ترمز از مهمترین عناصر ایمنی هر خودرو به شمار می رود بگونه ای که نمی توان خودروی بدون ترمز را تصور کرد! ترمز اولین راهکار هر راننده برای کنترل و متوقف کردن خودرو است لذا اطمینان از عملکرد صحیح آن اجتناب ناپذیر است. با عنایت به این مهم، فناوریهای مختلفی چه در حوزه سیستم های مکانیکی و چه در حوزه سیستم های الکتریکی و الکترونیکی در مدار ترمز خودروها به کار گرفته شده است. یکی از مهمترین فناوریها در این حوزه، سیستم ترمز ضد قفل (ABS) می باشد که اولین بار در سال ۱۹۷۱ میلادی توسط شرکت بوش رونمایی شد و از آن زمان تاکنون با سیستم هایی همچون سیستم کنترل کشش یا ضد بکسواد (ASR)، سیستم توزیع نیروی ترمزی (EBD)، سیستم کنترل پایداری خودرو (ESP)، سیستم ترمز اضطراری (EBA)، سیستم تنظیم گشتاور موتور (MSR) و … تکامل یافته است.
به منظور فهم صحیح عملکرد سیستم ترمز ضد قفل (ABS) ابتدا می بایست توجه نمود که پایداری خودرو به هنگام ترمزگیری به طور پیوسته به سه عامل راننده، خودرو و سطح جاده وابسته است. به بیان دیگر، زمانیکه راننده به هر دلیل اقدام به ترمزگیری می نماید بسته به عواملی همچون تشخیص صحیح راننده در زمان ترمزگیری، میزان نیروی اعمالی بر پدال ترمز، شرایط جاده (رطوبت، یخ زدگی، دما و…)، نحوه عملکرد مدار ترمز و امکان هدایت خودرو از طریق غربیلک فرمان، طول مسیر توقف و میزان پایداری خودرو تعیین می گردد. اگر این سه عامل در اثر نیروی اعمالی لنت ترمز بر چرخ خودرو منجر به قفل شدن چرخ شود، میزان چسبندگی تایرها بر سطح جاده کاهش یافته و منجر به سر خوردن خودرو خواهد گردید و این امر، علاوه بر افزایش مسافت ترمز گیری، منجر به عدم پایداری خودرو و چرخش انتهای خودرو به طرفین در اثر چرخاندن فرمان توسط راننده خواهد شد. (در حالتی که چرخها قفل شده اند، خودرو به سمتی که راننده فرمان را چرخانده است حرکت نمی کند بلکه به سمتی حرکت خواهد کرد که در لحظه قفل شدن، در حال حرکت بوده است، به عبارت دیگر به محض قفل شدن چرخها، راننده دیگر هیچ‌گونه کنترلی بر روی خودرو بوسیله چرخاندن فرمان ندارد.) بنابراین می بایست به طریقی از قفل شدن چرخ ها به هنگام ترمزگیری جلوگیری شود. برای این منظور، کمیتی به نام نسبت لغزش (به انگلیسی : Slip Ratio) تعریف شده است که به روش های مختلفی محاسبه می شود. در ساده ترین حالت، این کمیت برای هر چرخ از طریق تقسیم نمودن (اختلاف سرعت خودرو و سرعت چرخش چرخ) بر سرعت خودرو محاسبه می گردد. به عنوان مثال اگر خودرو دارای سرعتی برابر ۶۰ کیلومتر در ساعت و سرعت خطی چرخ جلو راست برابر ۳۰ کیلومتر در ساعت باشد میزان لغزش این چرخ برابر ۰.۵ یا ۵۰% خواهد بود. در شکل زیر، نمودار تغییرات نیروهای طولی و عرضی ترمزی با توجه به میزان لغزش چرخ و میزان چسبندگی تایر با سطح جاده (به انگلیسی : Friction Coefficient) آورده شده است.
مطابق شکل فوق، زمانیکه چرخ قفل شده و میزان لغزش به ۱۰۰% می رسد، نیروی طولی ترمزی از مقدار ماکزیمم کاهش یافته و یک روند میرا را طی می نماید و نیروی عرضی ترمزی به صفر می رسد. لذا همانگونه که بیان شد، در این حالت، طول مسیر ترمز افزایش و با انحراف فرمان، خودرو از مسیر منحرف شده و پایداری خود را از دست خواهد داد. مطالعات نشان داده است که حالت بهینه از نظر خط ترمز و پایداری خودرو در محدوده میزان لغزش ۲۰% روی میدهد. برای نیل به این هدف، سیستم ترمز ضد قفل (ABS) ابداع گردیده است. بخش اصلی این سیستم را مدولاتور ترمز یا ماژول ABS تشکیل میدهد. این ماژول، سرعت خودرو را از طریق شبکه مالتی پلکس از ECU موتور دریافت می نماید و سرعت دورانی هر چرخ نیز از طریق سنسورهای ABS نصب شده روی چرخ، به صورت پالسهای فرکانس بالا به آن منتقل می شود. به کمک این داده ها، میزان لغزش هر چرخ به صورت پیوسته اندازه گیری می گردد. شمای ظاهری نسل هشتم مدولاتور ترمز ABS شرکت بوش، (Bosch 8.0) در شکل زیر با عدد ۱ نشان داده شده است. این ماژول خود از دو بخش بلوک هیدرولیک (عدد ۲) و ECU (عدد ۳) تشکیل شده است.
۸ عدد شیر برقی به صورت چهار زوج شیر برای چهار چرخ در بلوک هیدرولیک قرار دارد (برای هر چرخ، دو عدد شیر برقی). یکی از شیرها که در مسیر ورود روغن ترمز به مدار کلیپر قرار دارد به صورت نرمال باز (NO) و دیگری که در مسیر خروج روغن ترمز در مدار کلیپر قرار دارد به صورت نرمال بسته (NC) می باشد. در شکل زیر نمای کامل مدار ترمز خودرو با سیستم ABS نشان داده شده است که اعداد شکل به ترتیب بیانگر ۱- پدال ترمز، ۲- بوستر، ۳- سیلندر اصلی ترمز، ۴- مدار اولیه، ۵- مدار ثانویه، ۶- پمپ هیدرولیک، ۷- شیرهای یک طرفه، ۸- شیرهای ورودی چرخ های جلو به صورت نرمال باز، ۹- شیرهای خروجی چرخهای جلو به صورت نرمال بسته، ۱۰- شیرهای ورودی چرخ های عقب به صورت نرمال باز، ۱۱- شیرهای خروجی چرخهای عقب به صورت نرمال بسته، ۱۲- چرخ جلو چپ، ۱۳- چرخ عقب راست، ۱۴- چرخ جلو راست و ۱۵- چرخ عقب چپ می باشند.
مطابق شکل فوق و مطالب بیان شده، زمانیکه راننده اقدام به ترمزگیری می نماید، ECU بلوک ABS از طریق سوئیچی که داخل پدال ترمز قرار دارد از نیت راننده برای ترمزگیری مطلع می شود. سرعت هر چرخ از طریق سنسورهای ABS و سرعت خودرو از طریق ECU موتور به ECU مدولاتور ABS داده می شود. این کنترلر نیز بلافاصله اقدام به محاسبه میزان لغزش هر چرخ می نماید. بدیهی است که در ابتدا با فشردن پدال ترمز، روغن توسط بوستر با فشار به سمت مدارهای اولیه و ثانویه هدایت می گردد. روغن پر فشار با عبور از لوله های هیدرولیک و شیرهای نرمال باز (شماره های ۸ و ۱۰) به سیلندر ترمز وارد شده و از طریق تماس لنت با دیسک، منجر به عمل ترمزگیری هر چهار چرخ می گردد (بخش سبزرنگ در شکل زیر). با رسیدن لغزش چرخ به محدوده ۲۰%، ECU اقدام به بستن شیرهای ورودی نرمال باز می نماید تا از ورود روغن و افزایش بیشتر فشار جلوگیری به عمل آید و فشار در محدوده فعلی حفظ شود (بخش قرمزرنگ حفظ فشار در شکل زیر).
با توجه به کندی سیستم هیدرولیکی، فشار اندکی افزایش یافته و از حد آستانه مجاز عبور میکند یا آنکه به هر دلیل ممکن است چرخ قفل شود در این حالت، ECU نسبت به باز نمودن شیرهای خروجی نرمال بسته (شماره های ۹ و ۱۱) و روشن نمودن پمپ هیدرولیک اقدام می نماید تا نیرو به سرعت از پشت چرخ برداشته شده و لغزش به داخل محدوده ۲۰% باز گردد.(بخش قرمزرنگ افت فشار در شکل بالا).
با انجام مرحله قبلی، از آنجا که افت فشار باعث کاهش زیادی در نیروی ترمزی پشت چرخ شده است مجدداً شیرهای ورودی ۸ و ۱۰ باز و شیرهای خروجی ۹ و ۱۱ بسته می شوند تا روغن پرفشار مجدداً به لنتها اعمال گردد. از آنجا که در این حالت، پدال توسط راننده کامل فشرده شده، ایجاد فشار اضافی توسط پمپ هیدرولیک تامین شده و روغن به گردش درآمده و به سیلندر ترمز چرخها هدایت می شود و سیکل بیان شده تکرار میشود. می بایست توجه گردد که مراحل بیان شده در فواصل زمانی چند میلی ثانیه انجام می شود (در هر ثانیه، بین ۳۰ تا ۵۰ بار سه مرحله ذکر شده تکرار می شود) و راننده تنها ضرباتی را زیر پای خود و روی پدال به هنگام عملکرد سیستم ABS احساس میکند. نکته پایانی اینکه در مقایسه دوخودرو یکی فاقد ترمز ABS و دیگری دارای ترمز ABS روی یک جاده خشک و با چسبندگی مناسب، خودروی فاقد سیستم ABS سریعتر متوقف می شود و عملکرد سیستم فوق تا حدودی منجر به افزایش خط ترمز خودرو می گردد. به بیان دیگر، این سیستم در جاده های مرطوب، برفی، یخ زده و… که احتمال قفل شدن چرخ و سرخوردن خودرو بالاست با توجه به امکان فراهم نمودن قدرت مانور به راننده و جلوگیری از عدم تعادل خودرو، عملکرد مطوب تری نسبت به خودروی فاقد این سیستم دارد اما در شرایط نرمال، این سیستم اندکی قدرت ترمزگیری خودرو را کاهش می دهد و در این قبیل شرایط، خودروی فاقد سیستم ABS، عملکرد بهتری دارد! در ویدیوی آموزشی زیر، مطالب فوق به صورت مالتی مدیا شبیه سازی شده و عملکرد سیستم ترمز ضدقفل به صورت گویا تشریح گردیده است :