Sistema de frenos antibloqueo

Antecedentes

Detenerse de forma segura es una de las funciones más importantes que puede realizar un vehículo de motor. La falla del sistema de frenos resultará casi invariablemente en daños a la propiedad, lesiones personales o incluso la muerte. En consecuencia, se ha prestado mucha atención a la mejora del sistema de frenos en camiones y turismos durante las últimas nueve décadas. Una de las últimas mejoras es un sistema de frenos antibloqueo que, como su nombre indica, evita que los frenos de un vehículo se bloqueen y patinen durante las paradas bruscas en carreteras mojadas o heladas.

El problema del patinaje revela la única debilidad abrumadora de todos los sistemas de frenado de los vehículos de motor:dependen en gran medida del coeficiente de fricción estática entre el neumático y la carretera. Si por alguna razón la llanta pierde momentáneamente su adherencia a la carretera mientras se aplican los frenos, la fricción de los frenos contra los tambores o rotores bloquea la rueda sólidamente y la llanta comienza a patinar por la carretera. En esta condición, la fuerza de frenado de esa rueda depende de la fricción de deslizamiento entre el neumático y la carretera, que es mucho menor que la fricción estática. En condiciones de humedad o hielo, la fricción de deslizamiento se reduce aún más, lo que resulta en distancias de frenado significativamente más largas. Además, cuando las ruedas delanteras están en esta condición, no se pueden utilizar para dirigir el vehículo; Independientemente del ángulo de las ruedas delanteras, el vehículo continúa patinando en la dirección que le envíe su impulso hasta que el conductor suelta los frenos o el vehículo choca con algo lo suficientemente sólido como para detenerlo.

A generaciones de conductores se les enseñó a manejar esta condición aplicando y soltando rápidamente, o bombeando, los frenos durante un derrape. Sin embargo, este entrenamiento a menudo se pierde durante situaciones de pánico. Además, incluso el conductor más tranquilo y mejor entrenado no podía frenar más rápido de dos o tres veces por segundo, lo que limitaba la efectividad de la técnica.

Una mejor manera de manejar los derrapes mientras se frena se había utilizado en los aviones durante décadas antes de que se introdujera en los vehículos terrestres. Las aeronaves estaban sujetas a las mismas condiciones de baja tracción que los automóviles y camiones, y una aeronave que patinaba, que ya sólo podía dirigirse marginalmente, era realmente un peligro para sus ocupantes y quienes lo rodeaban. Para combatir este problema, muchas aeronaves fueron equipadas con sistemas de frenos antibloqueo, conocidos como ABS, que impedían que las ruedas de frenado se bloquearan y patinaran en pistas resbaladizas.

Al principio, esto se logró mediante controles hidráulicos elaborados y costosos que activaban y desactivaban los frenos rápidamente, lo que permitía que el avión se dirigiera en condiciones resbaladizas y al mismo tiempo permitía una gran capacidad de frenado. Más tarde, los controles electrónicos permitieron una acción antibloqueo que respondía mejor a las condiciones reales del terreno.

A medida que las partes electrónicas e hidráulicas del ABS de aviones se hicieron más pequeñas y menos costosas, los fabricantes de camiones y automóviles comenzaron a interesarse. Al principio, los sistemas de frenos antibloqueo se desarrollaron solo para camiones pesados. Los semirremolques grandes (combinaciones de camión tractor y remolque que pesaban hasta 80,000 libras (36,364 kg)) eran especialmente peligrosos para el tráfico a su alrededor cuando patinaban, ya que no solo se movían fuera del control del conductor, sino que también se articulaban o se movían con un cuchillo y volcado con frecuencia. Hoy en día, los sistemas de frenos antibloqueo son estándar en muchos automóviles y camiones.

Independientemente del fabricante o del tipo de vehículo, todos los sistemas de frenos antibloqueo funcionan de manera similar. Los sensores de velocidad de las ruedas se colocan en cada rueda que se va a controlar. Cada sensor de velocidad generalmente tiene una rueda dentada, como un engranaje, que gira a la misma velocidad que la rueda o el eje del vehículo. Montado cerca de esta rueda dentada, pero sin tocarla, hay un imán permanente. envuelto con una bobina de alambre, llamada bobina captadora (vea la ilustración). A medida que cada diente gira más allá del imán permanente, hace que el campo magnético se concentre y aumente ligeramente. Esto, a su vez, induce un pequeño pulso de corriente en la bobina de alambre. El número de pulsos por segundo es directamente proporcional a la velocidad de la rueda. Cuanto más rápido gire la rueda, más rápido pasarán los dientes por el imán y mayor será la frecuencia del pulso.

La salida pulsada de los sensores de velocidad de las ruedas va a un controlador electrónico, que monitorea la velocidad de cada rueda en relación con la velocidad de las otras ruedas. Mientras no se apliquen los frenos y todas las ruedas monitoreadas estén girando aproximadamente a la misma velocidad, el sistema no realiza ninguna acción. Sin embargo, si se están aplicando los frenos y una o más de las ruedas monitoreadas de repente comienza a reducir la velocidad a un ritmo más alto que las otras, lo que indica una pérdida de tracción con la carretera y un bloqueo y patinaje inminentes de las ruedas, el controlador se activa el sistema antibloqueo.

El sistema de frenos antibloqueo en cualquier vehículo es simplemente una función adicional de monitoreo y control superpuesta al sistema de frenos del vehículo existente. El ABS no es un segundo sistema de frenos ni reemplaza el sistema de frenos del vehículo. Cuando se monitorean y controlan las cuatro ruedas de un automóvil, el sistema se denomina ABS de cuatro canales. Si se van a controlar las dos ruedas delanteras más el eje trasero (pero no cada rueda trasera individualmente), el sistema se denomina ABS de tres canales. En camiones pesados ​​con dos ejes motrices traseros, el ABS es comúnmente un sistema de cuatro canales que controla las ruedas delanteras y dos de las cuatro ruedas traseras. Los remolques tirados por tractores de camiones pesados ​​también pueden tener su propio ABS separado que debe interconectarse con el ABS del tractor.

En un automóvil, los frenos se activan mediante presión hidráulica. El controlador ABS opera válvulas solenoides integradas en el lado de alta presión del cilindro de freno maestro. Estas válvulas normalmente están abiertas y no interfieren con el frenado. Cuando el controlador detecta que una rueda se bloquea mientras frena, primero activa un solenoide para cerrar una válvula en la línea de freno de la rueda afectada, lo que evita que la presión aumente más. Si la rueda bloqueada continúa perdiendo velocidad, el controlador activa un segundo solenoide que purga la presión de la línea de freno afectada, liberando de hecho el freno de esa rueda sin importar si el conductor todavía está presionando el pedal del freno. Tan pronto como la rueda recupera la tracción y aumenta su velocidad, los solenoides se desactivan y se reanuda el frenado normal. Por supuesto, si las condiciones son tales que la rueda comienza a patinar nuevamente, el freno comenzará a bloquearse rápidamente y el ABS se hará cargo. Este ciclo se repite de 12 a 15 veces por segundo hasta que cambia el estado de la carretera o el conductor suelta los frenos. El conductor podrá detectar este ciclo rápido como una vibración que se siente a través del pedal del freno, pero no tendrá que realizar ninguna acción. El ABS minimizará el patinaje y permitirá al conductor mantener el control direccional del vehículo.

Los frenos de un camión pesado se activan mediante presión de aire, en lugar de presión hidráulica. El sistema de frenos antibloqueo en un camión funciona de manera similar al ABS en un automóvil, excepto que las válvulas de control de presión de aire antibloqueo están ubicadas en el riel del bastidor del vehículo, cerca de cada rueda.

Diseño

Un sistema de frenos antibloqueo está diseñado para una aplicación específica del vehículo. Un camión que no arrastra un remolque, como una hormigonera, tendría un ABS ligeramente diferente al de un camión tractor que arrastra uno o más remolques. Asimismo, un sistema de frenos antibloqueo para un remolque tendría un diseño diferente.

El ABS para automóviles puede ser incluso más específico y puede diseñarse para una Independientemente del fabricante o del tipo de vehículo, todos los sistemas de frenos antibloqueo funcionan de manera similar. Los sensores de velocidad de las ruedas se colocan en cada rueda que se va a controlar. Cada sensor de velocidad generalmente tiene una rueda dentada que gira a la misma velocidad que la rueda o el eje del vehículo. Si se aplican los frenos y una o más de las ruedas monitoreadas repentinamente comienza a reducir la velocidad a un ritmo más alto que las otras, el controlador activa el sistema antibloqueo. Marca y modelo de coche. Dado que los componentes del ABS deben encajar y funcionar junto con los componentes del vehículo existentes en cada modelo, el proceso de diseño y fabricación de un nuevo sistema de frenos antibloqueo se lleva a cabo en colaboración entre el fabricante de automóviles y el proveedor de ABS.

Materias primas

La rueda dentada o el engranaje del sensor de velocidad están hechos de hierro suave . generalmente fundido. El hierro se elige debido a su alta permeabilidad magnética y baja desgana magnética. La renuencia magnética es aproximadamente equivalente a la resistencia eléctrica y, a veces, la rueda dentada se llama reluctor. La función de la rueda dentada es permitir que el campo del imán permanente pase fácilmente a través de cada diente para causar una concentración momentánea de la fuerza del campo que induce una corriente en la bobina captadora. La bobina de captación tiene un imán permanente en el núcleo, envuelto con una bobina de alambre de cobre.

El controlador generalmente emplea transistores conocidos como controladores del lado caliente que controlan el lado de potencia del circuito en lugar del lado de tierra. Estos transistores producen más calor del habitual en un circuito electrónico. En lugar de colocarse en una carcasa de plástico o acero estampado, se adjuntan a una carcasa de aluminio fundido con un disipador de calor con aletas para disipar el calor.

Los solenoides de presión de freno hidráulico utilizados en automóviles tienen una construcción estándar de elementos de bobina de cobre con válvulas y cuerpos de acero. Están alojados en la misma carcasa que el cilindro maestro del sistema de frenos, que generalmente es de aluminio.

El cableado eléctrico es de cobre, a menudo con aislamiento de polietileno reticulado. Para evitar la interferencia de radiofrecuencia (RFI), en la que se pueden recibir señales de radio de alta potencia a través del cableado y hacer que el sistema se active, todo el cableado está blindado o los cables se colocan como pares trenzados para cancelar los efectos de las ondas de radio. . Los conectores son de plástico con contactos internos de cobre.

El
proceso de fabricación

El proceso de fabricación de los sistemas de frenos antibloqueo consiste en fabricar los componentes y luego instalarlos en el vehículo. Las piezas se fabrican en una sola planta, luego se empaquetan y envían a una planta de ensamblaje de vehículos para su instalación. Este es un proceso típico para un sistema de frenos antibloqueo de automóviles.

Fabricación del cilindro de freno maestro

• 1 El cilindro maestro, incluida la base del cuerpo del solenoide, está fundido como una sola unidad. Las superficies de asiento y sellado están maquinadas lisas y los puertos de conexión están roscados.
• 2 Se instalan los pistones primarios y secundarios individuales, las bobinas de solenoide, las tapas y sellos del depósito, el acumulador de presión y las válvulas dosificadoras y dosificadoras. El cuerpo del solenoide tiene una cubierta que se fija al cilindro maestro con cuatro o más tornillos y está sellada con una junta.

Hacer los sensores de velocidad de la rueda

• 3 La rueda dentada es de hierro fundido. Es posible que se requiera un mecanizado menor en los puntos de montaje.
• 4 Las bobinas de captación se enrollan alrededor del núcleo del imán permanente en una máquina llamada bobinadora. Todo el conjunto está revestido o encapsulado en resina plástica con un conector eléctrico adjunto.

Hacer el controlador

• 5 Los componentes del controlador electrónico están soldados a una placa de circuito impreso.
• 6 La placa se conecta dentro de una carcasa protectora y se monta en la base del disipador de calor de aluminio fundido. Se proporcionan conexiones eléctricas externas para el cableado de entrada de cada sensor de velocidad y el cableado de salida a los solenoides en el cilindro del freno principal.

Instalación del ABS

• 7 En la planta de ensamblaje de automóviles, las líneas de freno de tubos de acero se instalan en la estructura de la carrocería. Van desde la partición entre el compartimento del motor y el compartimento de los ocupantes, llamado cortafuegos, hasta las proximidades de cada rueda. Los cables eléctricos para el ABS también se extienden desde la vecindad de cada rueda hasta la ubicación del controlador y desde el controlador hasta el cortafuegos.
• 8 El cilindro maestro del freno está atornillado al cortafuegos en el compartimiento del motor cerca del pedal del freno. Las líneas de freno están conectadas a los puertos apropiados en el cuerpo del solenoide y los cables eléctricos están conectados.
• 9 Las ruedas del sensor dentado se presionan sobre las juntas exteriores de velocidad constante o los extremos de los husillos del eje para que se desplacen justo dentro de las ruedas. Una vez que los ejes están conectados al bastidor, las líneas de freno se unen y las bobinas de captación se instalan de modo que el extremo de las bobinas esté cerca de las ruedas dentadas. Luego, las bobinas de captación se conectan eléctricamente a los cables del controlador.
• 10 El controlador se instala debajo del panel de instrumentos o en el maletero del vehículo. Se realizan las conexiones eléctricas, incluida la conexión de alimentación desde la batería del vehículo a través de la caja de fusibles.

Control de calidad

La idea de que un sistema electrónico pueda hacerse cargo del funcionamiento de los frenos de un vehículo es inquietante para algunas personas. Por esta razón, el funcionamiento del sistema se prueba a fondo de antemano y la calidad de la instalación se revisa constantemente.

Además, todos los sistemas de frenos antibloqueo están diseñados para ser a prueba de fallas, es decir, cualquier falla de cualquier componente hará que el sistema falle de tal manera que aún permita la operación segura general de los frenos.

El futuro

Existe una gran posibilidad de que el gobierno federal ordene el uso de frenos antibloqueo en ciertos vehículos en un futuro cercano. El ABS se ha utilizado durante varios años, y se acumulan pruebas con respecto a sus beneficios, específicamente su capacidad para mejorar las distancias de frenado del vehículo y para mantener el control direccional del vehículo en condiciones de carreteras extremadamente resbaladizas.

Sin embargo, estos hallazgos no están exentos de controversia. Las afirmaciones iniciales de los beneficios del ABS se exageraron significativamente y muchos conductores han descubierto que el ABS les ofrece poca o ninguna ventaja en su situación particular. En este sentido, la polémica se parece un poco a la que rodeó a los cinturones de seguridad.

Se han desarrollado sistemas adicionales que mejoran los beneficios del ABS básico. Uno de estos sistemas es el control automático de tracción, llamado ATC. El ATC utiliza los mismos componentes que el ABS, pero funciona en el otro extremo del espectro de velocidad:hacer que un vehículo arranque en condiciones resbaladizas. En funcionamiento, detecta la velocidad de cada rueda para detectar cuando una o más ruedas "se sueltan" y empiezan a girar. Cuando eso sucede, aplica el freno en esa rueda de 12 a 15 veces por segundo para que disminuya la velocidad y recupere la tracción. En las demostraciones, los vehículos han sido retenidos por bloques en una pendiente cubierta de hielo. Cuando los vehículos arrancan y los bloques se retiran, el vehículo sin ATC hace girar sus ruedas y se desliza lentamente hacia atrás por la pendiente, mientras que el vehículo equipado con ATC sube por el hielo.

Se espera que ABS, junto con otros productos de vehículos nuevos, continúe aumentando su popularidad a medida que baje el precio y los beneficios se hagan más evidentes.