Sistemas de transmisión y frenada

1.- Sistema de frenos antibloqueo (ABS)

1.1.- Introducción

A continuación daremos a conocer el funcionamiento del sistema de frenos ABS (Anti-lock Brake Sistem, es decir, sistema de frenos anti-bloqueo), esto significa que al ser presionado el pedal de freno a fondo, los neumáticos no perderán adherencia con respecto al suelo en ningún momento, debido a que cada rueda tiene su propio sensor independiente incorporado que comprueba continuamente el estado de rotación de la rueda. Durante el frenado, cuando la computadora del sistema (ECU :Electronic Control Unit, es decir, Unidad de Control Electrónico) determina que una rueda está a punto de bloquearse, el sistema se pone en funcionamiento actuando en fracciones de segundo para así evitar el patinaje.

Como las ruedas no se bloquean, la dirección del automóvil siempre puede controlarse (aunque los frenos se encuentren aplicados), lo que significa que se evitarán peligros con mayor facilidad

Este sistema, es utilizado en automóviles de última generación para aumentar la seguridad en la conducción en cualquier condición de manejo y terreno (cemento, asfalto, seco o mojado, ripio, barro, nieve, etc.). Es necesario señalar el notable desempeño del ABS en lo que respecta al frenado en curvas.

1.2.- Funciones de los distintos elementos

UCE

• Calcula y determina las condiciones de las ruedas y la carrocería en función de la velocidad de las ruedas, y efectúa una decisión acorde a la situación actual para controlar la Unidad de Control Hidráulico (UCH).

• Al girar el interruptor de encendido a la posición ON, la ECU efectúa un auto diagnóstico, si detecta una condición anormal, desconecta el sistema.

Unidad de Control Hidráulico (UHC)

• En el modo de operación de ABS la HCU cambia los conductos de líquidos para controlar la presión del líquido de los cilindros de rueda, como respuesta a la instrucción recibida de la ECU. La HCU también forma parte del conducto del líquido de frenos que se extiende desde el cilindro maestro a los cilindros de rueda, junto con las tuberías.

Sensor de ABS

• Detecta la velocidad de la rueda en función del cambio en la densidad del flujo magnético que pasa a través del sensor, y la convierte en una señal eléctrica que será transmitida a la ECU.

Caja de relés

• Aloja al relé de la válvula y al relé del motor.

Relé de válvula

• Actúa como interruptor de alimentación de la válvula de solenoide y de la bobina del relé del motor, como respuesta a una instrucción recibida de la ECU. El relé de la válvula también constituye uno de los circuitos de mando duplicados del piloto ABS.

Relé del motor

• Sirve como interruptor de alimentación del motor de la bomba, como respuesta a una instrucción recibida de la ECU.

Interruptor luz de freno

• Informa a la ECU si se está pisando o no el pedal del freno como condición para determinar la operación del ABS.

Testigo ABS

• Alerta al conductor que hay una anomalía en el ABS. Estando conectados el conector de diagnóstico y el terminal de diagnóstico (scanner), la luz destella para indicar los códigos de averías como respuesta a una instrucción recibida de la ECU.

1.3.- Funcionamiento específico

A) Sistema Hidráulico

Si la fuerza de frenado es menor que la fuerza de adherencia entonces no hay frenado con regulación, el sistema ABS no se activa.

Si la fuerza de frenado es mayor que la fuerza de adherencia (las ruedas tienden a bloquearse) entonces si hay frenado con regulación, el sistema ABS se activa.
Cuando tenemos un frenado con regulación distinguiremos tres estados:

• El mantenimiento de presión: La electro válvula de admisión se cierra y aísla la bomba de frenos del bombin en la rueda. El aumento de presión de frenado es imposible.

• La disminución de presión:(disminución de la tendencia al bloqueo): Esta fase interviene solo cuando la fase de mantenimiento de presión no ha sido suficiente.
  La electro válvula de admisión permanece cerrada. Simultáneamente, la electro válvula de escape se abre y la bomba se pone en funcionamiento.
  La bajada de presión se efectúa instantáneamente gracias al acumulador de baja presión, cuya capacidad varia. La acción de la bomba permite rechazar el liquido almacenado en los acumuladores hacia la bomba de frenos.

• El aumento de presión: (aumento de frenado): La electro válvula de escape se cierra y la electro válvula de admisión se abre. La bomba de frenos esta otra vez unida al bombin de la rueda.
  La alimentación hidráulica se efectúa gracias a la bomba de frenos, pero también por medio del motor-bomba (en el caso en el que no este vació el acumulador).
  Como el volumen de liquido de freno transportado es por término medio mayor que el volumen que va de los consumidores hacia los acumuladores de baja presión, estos últimos sirven únicamente a los acumuladores intermediarios para puntas de caudal cortas. La bomba rechaza el liquido de freno de los acumuladores de baja presión hacia los circuitos de freno (bomba de freno o bombin, dependiendo del reglaje de las electro válvulas de admisión).
  Según el caudal de la bomba, la posición de los pistones de la bomba de frenos, y por consiguiente, la posición del pedal corresponde a la absorción momentánea del bombin de freno con un cierto decalado. Por ello, el pedal se encuentra en posición alta durante las presiones bajas y en posición baja durante las presiones altas.

NOTA: Independientemente del estado eléctrico de las electro válvulas, se puede en cualquier momento reducir la presión de frenado soltando el pedal de freno. La disminución de la presión se efectúa por medio de la válvula anti- retorno colocada en paralelo con la válvula de admisión.

B) Componentes electrónicos

Captaciones tomadas por la UCE

• Velocidad de referencia: Por cuestiones de precisión y de seguridad, la lógica calcula la velocidad del vehículo a partir de las velocidades de los cuatro ruedas. Esta información se llama velocidad de referencia. Para el calculo, la lógica tiene en cuenta además de los limites físicos (las aceleraciones y deceleraciones máximas que es posible alcanzar en las diferentes adherencias) con el fin de verificar la coherencia del resultado y en su caso corregir el valor obtenido.

• Deslizamiento de las diferentes ruedas: El deslizamiento de una rueda es la diferencia de velocidad entre la rueda y el vehículo. Para la estrategia, que solo dispone de la velocidad de referencia como aproximación de la velocidad del vehículo, el deslizamiento es calculado a partir de la velocidad de la rueda y de la velocidad de referencia.

• Aceleraciones y deceleraciones de las ruedas: A partir de la velocidad instantánea de una rueda (dada por el captador de velocidad), es posible calcular la aceleración o la deceleración de la rueda considerada observando la evolución de la velocidad en el tiempo.

• Reconocimiento de la adherencia longitudinal neumático-suelo: La lógica calcula la adherencia instantánea exacta a partir del comportamiento de las ruedas. En efecto, cada tipo de adherencia conduce a unos valores de aceleración y de deceleración que son propios. Además, la lógica considera dos ámbitos de adherencia: baja (de hielo a nieve) y alta (de suelo mojado a suelo seco) que corresponden a una estrategias de regulaciones diferentes.

• Reconocimiento de las condiciones de rodaje: La lógica sabe adaptarse a un cierto numero de condiciones de rodaje que es capaz de reconocer. Entre ellas citamos las principales:

• VIRAJE: Las curvas se detectan observando las diferencias de velocidades de las ruedas traseras (la rueda interior en un giro es menos rápida que la rueda exterior).

• TRANSICIÓN DE ADHERENCIA: (paso de alta adherencia a baja adherencia o a la inversa): los deslizamientos de las ruedas, aceleraciones y deceleraciones se toman en cuenta para reconocer esta situación.

• ASIMÉTRICA: (dos ruedas de un mismo lado sobre alta adherencia y las otras sobre baja adherencia): los deslizamientos de las ruedas de un mismo lado se comparan con los deslizamientos de las ruedas del otro lado.

Función del contactor de luces de stop

La información del contactor luces de stop tiene como misión permitir abandonar el modo ABS lo mas rápidamente posible cuando sea necesario. En efecto si el ABS esta funcionando y el conductor suelta el pedal de freno con el fin de interrumpir la frenada, la señal transmitida por el contactor de stop permitirá cesar la regulación mas rápidamente.

Captadores de rueda

Los detectores de rueda o de régimen, también llamados captadores de rueda miden la velocidad instantánea en cada rueda.
El conjunto esta compuesto por un captador (1) y un generador de impulsos o rueda fónica (3) fijado sobre un órgano giratorio.
La disposición puede ser axial, radial o tangencial (axial ruedas delanteras, tangencial ruedas traseras).
Para obtener una señal correcta, conviene mantener un entrehierro (2) entre el captador y el generador de impulsos. El captador va unido al calculador mediante cableado.

El captador funciona según el principio de la inducción; en la cabeza del captador se encuentran dos imanes permanentes y una bobina. El flujo magnético es modificado por el desfile de los dientes del generador de impulsos. La variación del campo magnético que atraviesa la bobina genera una tensión alternativa casi sinusoidal cuya frecuencia es proporcional a la velocidad de la rueda. La amplitud de la tensión en el captador es función de la distancia (entre-hierro) entre diente y captador y de la frecuencia.

1.4.- Diseño

A) Diseño del sistema hidráulico

En la figura se ve el esquema de un circuito de frenos convencional sin ABS. Frenado en "X".

En la figura se ve el esquema de un circuito de frenos con ABS. Como se aprecia el esquema es igual al circuito de frenos convencional al que se le ha añadido: un hidrogrupo, una centralita electrónica de mando y unos detectores de régimen (RPM) a cada una de las ruedas, estos elementos  forman el sistema ABS.

B) Diseño del trazado electrónico

2.- Sistema de control de estabilidad (ESP)

2.1.- Concepto

Los sistemas de frenos antibloqueo se centran en la pérdida de agarre que sufre el neumático cuando se produce elevado deslizamiento longitudinal con el suelo.

Los sistemas de control de estabilidad aumentan las posibilidades de los sistemas antibloqueo y son capaces de detectar deslizamientos transversales cuando el vehículo traza una curva a excesiva velocidad.

En estas situaciones los neumáticos tienen que transmitir al suelo una gran fuerza de guiado lateral debido a la fuerza centrífuga que soporta la masa del vehículo. Si la fuerza centrífuga supera a la fuerza de rozamiento del neumático con el suelo, el vehículo se saldrá de la trayectoria marcada por el conductor a través del giro del volante.

En función de las características del vehículo y de las fuerzas que actúan, el deslizamiento se produce en el eje delantero o en el eje trasero.

A)Deslizamiento del eje delantero

Cuando el eje delantero desliza por exceso de velocidad, las ruedas delanteras pierden la capacidad de guiado y el vehículo describe una trayectoria tangente a la curva.

Para solucionar esta situación, el sistema de control de estabilidad reduce la velocidad del vehículo y frena la rueda trasera que circula por el interior de la curva.

Para reducir la velocidad del vehículo se actúa sobre el acelerador electrónico. Las ruedas tienen que transmitir menor fuerza de impulsión y la fuerza de guiado lateral aumenta.

Mediante el sistema antibloqueo de freno de cuatro canales se puede frenar cada rueda de forma independiente. En función de la rueda que se frene, las reacciones que aparecen en el vehículo son diferentes. Al frenar la rueda trasera del interior de la curva se crea una fuerza que reduce la velocidad del vehículo y el deslizamiento del eje delantero. El desequilibrio que provoca la fuerza de frenado aplicada en una rueda hace girar al vehículo hacia el lado donde se aplica dicha fuerza. Como resultado, el aumento de la fuerza de guiado de las ruedas delanteras es capaz de mantener el vehículo en la trayectoria marcada por el conductor.

El sistema de control de tracción actúa preferentemente sobre la rueda trasera, porque mantiene mayor capacidad de transmisión de fuerza de frenado. La rueda delantera no debe transmitir fuerza de frenado porque tiene excesivo deslizamiento.

El sistema de control de estabilidad puede entrar en funcionamiento cuando el conductor está frenando. La unidad de control determina a través del grupo hidráulico del sistema antibloqueo la presión en cada circuito hidráulico. La fuerza de frenado es regulada de forma independiente en cada rueda, consiguiendo mantener el vehículo dentro de la trayectoria deseada por el conductor.

B) Deslizamiento del eje trasero

Si por exceso de velocidad del vehículo el deslizamiento aparece en el eje trasero, el sistema de control de estabilidad frena la rueda delantera del exterior de la curva. La rueda frenada hace girar el eje delantero hacia el exterior de la curva, corrigiendo el deslizamiento del eje trasero y estabilizando el vehículo.

El sistema de control de estabilidad realiza estas operaciones en función de los datos recogidos de los sensores del vehículo. La rapidez en la actuación permite estabilizar el vehículo antes que los deslizamientos comprometan la seguridad.

Los sistemas de control de estabilidad aumentan la seguridad activa de los vehículos, pero no permiten sobrepasar las leyes de la física. La estabilidad del vehículo podrá ser controlada siempre que no se sobrepase el límite.

3.- Sistema de control de tracción (TCS)

3.1.- Concepto

El sistema de control de tracción (TCS) consiste en la recepción por parte de una serie de sensores, como pueden ser captadores de velocidad, de presión en los ejes y ruedas que envían una serie de impulsos eléctricos a una unidad procesadora de datos, para que ésta a su vez le indique a unos actuadores mecánicos las señales para proporcionar a las ruedas motrices mayor o menor giro dependiendo de las necesidades que reclame en cada momento el vehículo acorde con las circunstancias externas por las que circule en ese momento preciso.

El TCS es el encargado de proporcionar en todo momento la velocidad de giro necesaria para que la marcha del vehículo sea lo mas compensada posible y así conseguir disminuir notablemente perdidas de potencia que sin este sistema serían considerables.

Además de todo esto, le proporciona al vehículo una estabilidad casi total debido a que compensa las fuerzas centrífugas que se originan en el momento de la toma de curvas a altas velocidades. Otorgando el giro adecuado a cada rueda en el momento preciso.

Antes, cuando se producían problemas de tracción se recurría al diferencial de bloqueo automático (ASD) en el que el efecto bloqueante se genera en los discos del diferencial o bien, a la tracción total.

Hoy en día se encomienda esta tarea a dos sistemas avanzados: el sistema electrónico de tracción (TCS) o el sistema de tracción antideslizante (ASR).

El sistema electrónico de tracción (TCS ) garantiza una máxima tracción al arrancar o al acelerar, incluso en situaciones extremas. Sin intervenir en el sistema de gestión del motor, se aplican los frenos de forma selectiva sobre las ruedas motrices.

Al igual que en el ABS, los sensores de las ruedas informan sobre la velocidad de giro de las mismas. Si una de las ruedas motrices empieza a girar en vacío, el TCS incrementa la presión de frenado sobre la rueda en cuestión y la frena instantáneamente.

El momento de frenado generado en la rueda que tiende a patinar se transmite inmediatamente en forma de par de accionamiento a la rueda con mejor adherencia. Cuando se normaliza el par de giro se deja de aplicar la presión de frenado.

De este modo, la rueda se mantiene siempre en el margen más favorable de tracción y el vehículo conserva su trayectoria.

Esta intervención sobre los frenos se puede efectuar al arrancar en un camino con diferente adherencia, actuando como un bloqueo de diferencial.

El EDS (bloqueo de diferencial electrónico) es muy similar al TCS y, al igual que éste, tampoco interviene en el sistema electrónico de gestión del motor.

En la siguiente imagen se pueden ver los distintos componentes de un sistema básico de control electrónico de tracción.

4.- Postdata

Con este apartado lo único que intento es disculparme por no haber podido completar todos los requisitos reclamados por el profesor debido a que tras haber consultado gran cantidad de artículos relacionados con el tema y haber realizado, bajo mi humilde punto de vista, una ardua tarea de documentación, no he conseguido localizar ciertos apartados por mas que lo he intentado.

Con todo esto no pretendo invocar a la benevolencia en el momento de realizar la calificación de este trabajo, sino simplemente aclarar la razón por la que no he podido desarrollar en profundidad todos los puntos de los que se componía esta actividad pedagógica.