Sistemas de Seguridad en Los Frenos

7/24/2019 Sistemas de Seguridad en Los Frenos

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Sistemas de seguridad en los frenos

POR FRANCISCO J. GRANJA GARCIA

1 ELECTROMECANICA VEHICULOS


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1- Conceptos bsicos

En condiciones de adherencia normales, el vehculo responde de forma eficaz a las fuerzas de

frenado que se apliquen. El problema aparece cuando disminuye el coeficiente de rozamiento

entre el neumtico y el terreno (coeficiente de adherencia, ); en ese momento, el neumtico

derrapa y el vehculo pierde estabilidad.

La velocidad perifrica de una rueda que gira libremente es igual a la velocidad de desplazamiento

del vehculo. Una fuerza de frenado o de aceleracin con respecto a la superficie de la calzada. El

neumtico resbala o derrapa.

Esta diferencia de velocidad se denomina derrape o deslizamiento.

Deslizamiento =()

100 = %

Vf= velocidad del vehculo

vr= velocidad de la rueda

Si la rueda se encuentra bloqueada, presenta un derrape del 100%, mientras que si la rueda gira

libremente, el derrape es del 0%.

El coeficiente de rozamiento ptimo que pueden alcanzar los neumticos en procesos de frenado

se sita entre el 15 y el 22% (vase figura 10.2); este margen representa la zona de trabajo de los

sistemas de frenado gestionados electrnicamente (ABS).

Los neumticos transmiten fuerzas longitudinales actan durante la aceleracin o la deceleracin

y fuerzas transversales actuando en el guiado lateral del vehculo. Una rueda totalmente

bloqueada no puede soportar ninguna fuerza, no puede maniobrar y pierde el control de la

direccin.


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2- Sistemas de freno antibloqueo

Consisten en circuitos de freno que incorporan una gestin electrohidrulica para gobernar la

presin de frenado que recibe cada rueda. Estos sistemas de freno se conocen principalmente

como:

- ABS: Anti Blockier System.

- ASB: Antiskid de Bendix.

- ABR: Anti Bloqueo de Ruedas.

Las principales ventajas que ofrecen son:

- No hay prdida de la estabilidad direccional durante el frenado.

- Control de la direccin an en frenadas de emergencia.

- Distancia de frenado ms corta.

- Reduccin en el desgaste de los neumticos.

2.1- Constitucin del sistema de freno antibloqueo

-Unidad de control electrnica y bloque hidrulico:

Recibe las seales de entrada de los sensores, del conmutador de luces de freno y de los dems

captadores. Procesa las seales, y cuando detecta que la rueda puede bloquearse, activa las

vlvulas electromagnticas del bloque hidrulico y la bomba.


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Esta dispone de la funcin

autocomprobacin y memoria de

averas para localizar los fallos.

Cuando detectan fallos o averas

importantes, anula el sistema

antibloqueo y el circuito funcionacomo un circuito de freno normal.

-Sensores de ruedas:

La misin de un sensor es transformar las magnitudes fsicas o qumicas en magnitudes elctricas

que un mdulo pueda procesar. En determinados sensores, se utilizan etapas intermedias no

elctricas. En los sistemas de freno antibloqueo se emplean sensores de dos tipos: los sensores

pasivos (sensores inductivos) y sensores activos (magnetorresistivos).

Sensor pasivo o inductivo:

Est formado por un imn permanente (1)

rodeado de un bobinado (2). Los extremos del

bobinado estn conectados al mdulo

electrohidrulico (3). Delante del extremo

frontal del imn permanente gira el anillo delsensor (4), el cual se encuentra fijo al cubo de

rueda. Por otro extremo se sita el cable de

conexin a la U.C.E. (6)

Al girar, la rueda mueve el anillo o rueda dentada ferromagntica, la cual genera las lneas de

fuerza magntica del imn permanente, induciendo en el bobinado del sensor una tensin alterna

sinuosidal. La frecuencia y la amplitud de la tensin alterna del sensor dependen de la velocidad

de giro del anillo o rueda fnica (4).

Para que el mdulo electrohidrulico pueda procesar correctamente la seal que emite el sensor,

es necesaria una velocidad mnima aproximada de 5 a 7 km por hora.

La seal que emite el sensor est condicionada por la suciedad del sensor y del anillo, los cuales

deben estar limpios, as como de la separacin entre ambos, cota (5), entre los 0,8 y 1,5 mm segn

el modelo.


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Sensor activo o magnetorresistivo:

El sensor de rueda est formado por dos

resistencias magnetorresistivas, conectadas con

otras dos resistencias constantes en forma de

conexin en puente Wheatstone.

A su vez integra una unidad electrnica de

evaluacin que transforma la seal sinuosidal

resultante del mtodo de medicin, en una seal

PWM de frecuencia constante.

El funcionamiento de los sensores magnetorresistivos se basa en la variacin de la conductividad

elctrica bajo la influencia de un campo magntico externo que discurre al mismo nivel.

La variacin de la resistencia de estas capas depende de la direccin y de la intensidad de campomagntico, compensando las influencias que provocan el envejecimiento y la temperatura en los

sensores pasivos.

El puente de medicin es explorado por un anillo que forman los imanes permanentes alternados.

El anillo se encuentra unido al cubo de rueda o a la pista interior del cojinete y gira a la misma

velocidad que la rueda.

La seal del sensor resulta de la corriente que fluye a travs del mismo. Una corriente alta (14 mA

aprox.) es interpretada por el mdulo electrohidrulico como una seal highy, una corriente baja

de (7 mA aprox), como una seal low.

-Montaje de los sensores de ruedas:

El sensor o captador de rgimen de rueda se monta generalmente atornillado a la mangueta de la

rueda. Los sensores de rueda, ya sean activos o pasivos, se pueden montar de forma axial o radial.


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-Interruptor de las luces de freno:

El interruptor de las luces de freno se fija generalmente

al soporte del pedal de freno. La unidad de control

electrnica recibe la seal de la tensin del interruptor

cuando se pisa el pedal. Si el vehculo dispone de controlde traccin, al pisar el pedal se desactiva y prevalece la

funcin de frenado sobre el control de la traccin

2.2- Funcionamiento del sistema de freno antibloqueo

Mide las revoluciones de las ruedas mediante sensores comunicados con la U.C.E. Esta recibe las

seales de las cuatro ruedas y calcula la velocidad de referencia del vehculo. Al iniciarse una

frenada, la unidad de control del ABS compara todas las velocidades perifricas de las ruedas y

calcula la velocidad de referencia del vehculo.

Si una o varias de las velocidades de las ruedas no coinciden y se alejan mucho de la velocidad de

referencia, significa que esa rueda puede llegar a bloquearse. En estas condiciones, la U.C.E.

activa las vlvulas electromagnticas del bloque hidrulico, liberando presin el circuito de dicha

rueda, y mantienen las presiones para que la rueda gire dentro de los parmetros marcados en la

velocidad de referencia.

2.3- Sistema hidrulico

En los vehculos con ABS, el circuito hidrulico del sistema de freno incorpora un bloque hidrulico

adicional que se monta entre las salidas del cilindro maestro (bomba de freno) y las pinzas,

compuesto por:

Bomba de barrido.

Vlvulas de aspiracin y presin.

Acumulador de baja presin.

Electrovlvulas de entrada y salida.

Con el sistema de freno sin accionar, todos los componentes se encuentran en reposo, el sistema

est lleno de lquido y no existe presin.


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-Fase de generacin de presin (sin

intervencin del ABS)

Al accionar el pedal de freno se produce

presin de frenado en la bomba o cilindro

maestro. Mediante la fuerza del pedal y la

amplificacin del servofreno la presin pasapor el bloque hidrulico hacia la electrovlvula

de entrada que se encuentra sin activar (NA,

normalmente abierta). La vlvula de salida, en

situacin de reposo se encuentra cerrada (NC,

normalmente cerrada). El funcionamiento del

circuito hidrulico es similar al de un sistema

de freno normal.

- Fase de mantenimiento de presin (al

intervenir el ABS)Si se mantiene la presin de frenado la rueda

tiende a bloquearse, la unidad de control

excita la electrovlvula de entrada, cerrando el

paso de alimentacin hacia el freno de rueda.

La vlvula de salida en la tubera de retorno

permanece cerrada.

La presin generada en el freno se mantiene

aunque el conductor pise el pedal con mayor

fuerza. Las electrovlvulas permanecen

cerradas.

-Fase de reduccin de la presin (durante la

regulacin del ABS)

Si persiste el peligro de bloqueo (debido a poca

adherencia), se reduce la presin aplicada en el

freno de rueda, abriendo la vlvula de salida en

la tubera de retorno por una seal de la U.C.E.

La presin desciende y el lquido circula hasta

el acumulador de baja presin. La vlvula de

entrada de presin contina cerrada, y alreducirse la presin de frenado, la rueda

bloqueada comienza de nuevo a girar. Si el

conductor sigue pisando el pedal y se necesita

presin para frenar la rueda, la unidad de

control conecta la bomba de barrido para

generar la presin.


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2.4- Diferencias especficas de los sistemas de freno antibloqueo

-Sistema de retorno abierto/cerrado

Un sistema de freno antibloqueo con retornoabierto dispone de un acumulador de baja presin.

El lquido evacuado en la fase de reduccin de

presin llega primeramente al depsito de freno.

La bomba de barrido lo aspira directamente del

depsito y el pedal de freno dispone de un sensor

de recorrido.

-Constitucin integrada

En la constitucin integrada, se renen en una

unidad compacta todos los componentes que

generan y regulan la presin (cilindro maestro,

bloque de vlvulas, bomba de barrido, acumulador

de presin exterior). Esta unidad sustituye al

cilindro maestro de freno montado normalmente.

-Constitucin add-on

En la constitucin add-onse mantienen los

componentes del sistema de freno (cilindro

maestro, servofreno) y se complementan con una

unidad de control hidrulico (HCU), que se monta

adicionalmente. La unidad de control hidrulico

est compuesta por el bloque hidrulico de

vlvulas, la bomba de barrido, el acumulador de

baja presin interior y la unidad de control del

ABS.

-Nmero de sensores de velocidad en las ruedas

Los sistemas de freno antibloqueo de los automviles pueden disponer de dos, tres o cuatro

sensores. En el caso de cuatro sensores, cada rueda dispone de su propio sensor.


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-Nmero de canales

3- Sistema de control de traccin sobre los frenos

El sistema de control de traccin sobre los frenos evitan que se supere la fuerza motriz mxima

transmisible a las ruedas motrices evitando el derrape y que pierdan traccin. Combinan la

intervencin sobre el par motor y sobre los frenos, con lo que se logra una traccin ptima sin

forzar el sistema de freno de las ruedas. En estos sistemas se desconecta el control de traccin al

accionar el sistema de freno

3.1- Constitucin del sistema hidrulico

Partiendo de la constitucin bsica de un sistema

antibloqueo de freno, se incorpora otra tubera de

aspiracin con una vlvula conmutadora 2/2. En la

tubera de presin entre el cilindro maestro de

freno y el freno de rueda o la vlvula de entrada,se monta la vlvula de desconexin 2/2 (2).

-Posicin de regulacin

Al actuar el control de traccin sobre los frenos, la vlvula de conmutacin (1) de la tubera de

aspiracin de la bomba de alta presin se abre (el mdulo la excita y cambia de posicin).La

electrovlvula 2 est activada por la unidad de control y cambia de posicin, cerrando el circuito.

La bomba de alta presin inicia su funcionamiento y la presin de frenado se aplica al freno de la

rueda que derrapa.


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3.2- Funcionamiento del sistema

Cuando se produce una prdida de traccin excesiva, la unidad de control del ABS lo advierte

gracias a los captadores de giro de las ruedas. Tienen establecidos unos valores lmites de

derrapaje en funcin de la velocidad. Si se sobrepasan estos parmetros, interviene la unidad de

control y regula las actuaciones del sistema.

-Intervencin en la potencia del motor.

La unidad de control del ABS para el control de traccin est comunicada a travs de la red de

datos, reduciendo el par motor. El parmetro de control que se emplea es el de la rueda con

coeficiente de adherencia ms bajo. La reduccin del par, en general acta sobre:

El encendido (retardando el punto del encendido).

La alimentacin del combustible.

La mariposa de gases (acelerador electrnico).

-Intervencin sobre los frenos

El sistema aumenta el par de traccin en la rueda que no derrapa, actuando y frenando esta.

La unidad de control activa el freno de la rueda que resbala, y el diferencial compensa el par a la

rueda contraria. Dispone de un dispositivo de seguridad para evitar sobrecalentamientos por su

funcionamiento excesivo.

4- Programa electrnico de estabilidad

Constituye una ampliacin de los sistemas activos de seguridad en la conduccin, sistema

antibloqueo de freno y control de traccin. Acta en situaciones crticas de conduccin y realiza

intervenciones selectivas en los frenos ayudando a corregir y restablecer la estabilidad dinmica

del vehculo. El programa electrnico de estabilidad tambin se conoce como:

CDS: Controle Dynmique Stabilit.

ESC: Electronic Stability Control.

ESBS: Electronic Stability Braking System.

DSC: Dynamic Stability Control.

PSM: Porsche Stability Management.


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-Factores dinmicos de actuacin:

Aceleracin transversal

Al tomar una curva, la inercia genera una fuerza centrfuga que acta sobre todo el vehculo. Si

dicha fuerza es muy alta, el vehculo puede salirse de la curva. Depende de la masa del vehculo yde la aceleracin que acta en sentido transversal, en direccin al desplazamiento.

Momento de derrape

Las fuerzas transversales actan sobre todas las ruedas del vehculo de manera individual por la

fuerza centrfuga que se ha descrito en el apartado anterior y la fuerza de guiado lateral que acta

en sentido contrario.

-Radio del ngulo del eje vertical

El radio del ngulo del eje vertical representa la velocidad con que gira el vehculo sobre su eje

vertical.

En un subviraje,el vehculo describe un radio de curva mayor que el ngulo de giro de las ruedas

delanteras, con tendencia a la salida de la curva

En el sobreviraje, el vehculo describe un radio de curva menor que el que le correspondera al

ngulo de giro de las ruedas delanteras, con tendencia de la parte posterior de vehculo a

sobrepasar la parte delantera.

4.1- Constitucin del programa electrnico de estabilidad

El control electrnico de estabilidad emplea los elementos del sistema antibloqueo de freno y

adems dispone de sensores especficos del programa electrnico de estabilidad, como:

Sensor de giro del volante (optoelectrnico o magnetorresistivo).

Sensor de aceleracin (acelermetro capacitivo).

Sensor de derrapaje piezoelctrico.

Sensor de presin del circuito de freno (capacitivo o piezoelctrico).

Sensor de recorrido del pedal de freno (montado en algunos modelos).

-Sensor de giro del volante

Para identificar la posicin del volante se utilizan principalmente dos tipos de sensores: eloptoelectrnico y el magnetorresistivo.


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Sensor optoelectrnico de giro del volante

Explora, mediante barreras de luz, un disco con segmentos unidos firmemente al eje de direccin.

La exploracin se realiza sin establecer contacto con el disco. El sensor mide el giro del volante de

dos formas:

En la primera medicin, informa a la unidad de control ABS/ESP de las variaciones

angulares del volante.

En la segunda medicin, el sensor transmite a la unidad de control una seal especfica

para cada posicin del volante (referido a una vuelta). Con las dos seales del sensor queda

definida la posicin del volante y la velocidad de desplazamiento al girarlo.

Sensor magnetorresistivo

El sensor dispone de dos imanes permanentes, cada uno de los cuales est unido al eje de ladireccin mediante un engranaje de dentado recto. La relacin de desmultiplicacin de ambos

engranajes es diferente y cada posicin del volante supone una posicin concreta de los imanes

entre s. Las seales del sensor se pueden enviar a la unidad de control del ABS/ESP directamente

o bien a travs de la red CAN.

Sensor de aceleracin (acelermetro capacitivo)

Emplea el principio de variacin de capacitancia. Consta de dos placas de la misma polaridad. En el

centro se coloca una placa cargada con polaridad inversa colocada de forma mvil. Si se somete a

una aceleracin o deceleracin, su masa le obliga a desplazarse.

El desplazamiento produce una variacin en la relacin de carga entre las dos parejas de placas.

Dispone de una electrnica integrada que transforma esa variacin en una magnitud medible y

procesable por la unidad de control del ABS/ESP.

El acelermetro puede medir aceleraciones transversales o longitudinales en funcin de su

posicin de montaje.

-Sensor de derrape piezoelctrico

Est basado en el comportamiento de un diapasn doble de cristal. El lado de excitacin se

somete a una oscilacin resonante de 11 kHz con ayuda de tensin alterna. El lado de medicin

pone una frecuencia de resonancia de 11,33 kHz, sin oscilacin. Cuando el sensor se torsiona como

consecuencia de un movimiento giratorio, se provoca

un cambio en la distribucin de cargas del elemento

piezoelctrico. La seal emitida es registrada y

transformada por la electrnica integrada del sensor.

La seal se transmite la unidad de control del

ABS/ESP.


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-Sensor de presin de frenado

Los sensores de presin de frenado pueden formar parte de la unidad hidrulica de mando, o se

pueden colocar en el cilindro de la bomba de frenos.

Los sensores de presin informan al mdulo ABS/ESP de la presin hidrulica en el circuito defrenado.

Sensor de presin capacitivo

La presin hidrulica desplaza una placa mvil. Al reducirse las

distancias entre las placas, se modifica tambin la relacin de

cargas entre ellas. La seal resultante se registra y se procesa por

la unidad de control del ABS/ESP.

Sensor de presin piezoelctricoRecibe presin a travs de una membrana. Esta se deforma con la

presin y transmite la deformacin al elemento piezoelctrico

modificando la distancia de cargas. La magnitud de la variacin de

las cargas se procesa en la unidad de control del ABS/ESP.

-Sensor de recorrido del pedal de frenos

El sensor dispone de dos pistas de deslizamiento,una de ellas subdividida en siete segmentos

conectados cada uno de ellos a una de las dos

conexiones elctricas del sensor mediante una

resistencia. La otra pista es continua y est

conectada a la otra conexin del sensor.

El contacto deslizante enlaza las resistencias en serie en funcin de la posicin del pedal. Con ello

se obtiene una variacin de la resistencia en siete etapas a lo largo del recorrido completo del

pedal.

4.2- Funcionamiento del ESP

La U.C.E. del programa electrnico de estabilidad procesa ms informacin que el sistema de freno

antibloqueo, midiendo los valores de los distintos sensores. Determina las trayectorias que el

conductor desea seguir, partiendo de la velocidad de las ruedas (sensores de ruedas) y del ngulo

de giro del volante, y determina la aceleracin transversal correspondiente en funcin de la

velocidad y el momento de derrape. Los valores que recibe la unidad de control los compara con

los valores preestablecidos y reales.


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Si las lecturas difieren en gran medida de los valores preestablecidos del vehculo en la carretera,

el vehculo tiene un comportamiento inestable. La unidad de control del ABS/ESP actuar

corrigiendo la trayectoria del vehculo, reducir la potencia y el par motor. La intervencin del

conjunto en el sistema de freno y en el par motor permite estabilizar el vehculo.

-Funcionamiento del programa electrnico de estabilidad en un subviraje.

Se produce una intervencin sobre los frenos de las ruedas del interior de la curva. La rueda

trasera se frena bruscamente, lo que produce un deslizamiento. Con el deslizamiento de la rueda

se reduce la fuerza de guiado lateral del eje trasero y la fuerza centrfuga que ahora acta gira la

parte trasera del vehculo corrigiendo la trayectoria hacia el interior de la curva.

La rueda delantera se frena con menor fuerza que la trasera produciendo un par de giro que

potencia el momento de derrapaje del tren trasero. El frenado de las dos ruedas acta

conjuntamente y ayudan al vehculo a volver a la trayectoria deseada por el conductor.

-Funcionamiento del programa electrnico de estabilidad en un sobreviraje

Se frenan las ruedas del exterior de la curva, la rueda delantera se somete a un fuerte frenado

para que la rueda deslice y produzca la fuerza lateral en el eje delantero. A su vez, se frena la

rueda trasera derecha, con menor fuerza, reduciendo del momento de derrapaje existente.

El frenado de las dos ruedas acta estabilizando el vehculo y devolvindolo a la trayectoria

prevista por el conductor. Cuando acta el programa electrnico de estabilidad ESP, las

regulaciones del ABS se superponen. El programa trabaja con mrgenes de deslizamiento ms

altos que en el sistema de freno antibloqueo.

Esquema del programa electrnico de estabilidad


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5- Mantenimiento de los circuitos ABS/ESP

Se basa en cambiar el lquido de frenos y purgar el circuito en los periodos recomendados por el

fabricante.

Las averas y las reparaciones que se pueden producir son las mismas que en los circuitos

normales de frenos, freno de ruedas, discos, bomba, etc., ms las averas en los componentes

hidrulicos adicionales (bloque hidrulico) o en los circuitos elctricos y electrnicos (unidad de

control) y en los captadores y dems componentes elctricos.

Los componentes hidrulicos, captadores y sensores se sustituirn en caso de fallo o avera del

circuito. En el caso de la centralita o unidad de control, gestionada por microprocesadores, no

admite ningn tipo de reparacin ni programacin.

Las verificaciones se pueden realizar empleando los tiles para comprobar componentes

individualmente y tensiones de alimentacin (polmetro y osciloscopio) o utilizando equipos de

diagnosis electrnicos como el KTS, Berton controlando y chequeando el circuito. Una vez

reparada la avera, el equipo permite borrarla de la memoria de averas de la unidad de control.

5.1- Comprobaciones con polmetro y osciloscopio

Con el polmetro se puede comprobar:

La alimentacin y la masa de la unidad de control: bornes + (9 y 25) y(8 y 24)

El interruptor del pedal de freno, borne (12 y masa).

La continuidad de los captadores y la resistencia interna de cada uno. Esta ronda entre

1.000 y 1.500 , en caso de captadores inductivos.Con el osciloscopio se puede medir la seal

sinusoidal que genera el captador. Depender de la velocidad de la rueda, y se tendr que tener

en cuenta la frecuencia y amplitud de la seal. Tambin se debe comprobar, con una galga de

espesores, la distancia entre el captador y el entrehierro, que ser de 0,9 0,4 mm. En algunos

modelos esta distancia no es regulable.

5.2- Verificaciones con equipos de diagnosis

El propio sistema del ABS/ESP se autochequea en su funcionamiento. Cuando detecta una avera,

enciende el testigo en el cuadro de mandos y desactiva el circuito ABS/ESP. El circuito frenar con

toda normalidad pero sin la intervencin del sistema ABS/ESP.

Para localizar la avera memorizada en la unidad de control del sistema, se debe conectar el

vehculo a un equipo de diagnosis, ya sea del fabricante o mediante un equipo universal tipo KTS

de Bosch, Berton, etc.

El proceso de localizacin de averas con el equipo de diagnosis KTS de Bosch, en un vehculo del

fabricante SEAT al que se enciende la luz del ESP, se puede realizar de la siguiente manera:


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1. Conectar el equipo al vehculo con el cable de conexin ISO OBD.

2. Identificar el vehculo en el equipo y cargar su equipamiento (vase figura 10.49).

3. Realizar la lectura de la memoria de averas (vase figura 10.50).

4. Una vez leda la memoria, localizamos el tipo de ABS/ESP, es un Bosch 8.0. En la unidad de

control se detecta una avera memorizada, pero en esta pantalla no se puede conocer cul es.

Pinchando en el error o avera se abre la pantalla que nos indica el fallo; en este caso, indica un

fallo elctrico en el circuito del captador del nmero de revoluciones de la rueda delantera

derecha.

5. Sustituir el captador y borrar la memoria de averas.

6. Para finalizar, entrar nuevamente en el mdulo y verificar que la memoria de averas est

borrada.

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