Diagnozowanie ABS

Autor: Nick Hibberd

Samochód przyjechał do naszego warsztatu z niesprawnie działającym systemem ABS. Klient poinformował, że ABS uruchamiał się niepotrzebnie w trakcie hamowania przy niskich prędkościach. Przeprowadziłem jazdę testową aby zweryfikować problem, rzeczywiście ABS włączał się w trakcie hamowania przy bardzo niskich prędkościach, praktycznie chwilę przed zatrzymaniem samochodu. Była to oczywista awaria ponieważ pojazd nie potrzebował w danym momencie interwencji ABS. Nasze pierwsze pytanie brzmiało: "Co widzi system ABS w momencie gdy czuje że musi interweniować?"

Strategia działania ABS polega na monitorowaniu prędkości rotacyjnej czterech kół pojazdu w momencie hamowania; jeśli prędkość jednego z kół zaczyna szybko spadać może ono się zablokować. Diagnozowany samochód był również wyposażony w system Anti-Skid Reduction który działa odwrotnie do ABS. Mianowicie jeśli w momencie przyśpieszania koło wpada w poślizg  system ASR używa hamulca do wyhamowania koła, w celu uwolnienia go z poślizgu. W trakcie poślizgu koła, możliwa jest również interwencja ECU polegająca na zmniejszeniu momentu obrotowego. Biorąc pod uwagę naturę awarii w samochodzie mogliśmy być pewni, że problem pochodzi z ABS a nie z ASR.

Warto również zwrócić uwagę że nie zapaliła się kontrolka awarii ABS zarówno przed, w trakcie jak i po interwencji ABS. Oznacza to że nie został wykryty żaden problem w systemie ABS.

Następny krokiem było podłączenie oscyloskopu samochodowego Pico.

capture one

Powyższy przebieg został zarejestrowany przy prędkości 10mph, pedał hamulca został zwolniony, ABS nie interweniował. Kanał A (niebieski) monitorował tylni prawy czujnik prędkości koła (WSS) natomiast kanał B (czerwony) monitorował czujnik WSS tylniego lewego koła.

Uwaga: Przy obydwu zapisanych przebiegach oscyloskop użył masy podwozia jako punktu odniesienia — ważne jest, aby zdawać sobie sprawę z warunków badania, gdy patrzy się na podejrzany sygnał. Z powyższego przebiegu wyraźnie widać, że istnieje jakiś problem w lewym tylnim czujniku WSS

Aby dobrze zinterpretować przebieg oraz wysunąć konkluzje musimy zrozumieć na co patrzymy.

operation of ABS system

System ABS używa czterech czujników indukcyjnych, zamontowanych po jednym na każdym kole. Ich sposób działania można opisać następująco: wyjściem czujnika (sygnałem) jest prąd zmienny tworzony przez poruszającą się koronkę ABS, która w trakcie przemieszczania się wchodzi oraz opuszcza pole magnetyczne czujnika. Ruch ten wytwarza prąd zmienny. Kształt sygnału jest określony przez następujące czynniki:

Każdy z tych czynników odgrywa bardzo ważną rolę w tworzeniu poprawnego sygnału, utrata jednego z nich powoduje nieprawidłowości sygnału. W momencie gdy koronka ABS zbliża się do pola magnetycznego czujnika, wytwarzane jest dodanie pole elektromagnetyczne. Natomiast w momencie wychodzenia ząbka koronki ABS z pola magnetycznego czujnika wytwarzane jest ujemne pole elektromagnetyczne. ABS capture 2 Skutkiem tego ruchu jest powstawanie sygnału. System ABS użyty w diagnozowanym samochodzie posiadał czujnik z dwoma kablami . Jeden był masą podpiętą do ECU natomiast drugi kabel był wyjściem sygnału podłączonym również do ECU. Jeśli spojrzymy na przebieg nr.1 to zobaczymy obydwa sygnały wyjściowe oscylujące trochę powyżej 0V. Tak jak wspomniano, ECU dostarczała masę jednemu ze złącz czujnika, nie była to jednak dokładna masa lecz napięcie ok 0.18V, wokół tej wartości oscylował także nasz przebieg. Zobacz przebieg 2. Wszystkie czujniki systemu pasują do charakterystyki sygnału.


ABS capture 1 zoomed

Wracając do przebiegu nr.1, widać tam słabą jakość generowanego sygnału (tylniego lewego koła), może to oznaczać że coś jest nie tak z jednym z wymienionych wcześniej czynników. Biorąc pod uwagę fakt że czujnik był w stanie generować wystarczający sygnał dla obracającego się koła samochodu, należy wykluczyć awarie siły pola magnetycznego czujnika, ilości zwojów umieszczonych wewnątrz czujnika oraz szybkości z jaką koronka ABS przemieszcza się w polu magnetycznym czujnika. Dla osób które nigdy przedtem nie widziały takiej anormalnej struktury sygnału, informujemy że jest ona bardzo podobna do awarii koronki ABS. Zatem opcje, które nam pozostały do zanalizowania to awaria kształtu i składu koronki ABS oraz odległości pomiędzy czujnikiem a koronką ABS.

Kolejnym krokiem było dokładne obejrzenie koronki ABS.

ABS reluctor

Po rozmontowaniu lewego tylniego wału napędowego, możliwa przyczyna awarii została odnaleziona. Zwróć uwagę na nietypowo błyszczące "plamy / przetarcia" na niektórych zębach. Czy to może być powód awarii?

“Odległość między czujnikiem a koronką ABS”

Błyszczące przetarcia nie wydawały się być przyczyną problemów, ponieważ ich zęby nadal miały dobrą strukturę w porównaniu do innych zębów. Posiadały one dobrą wysokość, szerokość oraz odstępy pomiędzy innymi zębami. Oznacza to, że odległość między czujnikiem a koronką ABS nie jest powodem awarii.

“Kształt oraz skład koronki ABS”

Kształt zębów jako powód awarii został już wcześniej wykluczony , przyszła pora zastanowić się na składem (materiałem) błyszczących plam. Czujnik zawierał magnes którego pole magnetyczne powinno być podatne na przemieszczającą się koronkę ABS. Jeśli koronka ABS wytworzona była ze słabo magnetycznego (ferromagnetycznego) materiału, mogła mieć ona problemy ze zmianą strumienia magnetycznego czujnika, brak zmian w strumieniu oznaczał brak sygnału.

Łatwym sposobem testowania właściwości magnetycznych koronki ABS (zębów) jest przyłożenie magnesu do zęba w celu wyczucia siły przyciągania. Nie jest to zbyt naukowa metoda ale działa. Biorąc również pod uwagę zarejestrowany oscyloskopem przebieg, powinniśmy być wstanie odczuć znaczącą różnicę w przyciąganiu. Parę nie przytartych zębów zostało poddanych próbie w celu określenia siły przyciągania. Następnie sprawdzono świecące zęby, przyciąganie było zdecydowanie słabsze. Tak jak pokazały to przebiegi 1 oraz 2 świecące zęby generowały słabe zmiany w polu magnetycznym.

Klient poinformował nas że samochód przeszedł w przeszłości poważną naprawę w lewym tylnim rogu. Uszkodzeniu uległa tam między innymi półoś z przegubem, który został "naprawiony". Z mechanicznego punktu widzenia naprawa była dobrze wykonana, jednak nie naprawiono czujnika prędkości koła. W jakim stopniu miało to wpływ na aktywacje ABS-u przy zatrzymywaniu pojazdu?

Należy pamiętać, że przebiegi były rejestrowane przy prędkość 10mph, co jest znacznie powyżej prędkości hamowania dla zatrzymania.

abs signal

Amplituda sygnału z lewego tylniego koła została widocznie zmieniona z powodu poprzedniej naprawy przegubu, jednak częstotliwość sygnału pozostała. Dzięki temu sygnał czujnika prędkości koła był dalej poprawnie widziany przez ABS. W momencie wyższych prędkości czujnik dostarczał wystarczająco silny sygnał do systemu, jednak gdy prędkość spada uszkodzone zęby koronki ABS powodowały powstawanie zbyt słabego sygnału.

abs vehicle speed signal

W sytuacji gdy samochód hamował przy bardzo małej prędkość, dochodziło do zanikania sygnału. ABS błędnie interpretował tą informacje jako zablokowanie koła i uruchamiał systemu ABS. Nowa koronka ABS została zamontowana. Czy rozwiązało to problem?

W trakcie pierwszej jazdy próbnej, po przeprowadzonej naprawie, ABS ponownie uruchomił się w czasie hamowania pojazdu.

Przez chwilę siedziałem w samochodzie i zastanawiałem się nad znalezioną awarią oraz przeprowadzoną naprawą. Wszystko wskazywało na uszkodzony czujnik prędkości koła, jednak naprawa nie pomogła. Oznaczało to, że problem istnieje również w innym miejscu.

wheel speed sensor connection

Nie wspomniałem jeszcze w jaki sposób oraz gdzie został podłączony oscyloskop samochodowy. Osobiście lubię podpinać oscyloskop bezpośrednio do pinów ECU, dzięki temu mój oscyloskop widzi dokładnie to samo co ECU. Jednak w przypadku tego samochodu, wybrałem inne miejsce, mianowicie podłączyłem oscyloskop bezpośrednio do czujnika prędkości koła (WSS). Okazało się to dość trudne, ponieważ nie było możliwości podpięcia się bezpośrednio do pinów czujnika. Ostatecznie podłączyłem się pod wiszący kabel sygnałowy. Pomiędzy połączeniami gniazd była wystarczającej wielkości szpara, która umożliwiła podpięcie sondy bez powodowania uszkodzeń.

Przebieg 1 został zarejestrowany przy prędkości 10mph. Należy pamiętać o skorelowaniu sygnałów czujników na tej samej osi pojazdu. Częstotliwość sygnałów z dwóch czujników powinna być prawie identyczna. Spójrz uważnie na różnice pomiędzy sygnałami. Zdarzają się pojazdy w których liczba zębów w koronce ABS jest inna na przedniej i inna na tylniej osi. Jednak nigdy nie różni się ona pomiędzy lewym a prawym kołem. Co prawda widziałem samochód w którym opony jednej osi były tego samego rozmiaru lecz innego producenta, skutkowało to różną prędkością każdej opony! Dlatego zawsze rekomenduje klientom montowanie opon tego samego producenta na conajmniej jednej osi, a najlepiej na wszystkich osiach.

wheel speed sensor waveform

Powyżej widzimy dopasowany sygnał oraz częstotliwość. Jeśli przyjrzymy się bardzo uważnie dostrzeżemy minimalne odchylenia pomiędzy szczytami jednego i drugiego czujnika. Nie powinno nas to martwić ponieważ zawsze istnieje minimalna rozbieżność pomiędzy czujnikami prędkości koła. Co dalej ? Nadal uważałem że przyczyna awarii leży po stronie czujnika prędkości koła, dlatego ostatnia próba polegała na sprawdzeniu czujników przedniej osi. W tym przypadku wiedziałem, że częstotliwość sygnału będzie różnić się pomiędzy osią przednia a tylnią, dlatego bardziej interesowała mnie amplituda sygnału.

RH WSS waveforms
LH  WSS waveforms

Przebieg 2 oraz 3 został zarejestrowany przy prędkości 10mph, tym razem pokazują one sygnały czujników kół po tej samej stronie samochodu. Nie zwracaj uwagi na nagłe skoki w sygnale przebiegu 2, spowodowane są one zakłóceniami z zewnątrz. Porównując obydwa przebiegi można dostrzec wyraźny problem: sygnały przednich czujników mają dużo mniejszą amplitudę.

Jedna rzecz bardzo mnie zaskoczyła, obydwa przednie sygnały miały amplitudę pomniejszoną o tą samą wartość w porównaniu do czujników kół tylnich. Zmniejszona amplituda tylko w jednym czujniku zdecydowanie wskazywała by na awarie, jednak przebiegi pokazały, że obydwa czujniki miały niemal identyczną amplitudę. W tym momencie zacząłem wątpić w moje przyrządy pomiarowe. Dokonałem paru kolejnych pomiarów, upewniając się że połączenia są dobrze wykonane, oscyloskop jest podpięty do właściwego kabla czujnika a siatka oscyloskopu jest dobrze ustawiona, zamieniłem także kanały na oscyloskopie. Wykonałem wszystkie możliwe kroki pozwalające wyjaśnić niską amplitudę sygnału przednich czujników.

Ostatecznie uznałem że takie wartości nie mogą być normą, z tych samych powodów dla których "potępiłem" lewy tylni czujnik. Mianowicie kiedy samochód rozpoczynał hamowanie, sygnał z przednich czujników WSS był zbyt słaby aby ECU poprawnie rejestrował prędkość kół. Dodatkowo tylnie czujniki prędkości kół kontynuowały dostarczanie dobrego sygnału, w wyniku tego ECU zakładał że przednie koła uległy zablokowaniu i uruchamiał ABS.

Odkrycie to pasowało do oryginalnej hipotezy problemu z sygnałem czujnika prędkości koła.

investigating the WSSs

Tutaj widać czujnik WSS oraz jego oporność wynoszącą 1.734 kΩ.

Rozpocząłem starania mające na celu odkrycie przyczyny niskiej amplitudy w obu czujnikach WSS. Sprawdziłem bardzo wiele możliwych przyczyn, między innymi okablowanie ECU, włączenie i wyłączenie zapłonu, zbyt wysoką oporność kabli czujnika, możliwość "ucieczki" dodatniego i ujemnego prądu z odwody przednich czujników WSS do akumulatora, odłączenie i podłączenie ECU.

W skrócie, miałem bardzo duże problemy ze znalezieniem przyczyn anomalii w układzie elektrycznym samochodu.

Jeśli nie jest to elektryka to może mechanika?

Aby diagnozować słabą amplitudę sygnału jako problem mechaniczny, należy skupić się na każdej piaście koła samochodu z osobna. Oznacza to, że nie szukamy już wspólnego czynnika łączącego problem lecz bardziej skupiamy się na przypadkowym "wydarzeniu" które wpływa na obydwa czujniki w jednakowy sposób. Jako elektryk samochodowy parę razy "sparzyłem się" skupiając się na przypadkowym powiązaniu, jednak w tym przypadku nie miałem już innych pomysłów na przyczynę awarii. Rozpocząłem indywidualną  analizę każdego czujnika prędkości koła, starając się zapomnieć, że dwa z nich (przednie) są uszkodzone. Czego szukałem?

Tych samych rzeczy co w trakcie wykrycia awarii w tylnim lewym kole. Mianowicie, poprawny sygnał czujnika WSS jest zdeterminowany przez następujące czynniki:

Wewnętrzna siła pola magnetycznego czujnika

Nie możemy wykluczyć takiej opcji. Jeśli magnes umieszczony w czujniku zepsuł się lub zdegradował się, przemieszczająca się koronka ABS nie wzbudzi wystarczająco pola magnetycznego. Może to być powodem słabego sygnału - awarii. W przeszłości miałem już do czynienia z taką sytuacją.

Ilość zwojów umieszczonych wewnątrz czujnika

Opcja taka jest mało prawdopodobna. Zwoje pokrywały niemal cały czujnik dodatkowe zweryfikowaliśmy już oporności czujników, były podobne. Oczywiście jest możliwe wewnętrzne zwarcie na zwojach, jednakże wtedy oporność byłaby niższa. Ponieważ mieliśmy dobrą oporność czujnika, można było wstępnie wykluczyć awarie w tym miejscu.

Ogólny kształt i skład (materiały użyte do budowy) koronki ABS

Również i taka opcja jest mało prawdopodobna. Po pierwsze jeśli ułożenie koronki ABS byłoby naruszone, każdy ząb musiał by być zmieniony identycznie, co jest mało prawdopodobne. Po drugie jeśli kształt zębów byłby zły, każdy ząb musiał by być naruszony w ten sam sposób. Przebieg nie pokazywał brakujących lub uszkodzonych zębów, tylko niską amplitudę.

Odległość między czujnikiem a koronką ABS

Bazując na moim doświadczeniu był to najbardziej prawdopodobny powód niskiej amplitudy. Zła odległość pomiędzy koronką ABS a czujnikiem nie zmieniła był kształtu sygnału tylko amplitudę. Naturalne jest występowanie korozji między koronką a czujnikiem. Odległość czujnika i koronki nawet przy małej zmianie potrafi powodować zauważalne zmiany w sygnale.

Szybkość z jaką koronka ABS przemieszcza się w polu magnetycznym czujnika

Ta opcja jest najmniej prawdopodobna. Jeśli prędkość koronki była by problemem, oprócz naruszenia struktury amplitudy naruszona zostałaby również częstotliwość. Jeśli spojrzysz dokładnie na przebieg 2 oraz 3 zauważysz identyczną strukturę sygnału przednich czujników. Dlatego uznałem, że koronki ABS poruszają się z taką samą prędkością.

Dzięki rozbiciu i wyeliminowaniu czynników wpływających na pracę czujnika prędkości koła, znacząco zbliżyłem się kierunku rozwiązania problemu. Wszystko wskazywało na odległość między czujnikiem a koronką ABS.

WSS sensor

Powyższe zdjęcie pokazuje typową lokalizację przedniego czujniki prędkości koła. Przymocowany jest on do pokrywy, która następnie jest przykręcona do tyłu piasty. Od razu zauważyłem nagromadzoną korozje w okolicach śrub. Korozja była również w przerwie pomiędzy piastą a pokrywą czujnika. Czy taka przerwa jest czymś normalnym?

Dodatkowa szybka inspekcja nie wykazała więcej widzialnych problemów. Ponieważ pokrywa mocowania czujnika była łatwa do usunięcia postanowiłem sprawdzić co dzieje się wewnątrz.

Po wymontowaniu tylnej pokrywy źródło problemu stało się oczywiste - korozja!

WSS sensor

*do przeprowadzonego badania użyto oscyloskop samochodowy USB PICO PicoScope 4423