית, פועלות כעת ביעילות יתרה.

יתרון מובהק אחר קשור לרכבים היברידיים וחשמליים. ברכבים האלו נדרשת בהנעה החשמלית רמת דיוק גבוהה של דוושת הבלימה. הלחץ על הדוושה חייב להיות מתורגם במדויק לתגובת הבלימה. מדובר בדינמיקה מורכבת של תרגום כוח ותנועה של הרגל לבלימה בפועל. פעולה זו מבוצעת על ידי תכנות של תכונות הדוושה.

זמינות ומצב גיבוי

ל-iBooster יש מנגנון בטיחות דו-שלבי. השלב הראשון מביא בחשבון שני תרחישי שגיאה אפשריים. אם אספקת החשמל של הלוח אינה פועלת במלוא הקיבולת, ה-iBooster עובד במצב חיסכון בחשמל (power-saving mode) כדי למנוע עומס על מערכת החשמל של הרכב וכדי למנוע כשל באספקת החשמל של הלוח. קיים גם סיכוי כלשהו שתהיה תקלה ב-iBooster עצמו. במצב זה מערכת הבלימה תפעל באמצעות הגברת העוצמה של בקרת היציבות של הרכב. בשני התרחישים, מערכת הבלמים מספקת האטה של 0.4g, וזאת כאשר על דוושת הבלם מופעל כוח של 20 ק"ג בקירוב. זה גם המקרה כאשר על דוושת הבלימה מופעל כוח גדול יותר - עד האטה מלאה. בשלב הבטיחות השני קיים מנגנון של דחיפה מכנית. מנגנון זה זמין כגיבוי כאשר יש נפילת מתח בלוח.

הנהג יכול להפעיל את הבלימה על כל ארבעת הגלגלים באמצעות המערכת ההידראולית, ללא אפקט מגבר הבלם. בדרך זו הוא יכול להביא את הרכב בביטחה לעצירה מוחלטת. המשמעות היא שגם הדרישות הסטטוטוריות של הרגולציה מסופקות במלואן.

עקרון הפעולה

עקרון הבקרה של ה-iBooster דומה לזה של בלמי בוסטר רגילים: ביחידה מותקן שסתום ששולט על אספקת האוויר, וזאת כדי לספק דחיפה לכוח המיושם מכף הרגל של הנהג. ההפעלה של ה-iBooster מתחילה באמצעות חיישן המשולב בדוושת הבלימה והמזהה את מהלך הדוושה. המידע נשלח ליחידת הבקרה אשר מתרגמת אותו והופכת אותו לפקודה המועברת כאות למנוע החשמלי שאחראי לתפעול הבלימה.

יחידת ההפעלה כוללת ממסרת בעלת שני שלבים (two-stage gear unit), האמונה על המרת המומנט שמתקבל מהמנוע ללחץ בבוסטר. בסוף התהליך, הכוח שמופק מהבוסטר מומר ללחץ הידראולי רגיל, המוכר לנו ממאסטר צילינדר קונבנציונלי.

בלימה עודפת וגיבוי למערכת ההיגוי הכרחיים לנהיגה אוטומטית. זה הרבה מעבר לפונקציה הטכנולוגית. המטרה היא לבנות את אמון הצרכנים (כפי שהם מבינים את המערכות האלו), ולספק מענה איכותי למגוון רמות של מורכבות. במילים אחרות, מערכות הבלימה וההיגוי מיועדות להתמודד עם מגוון רחב של מצבים. הטכנולוגיה משיגה את התקינה, כך שלמעשה העתיד כבר כאן, אלא שהפיתוחים אינם יכולים להיות מיושמים בדגמי הרכב הנוכחיים. התקן העכשווי, SAE רמה 3 (אוטומציה מותנה), יחייב כבר ב-2018. לקוחות יצטרכו להכיר את כלי הרכב החדשים שיגיעו לשוק השנה, ולא פחות חשוב - יצטרכו לבטוח בהם.

על פי התקן הנוכחי, SAE רמה 3, הנהג הכרחי עדיין. עם זאת, חלק מהתכונות ומפונקציות הבטיחות הקריטיות אפשר להעביר כבר כעת לפעילות עצמית של מערכות הרכב. זאת בהנחה של תנועה מסוימת בכביש, או בתנאים סביבתיים מוגדרים. נדרש לנהג פרק זמן מסוים כדי להבין שהתערבותו נחוצה. פונקציות עודפות נועדו להבטיח שכל פעולות הבטיחות הקריטיות ימשיכו להתבצע בפרק הזמן הזה, גם במקרה הנדיר של כשל במערכת העיקרית. לרמות SAE 4 ו-SAE 5 המונח "עודפות" נעשה קריטי אף יותר, שכן טווח הזמן שבו נוסע הרכב ללא נהג עולה.

הפתרון של בוש למערכות כשל של מערכת הבלימה (מערכת היגוי וארכיטקטורה של E/E) הוא שילוב של iBooster בבלם האלקטרומכני שלה עם מערכת בקרת היציבות האלקטרונית, ESC (מוכר גם בשם ESP - תוכנית יציבות אלקטרונית). שתי המערכות מסוגלות לבצע עצמאית פונקציות בלימה במקרה נדיר של כשל יחיד.

בלימה עודפת והיגוי עודף

מערכת הבלמים הקונבנציונלית מורכבת כיום משני מפעילים: מגבר בלם ואקום ויחידת בקרת יציבות. מערכת הבלמים מורכבת משני מפעילים היכולים להאט את הרכב ללא תלות זה בזה וללא קשר ללחיצה הפעילה של הנהג על דוושת הבלם.

גם אם התקלה מתרחשת במערכת הבלמים או על ידי אחד המפעילים (iBooster או ESC), המערכת מסוגלת למנוע נעילה של גלגל ספציפי על ​​ידי ויסות של לחץ הבלימה. המערכת מאפשרת לבצע היגוי פעיל בכל מהלך ההאטה.