ระบบเบรกป้องกันล้อล็อกสำหรับรถจักรยานยนต์

ประวัติ

BMW ได้จำหน่ายระบบ ABS อิเล็กทรอนิกส์/ไฮดรอลิกสำหรับรถจักรยานยนต์เป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2531 สิบปีหลังจากที่ Daimler Benz และ Bosch ได้เปิดตัวระบบ ABS สำหรับรถยนต์สี่ล้อรุ่นแรกเพื่อการผลิตรถยนต์ซีรีส์ต่างๆ รถจักรยานยนต์ซีรีส์ K-100 ของ BMW สามารถเลือกติดตั้งระบบ ABS 1 ซึ่งมีน้ำหนัก 11 กก. ได้ ระบบนี้ได้รับการพัฒนาร่วมกับ FAG Kugelfischer และควบคุมแรงดันในวงจรเบรกผ่านลูกสูบพลันเจอร์  ผู้ผลิตรายแรกของญี่ปุ่นที่จำหน่ายรถจักรยานยนต์ซึ่งติดตั้งระบบ ABS คือ Honda โดยสามารถเลือกติดตั้งชุด ABS อิเล็กทรอนิกส์/ไฮดรอลิกกับรุ่น ST1100 ในปี พ.ศ. 2535 ผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM) รายที่สองของญี่ปุ่นคือ Yamaha ซึ่งติดตั้งระบบ ABS กับรถจักรยานยนต์รุ่น GTS 1000 ในปีเดียวกัน Suzuki เปิดตัวรถจักรยานยนต์รุ่น Bandit ที่ติดตั้งระบบ ABS เป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2540 Continental นำเสนอระบบ Motorcycle Integral Braking (MIB) เป็นครั้งแรกเมื่อปี พ.ศ. 2549 โดยพัฒนาภายใต้ความร่วมมือกับ BMW มีน้ำหนัก 2.3 กก. ในขณะที่ระบบ ABSสำหรับรถจักรยานยนต์รุ่นแรกมีน้ำหนักประมาณ 11 กก. ระบบ ABS รุ่นปัจจุบัน (พ.ศ. 2554) ที่นำเสนอโดย Bosch ในปี พ.ศ. 2552 มีน้ำหนักเพียง 0.7 กก. (ABS ฐาน) และ 1.6 กก. (ABS เสริม) พร้อมเบรกในตัว

หลักการพื้นฐาน

เซ็นเซอร์ตรวจจับความเร็วที่ล้อหน้าและล้อหลังจะวัดความเร็วรอบของแต่ละล้ออย่างสม่ำเสมอ และส่งข้อมูลนี้ไปที่หน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU) ซึ่งจะทำหน้าที่ตรวจจับว่าความหน่วงของล้อแต่ละข้างต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนดหรือไม่ และการลื่นไถลของเบรกสูงกว่าเปอร์เซ็นต์ที่กำหนดและเข้าสู่ระยะไร้เสถียรภาพ (Instable Zone) หรือไม่โดยคำนวณข้อมูลที่ได้จากล้อทั้งสองข้าง สิ่งเหล่านี้เป็นตัวชี้วัดว่ามีความเป็นไปได้สูงที่ล้อจะล็อก เพื่อป้องกันความผิดปกติเหล่านี้ ECU จะส่งสัญญาณไปยังหน่วยไฮดรอลิกเพื่อคงหรือลดแรงดัน หลังจากสัญญาณแสดงว่ากลับมาอยู่ในระยะที่มีเสถียรภาพ (Stable Zone) แล้ว แรงดันจะเพิ่มขึ้นอีกครั้ง ระบบ ABS รุ่นก่อนๆ ใช้ลูกสูบควบคุมแรงดันในน้ำมันเบรก ส่วนรุ่นใหม่จะควบคุมแรงดันด้วยการเปิดและปิดโซเลนอยด์วาล์วอย่างรวดเร็ว ในขณะที่หลักการพื้นฐานและลักษณะทางสถาปัตยกรรมได้มาจาก ABS สำหรับรถยนต์โดยสาร ลักษณะทั่วไปของรถจักรยานยนต์ก็ยังได้รับการนำมาพิจารณาด้วยในระหว่างกระบวนการพัฒนาและประยุกต์ใช้ ซึ่งลักษณะอย่างหนึ่งก็คือ การเปลี่ยนโหลดที่ล้อซึ่งกำลังหมุนในระหว่างการเบรก เมื่อเปรียบเทียบกับรถยนต์แล้ว การเปลี่ยนแปลงโหลดที่ล้อรถจักรยานยนต์จะมีมากกว่าซึ่งอาจทำให้ล้อลอยขึ้นลงได้ และจะยิ่งเกิดขึ้นได้ง่ายหากระบบรองรับช่วงล่างอ่อน ในบางระบบนั้นล้อหลังจะมีฟังก์ชันลดการทะยานของล้อ เมื่อตรวจจับตัวชี้วัดการทะยานของล้อหลังได้ ระบบจะปล่อยแรงดันเบรกที่ล้อหน้าเพื่อลดพฤติกรรมนี้ ความแตกต่างอีกประการหนึ่งก็คือ ในกรณีของรถจักรยานยนต์ ล้อหน้ามีความสำคัญกับเสถียรภาพในการขับขี่มากกว่าล้อหลัง ถ้าล้อหน้าล็อกที่ระหว่าง 0.2-0.7 วินาที จะสูญเสียแรงในการรักษารูปทรงและทิศทาง (Gyrostatic Force) และรถจักรยานยนต์จะเริ่มแกว่งเพราะอิทธิพลของแรงด้านข้างเพิ่มขึ้นและกระทำต่อแนวสัมผัสที่ล้อ รถจักรยานยนต์จะเริ่มไม่มีเสถียรภาพและล้มลงได้

ระบบเบรกป้องกันล้อล็อก (ABS)

ระบบลูกสูบ ระบบนี้จะปล่อยแรงดันผ่านการเคลื่อนที่ของลูกสูบชนิดสปริง (Spring-Tensioned Piston) เมื่อปล่อยแรงดัน มอเตอร์แบบเส้นตรง (Linear Motor) จะดึงลูกสูบพลันเจอร์กลับ และเปิดช่องให้น้ำมันไหลเข้า ระบบนี้ใช้ใน ABS I (2531) และ ABS II (2536) ของ BMW ABS II มีความแตกต่างเรื่องขนาดและแผ่นคลัตช์ที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์จะติดตั้งบนเพลาแทนที่จะเป็นพลันเจอร์ เซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนที่จะบันทึกระยะการเดินทางของลูกสูบเพื่อให้หน่วยควบคุมสามารถทำงานได้แม่นยำยิ่งขึ้น Honda ก็ใช้ระบบควบคุมแรงดันนี้กับ Big Sports และ Touring Bike เช่นกัน  

ระบบวาล์วและปั๊ม ชิ้นส่วนสำคัญที่เป็นส่วนหนึ่งในระบบควบคุมแรงดัน ได้แก่ โซเลนอยด์วาล์วทางเข้าและทางออก ปั๊ม มอเตอร์ ถังพัก จำนวนวาล์วในแต่ละรุ่นจะแตกต่างกันขึ้นอยู่กับฟังก์ชันการทำงานเพิ่มเติมและจำนวนเบรกแชนแนล (Brake Channel) ขดลวดจะทำงานกับวาล์ทางเข้าและทางออกตามข้อมูลที่ได้รับจาก ECU ในระหว่างที่มีการปล่อยแรงดัน น้ำมันเบรกจะเก็บอยู่ในถังพัก สำหรับการทำงานในระบบเปิดนี้ น้ำมันเบรกจะถูกส่งกลับไปยังวงจรเบรกผ่านปั๊มที่ควบคุมโดยมอเตอร์ซึ่งจะรับรู้ผ่านจังหวะการทำงานที่มือเบรก

ระบบเบรกร่วม (Combined Braking System CBS)

ล้อหน้าและหลังของรถจักรยานยนต์จะถูกควบคุมแยกจากกันซึ่งแตกต่างจากรถยนต์ เครื่องบิน หรือรถไฟ ถ้าผู้ขับขี่เบรกด้วยล้อหน้าหรือล้อหลัง ล้อที่เบรกมักจะล็อกเร็วขึ้นราวกับว่าใช้เบรกทั้งสองล้อ ระบบเบรกร่วม (Combined Braking System) จะกระจายแรงเบรกไปที่ล้อซึ่งไม่มีการเบรกด้วยเพื่อลดความเป็นไปได้ที่จะเกิดล้อล็อก เพิ่มแรงหน่วง และลดการโยนตัวของช่วงล่าง ที่ CBS แต่ละจุด แรงเบรกที่คันเหยียบเบรกล้อหลังจะกระจายไปที่ล้อหน้าในเวลาเดียวกัน วาล์วหน่วงจะตัดแรงดันไฮดรอลิกเพื่อให้มั่นใจว่าเมื่อมีการเบรก จะเกิดแรงดันที่ล้อหน้าด้วย Honda ได้ติดตั้ง Single CBS กับรถรุ่น GL1200 ในปี พ.ศ. 2525  สำหรับรถจักรยานยนต์สปอร์ตที่มีขนาดใหญ่ขึ้นและมีจานเบรกด้านหน้าสองจุด Honda ได้ติดตั้งระบบ Dual CBS เป็นครั้งแรกกับรถรุ่น CBR1000F ในปี พ.ศ. 2536 โดยแรงดันเบรกที่ด้านหน้าจะส่งมาที่ล้อหลังและในทางกลับกัน ถ้าใช้มือเบรกหน้า จะเกิดแรงดันที่ 4 จาก 6 พ็อตในก้ามปูเบรก 2 ตัวที่ด้านหน้า แม่ปั๊มเบรกตัวที่สอง (Secondary Master Cylinder) ที่ล้อหน้าจะกระจายแรงดันที่เหลือไปที่ล้อหลังผ่านวาล์วควบคุมชนิดแบ่งสัดส่วนแรงดัน (Proportional Control Valve) และกระทำกับก้ามปูเบรกสองในสามตัว ในกรณีที่มีการเบรกอย่างแรงที่ล้อหลัง แรงที่เกิดขึ้นก็จะกระจายไปที่ล้อหน้า 2 ใน 6 พ็อตด้วย

CBS และ ABS

CBS ช่วยลดอันตรายจากการเกิดล้อล็อกและล้มลง แต่ในบางสถานการณ์ก็เป็นไปได้ที่ CBS จะทำให้เกิดการล้ม ถ้าแรงดันเบรกกระจายจากล้อหลังไปล้อหน้าและแรงเสียดทานที่พื้นผิวเปลี่ยนแปลงกะทันหัน (เช่น แอ่งน้ำ น้ำแข็งบนพื้นถนน) ล้อหน้าอาจล็อกจนเหลือแต่เบรกหลังเท่านั้นที่ทำงาน ทำให้สูญเสียการทรงตัวและล้มลงได้ สามารถหลีกเลี่ยงเหตุการณ์นี้ได้โดยใช้ CBS และ ABS ร่วมกันในรถจักรยานยนต์ มีหลากหลายวิธีในการผสมผสานทั้งสองระบบ ในกรณีที่ไม่เกิดการสร้างแรงดันแบบแอ็คทีฟ สำหรับ Single Version แชนแนลที่สามจะเชื่อมต่อกับวงจรที่ล้อหลังผ่านวาล์วหน่วงไปยังเบรกหน้า เมื่อเบรกอย่างแรงที่ล้อหลังเพียงอย่างเดียวหรือทั้งสองล้อ น้ำมันเบรกจะส่งไปยังวงจรเบรกผ่านตัววัดความเร็วที่ล้อ และแรงดันจะถูกปรับตามความเร็วล้อและการลื่นไถลเมื่อเบรก ใน Dual Version จะใช้ Honda Dual CBS ร่วมกับแม่ปั๊มเบรกตัวที่สอง และวาล์วควบคุมชนิดแบ่งสัดส่วนแรงดันกับ Piston ABS ซึ่งมีตัวคุม (Modulator) คอยควบคุมแรงดันในแต่ละจุด[11]

ในกรณีที่เกิดการสร้างแรงดันแบบแอ็คทีฟ ในปี พ.ศ. 2552 Honda ได้นำ ABS ร่วมที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์มาใช้กับรถจักรยานยนต์สปอร์ตที่มีสมรรถนะสูงซึ่งเบรกด้วยไวร์เทคโนโลยี (Wire Technology) แรงเบรกที่ผู้ขับขี่ใช้จะถูกวัดโดยเซ็นเซอร์ตรวจจับแรงดันและส่งข้อมูลไปที่ ECU ซึ่งจะคำนวณการกระจายแรงดันที่เหมาะสมเพื่อป้องกันล้อล็อกและให้แรงหน่วงที่ดีที่สุดเท่าที่เป็นไปได้โดยอาศัยข้อมูลจากเซ็นเซอร์ตรวจจับความเร็วที่ล้อด้วย จากผลการคำนวณที่ได้นี้ มอเตอร์ที่แต่ละล้อจะสั่งให้ปั๊มทำงานโดยสร้างและควบคุมแรงดันเบรกที่ล้อ ระบบนี้ให้เวลาตอบสนองที่ดีเนื่องจากฟังก์ชันการทำงานแบบ Brake to Wire

ระบบ Motorcycle Integral Braking (MIB) จาก Continental Teves และ eCBS (CBS อิเล็กทรอนิสก์) ใน ABS สำหรับรถจักรยานยนต์จาก Bosch ก็เป็นอีกวิธีหนึ่ง ระบบเหล่านี้อาศัยการทำงานของปั๊มและวาล์ว ด้วยการติดตั้งวาล์วเพิ่มเติม ปั๊มที่มีสมรรถนะสูงกว่า และมอเตอร์ที่มีพลังมากกว่า ระบบจะสามารถสร้างแรงดันได้อย่างมาก แรงดันเบรกจากผู้ขับขี่สามารถวัดได้ด้วยเซ็นเซอร์ตรวจจับแรงดันที่มือเบรกและคันเหยียบเบรก ปั๊มสามารถสร้างแรงดันเพิ่มเติมเพื่อปรับให้เข้ากับสภาพการขับขี่ นอกจากนี้ มีการออกแบบระบบ Partial Integral Braking สำหรับการทำงานในทิศทางเดียวคือ หน้าหลัง หรือหลังหน้า ในขณะที่ระบบ Fully Integral Braking จะสามารถทำงานได้แบบสองทิศทางคือ หน้าหลัง และหลังหน้า เนื่องจากระบบเหล่านี้ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์และสามารถสร้างแรงดันได้มาก จึงทำให้ผู้ขับขี่มีโอกาสปรับพฤติกรรมการเบรกรถจักรยานยนต์ ผู้ขับขี่ที่มีประสบการณ์สามารถปิดการทำงานของ CBS และ ABS ได้ และเลือกโหมดการควบคุมแบบต่างๆ ที่มีระดับสูงขึ้นหรือต่ำลงได้ เช่น โหมดฝนตกหรือโหมดลื่นในรถรุ่น BMW S1000RR

แนวความคิดและกฎหมาย

รายงานจากสภาความปลอดภัยด้านการขนส่งของยุโรป (European Transport Safety Council) แสดงให้เห็นว่าการขี่รถจักรยานยนต์มีอันตรายกว่าการขับรถยนต์ถึง 20 เท่าเมื่อขับขี่ในระยะทางที่เท่ากัน และอุบัติเหตุในประเทศเยอรมนีตั้งแต่ปี พ.ศ. 2533 ถึง พ.ศ. 2554 แสดงให้เห็นว่าอัตราการเสียชีวิตจากการจราจรทั้งหมดลดลงอย่างมาก (11,000 เหลือ 4,009) แต่อัตราการเสียชีวิตจากรถจักรยานยนต์ยังคงเท่าเดิม

สถาบันประกันเพื่อความปลอดภัยบนทางหลวง (Insurance Institute for Highway Safety - IIHS) ได้ทำการศึกษาประสิทธิภาพของ ABS สำหรับรถจักรยานยนต์ และสรุปว่ารถจักรยานยนต์ขนาดมากกว่า 250 ซีซีที่ติดตั้ง ABS มีแนวโน้มที่จะเกิดอุบัติเหตุอันนำไปสู่การเสียชีวิตน้อยลง 37% และผลการศึกษาของหน่วยบริหารจัดการถนนของสวีเดน (Swedish Road Administration) สรุปว่ารถจักรยานยนต์ขนาดมากกว่า 125 ซีซีสามารถหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุร้ายแรงและนำไปสู่การเสียชีวิตได้ด้วยการใช้ ABS สำหรับรถจักรยานยนต์

ผลการศึกษาเหล่านี้ทำให้คณะกรรมาธิการยุโรปริเริ่มกระบวนการทางกฎหมายในปี พ.ศ. 2553 ซึ่งผ่านการอนุมัติในปี พ.ศ. 2555 และนำไปสู่การติดตั้ง ABS กับรถจักรยานยนต์ขนาดมากกว่า 125 ซีซีตั้งแต่ปี พ.ศ. 2559 เป็นต้นไป องค์กรต่างๆ เช่น Federation International de l’Automobile และ Institute of Advanced Motorists (IAM) ได้เรียกร้องให้มีการใช้กฎหมายฉบับนี้ในปี พ.ศ. 2558 ในทางตรงข้าม ผู้ขี่รถจักรยานยนต์บางรายกลับคัดค้านการบังคับใช้ ABS กับรถจักรยานยนต์ทุกรุ่น เพราะต้องการให้ยกเว้นการใช้ระบบนี้กับการขี่แบบอ็อฟโรด   ในปี พ.ศ. 2554 สหประชาชาติได้ประกาศ “ทศวรรษแห่งความปลอดภัยทางถนน” (Decade of Action for Road Safety) จนถึงปี พ.ศ. 2563 โดยมีเป้าหมายหลักเพื่อรักษาชีวิตของคน 5 ล้านคนจากความร่วมมือของประเทศต่างๆ ทั่วโลก หนึ่งในแผนนี้ก็คือการกระตุ้นให้มีการใช้เทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพเพื่อหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุ เช่น ระบบควบคุมเสถียรภาพในการทรงตัว (Electronic Stability Control) และระบบเบรกป้องกันล้อล็อกสำหรับรถจักรยานยนต์