ABS

Asignaturas:

historia
Objetivo
Operación
Sensores de velocidad
agregado hidro
Circuito hidraulico
Ciclo de control del ABS
Principios de control para prevenir la división µ
Medidas de un vehículo con y sin ABS

Historia:
ABS (abreviatura de Sistema de frenos antibloqueo) Ya en 1961, el fabricante de neumáticos Dunlop experimentó con éxito con el ABS en el coche de carreras de Fórmula 99 Ferguson P1. Eso fue unos catorce años antes de que se introdujera algo similar en los coches "normales". Hoy en día todos los coches nuevos están equipados con ABS.

Meta:
El propósito del ABS es utilizar la máxima adherencia entre el neumático y la superficie de la carretera mientras se conduce. El ABS también garantiza que se mantenga la estabilidad de conducción. Esto incluye:

Estabilidad de la dirección: cuando se activa el ABS, el vehículo sigue siendo orientable. Cuando una rueda patina, el vehículo se desliza en una dirección y los movimientos de la dirección no se pueden transferir a la superficie de la carretera.
Estabilidad de la marcha: si una rueda se bloquea, el vehículo puede tomar un rumbo diferente. Por ejemplo, una rueda trasera bloqueada puede hacer que el vehículo gire alrededor de su eje, provocando que el vehículo acabe al revés en la carretera.

Operación:
El sistema de frenos se encarga de frenar las ruedas. Bajo ninguna circunstancia se debe bloquear la rueda, porque entonces perderá adherencia a la superficie de la carretera. Entonces la rueda se desliza sobre el asfalto, por lo que ya no se pueden transmitir los movimientos de dirección. En ese caso el vehículo queda incontrolable. El sistema ABS evita que la rueda se bloquee.
Cuando la rueda amenaza con bloquearse, el sistema ABS garantiza que se reduzca la presión de freno (la presión del líquido de frenos en los cilindros de freno de las ruedas) en la rueda en cuestión. En ese momento no importa con qué fuerza pises el pedal del freno con el pie. El sistema ABS regula la presión de frenado para que la rueda no patine. Llegado un momento determinado, el sistema ABS volverá a aumentar gradualmente la presión, ya que, por supuesto, es necesario frenar la rueda lo más posible. Esto continúa hasta que se alcanza nuevamente el límite de deslizamiento; luego la presión se reduce nuevamente. Este proceso tarda unos milisegundos. Entonces se puede sentir una vibración en el pedal del freno. La bomba ABS suele ser audible.

La siguiente imagen muestra una descripción general de los componentes del sistema ABS.

La imagen de arriba muestra dos tubos rojos. Estos van desde el cilindro de freno maestro hasta la unidad hidráulica. Hydro agregado es otra palabra para la bomba ABS. Las dos líneas rojas tienen que ver con el sistema de frenado independiente; delantero izquierdo con trasero derecho y delantero derecho con trasero izquierdo. Por ejemplo, si hay una fuga en la rueda delantera izquierda, lo que provoca que se pierda todo el líquido de frenos, aún puede frenar con el otro circuito de frenos. Los tubos naranjas van desde la unidad hidráulica hasta todas las ruedas. En la unidad hidráulica se puede ajustar la fuerza de frenado por rueda.

Un sensor de velocidad está montado en cada rueda. Esto permite controlar continuamente la velocidad de las cuatro ruedas. Las líneas azules son cables de señal conectados al sensor de velocidad. Un cable de señal va desde cada rueda hasta la unidad de control. Las señales del pedal del freno y de la unidad hidráulica también van a la unidad de control. En el coche que se muestra, se encuentra debajo del asiento, en el interior del coche. Hoy en día se ve cada vez más que la unidad de control está unida a la unidad hidráulica. Entonces es un todo. Si hay una falla en el sistema, por ejemplo debido a un sensor defectuoso o sucio, un cable defectuoso o un defecto en la unidad hidráulica, se iluminará una luz de falla en el panel de instrumentos. Luego, la falla se puede leer con un equipo de diagnóstico.

Sensores de velocidad:
La siguiente imagen muestra el sensor de velocidad inductivo en su estado montado. Esta es una foto de un puntal McPherson en la suspensión delantera. Aquí también se puede ver la corona dentada, donde el sensor mide la velocidad.

Un sensor ABS se puede diseñar como sensor inductivo (ver imagen arriba), como sensor magnetorresistivo (sensor MRE) o como sensor Hall (ver imagen a la derecha). El funcionamiento de este sensor se muestra en la página Sensor de pasillo descrito. Este último sensor se utiliza para el anillo magnético ABS que se encuentra en el cojinete de rueda es procesado.

Las señales de los sensores inductivos y Hall se pueden utilizar con el osciloscopio se miden. A continuación se muestran y describen ejemplos de estas mediciones.

Sensor de velocidad inductivo:
El sensor de velocidad inductivo consta de un imán permanente con una bobina alrededor. La intensidad del campo magnético cambia cuando un diente de la corona dentada (que está fijada al eje de transmisión) se mueve a través del campo magnético del imán permanente. El cambio en el campo magnético hace que se genere un voltaje en la bobina. Cada período en la señal de velocidad corresponde al paso de un diente por el sensor. El número de dientes del anillo y la velocidad de rotación del eje de transmisión determinan la frecuencia y amplitud de la señal.

Sensor de pasillo:
También en el sensor magnetorresistivo (sensor MRE) o sensor Hall se mueve un anillo metálico con imanes a lo largo del sensor. El anillo magnético está situado en el Eje de accionamiento o en el cojinete de rueda. La frecuencia de la tensión del bloque depende de la velocidad de rotación y del número de dientes del anillo metálico. La amplitud (la altura de la señal) sigue siendo la misma.

Los sensores MRE requieren una fuente de alimentación para funcionar. Sin embargo, estos sensores a menudo sólo tienen dos cables (y por lo tanto dos conexiones). El sensor envía la señal a la unidad de control ABS a través del cable negativo. La señal se forma porque la resistencia eléctrica de las placas semiconductoras cambia cuando se exponen a un campo magnético cambiante.

Las señales de los sensores de velocidad se transmiten a la unidad de control del ABS. Las señales de las cuatro ruedas se comparan entre sí. Cuando el vehículo pasa por una curva, la velocidad de las ruedas en la curva interior será menor que la de las ruedas en la curva exterior. Esto está medido, pero por supuesto está dentro de los márgenes.
Si las velocidades difieren demasiado durante el frenado, la unidad de control del ABS se asegurará de que la unidad hidráulica reduzca la presión de frenado en la rueda correspondiente (frenado demasiado fuerte). Si hay demasiada diferencia de velocidad durante la aceleración, el sistema de gestión del motor reducirá abruptamente la potencia del motor.

En caso de fallos en el sistema ABS, las señales se pueden medir con el osciloscopio. Estos pueden medirse en el volante, pero también en el dispositivo de control. Midiendo al volante puedes comprobar si los sensores ABS funcionan correctamente. Al realizar mediciones en la unidad de control se puede descartar que la causa del mal funcionamiento sea un cableado defectuoso.
Durante la medición se puede comprobar si la frecuencia y la amplitud del sensor inductivo son correctas. Con el sensor Hall puedes comprobar si la frecuencia de la señal es correcta mientras la rueda está girando. Para ello, gire la rueda al máximo para poder identificar rápidamente cualquier defecto en los dientes. Con dientes dañados, será visible una desviación en la pureza de las señales del sensor (piense en una frecuencia más amplia de lo previsto con cada rotación).

Agregado hidro:
La imagen de abajo a la izquierda muestra un hidrogenerador con un dispositivo de control incorporado. Esto se desprende, entre otras cosas, del gran número de pines en la conexión enchufable.
Aquí también se pueden ver las conexiones de los tubos del cilindro maestro de freno y de las ruedas. Los circuitos de frenado separados (delantero izquierdo con trasero derecho y delantero derecho con trasero izquierdo) están incorporados en esta unidad de bomba.

Cuando desmontamos la unidad hidráulica se puede ver el bloque de válvulas. La imagen en la parte inferior derecha muestra el interior del hidrogenerador.

Circuito hidraulico:
El siguiente diagrama hidráulico muestra los componentes dentro y alrededor de la unidad hidráulica. Para entender el funcionamiento, piezas y símbolos, la página principios basicos de la hidraulica son consultados.
El siguiente diagrama está dibujado para una rueda. Los números 5, 6 y 9 son internos. Otra rueda utiliza los mismos componentes, excepto las válvulas 2/2 (6), solo que con conexiones diferentes. Es decir, si se dibujara el esquema del coche completo, al lado habría seis válvulas 2/2, cada una con sus propios tubos. Para dejar las cosas claras, ahora solo se muestra el diagrama de un circuito de frenos.

Situación 1: Sin frenado y estable:
El diagrama de la derecha muestra la situación sin frenado y sin frenado estable. Se presiona el pedal del freno (2), lo que hace que el cilindro de freno maestro (4) ejerza presión de fluido en la válvula 2/2 izquierda (6). Esta válvula 2/2 tiene una conexión abierta a la pinza de freno (7). Debido a que aumenta la presión del líquido en la pinza de freno, las pastillas de freno se presionarán contra el disco de freno. Entonces se aplicarán los frenos. El sensor de velocidad (8) registra el número de revoluciones que da la rueda.

Situación 2: ABS activo, mantener presión de freno:
Este diagrama muestra la situación cuando se frena bruscamente y la desaceleración de las ruedas es demasiado grande. El sensor ABS en el freno ha transmitido una señal de velocidad al terminal 5 de la unidad de control, que es más baja que la de las otras ruedas. La unidad de control reacciona y cierra el sistema hasta la pinza de freno.
Esto se hace de la siguiente manera: se aplica una cierta corriente al pin 3 del dispositivo de control, que energiza la válvula solenoide en la válvula 2/2 izquierda. La válvula se empuja hacia la izquierda contra la fuerza del resorte. Esto bloquea el acceso de líquido de frenos nuevo a la pinza de freno. La válvula 2/2 derecha permanece en la misma posición, por lo que ningún líquido de frenos puede ir al freno ni regresar. Esto mantiene la presión constante. La unidad de control vuelve a comprobar si la diferencia de velocidad entre la rueda en cuestión y las demás ruedas difiere demasiado. Si la diferencia mutua de velocidad es mínima, o ya no hay diferencia de velocidad porque la presión del freno se ha mantenido constante, la unidad de control quitará la corriente del pin 3 nuevamente. La válvula 2/2 vuelve a su posición original, por lo que se aplica de nuevo la situación 1. Si la diferencia de velocidad no cambia o incluso aumenta, se debe reducir la presión de frenado de la rueda en cuestión. Esto sucede en la situación 3.

Situación 3: ABS activo, reducir la presión de frenos:
Para reducir la presión de los frenos, se debe bombear líquido de frenos hacia la tubería entre la válvula 2/2 y la pinza de freno. Esto se hace en el diagrama de arriba.
Ahora también se suministra corriente al pin 4, de modo que la válvula 2/2 derecha recibe corriente. Ahora también se coloca en la posición izquierda, liberando el paso entre la pinza de freno y la bomba hidráulica. En este momento, el motor de la bomba girará y bombeará el líquido de frenos desde la pinza de freno al cilindro maestro. El líquido ahora se bombea de regreso al depósito contra la fuerza del cilindro de freno maestro. La presión se reduce y la rueda comenzará a girar nuevamente.

Resumido:
La situación 1 se aplica al conducir y frenar ligeramente. Durante la frenada donde la rueda amenaza con bloquearse, situación 2 y donde se debe reducir la presión debido al bloqueo de la rueda, situación 3. Durante la frenada la situación irá cambiando. Si se da la situación 3, en la que el líquido de frenos se bombea fuera del freno, se debe volver a frenar la rueda. De lo contrario, el vehículo no podría frenar con suficiente fuerza. Luego, el conductor vuelve a la situación 1, luego nuevamente a la situación 2 y luego nuevamente a la situación 3. Esto sucede hasta que el conductor deja de frenar o hasta que conduce sobre una superficie diferente, que es, por ejemplo, más rígida (un coeficiente de fricción más alto). .

Ciclo de control del ABS:
El siguiente gráfico muestra el ciclo de control del ABS. Se han añadido varios factores, como la velocidad del vehículo (A) con la velocidad de las ruedas, la aceleración de la circunferencia de las ruedas (B), la actividad del sistema (C) y la presión de frenado (D).
El gráfico también se divide en 9 períodos de tiempo. Un cambio es visible en cada período porque el sistema se ajusta. El período de tiempo es de aproximadamente 20 milisegundos en total y se divide en 9 partes desiguales. Debajo del gráfico está la explicación de las líneas.

A: La línea negra es la velocidad del vehículo, la línea verde es la velocidad de la rueda y la línea roja es la velocidad de referencia. La velocidad del vehículo disminuye (período 1), pero la velocidad de las ruedas disminuye mucho más rápido. La línea de referencia roja está cortada. Cuando la línea verde termina debajo de la línea roja (del período 2), puede ocurrir que las ruedas patinen. Por tanto, intervendrá el ABS.

B: La línea indica la aceleración de la circunferencia de la rueda. Un ejemplo: al girar la rueda y desacelerar lentamente, la línea en B permanece cerca de la línea cero. Al girar ahora el volante a la misma velocidad y frenar con más fuerza, la línea se extenderá más hacia abajo. Esto también sucede al acelerarlo; Al girar el volante muy rápidamente de 0 a 10 km/h, la línea se disparará más si tardas 5 segundos en girar el volante de 0 a 10 km/h. En resumen, esta es la aceleración de la circunferencia de la rueda.

C: Esta línea indica dónde se estabiliza la presión en el sistema; Entonces el ABS está en funcionamiento. Cuando la línea en C es baja (en la línea cero), el sistema ABS no está en funcionamiento. En el periodo 7, el ABS se controla de forma pulsante, para que la velocidad de las ruedas no disminuya demasiado rápido.

D: Esta línea indica la presión de frenado. La presión del freno aumenta hasta que la línea verde de velocidad de la rueda (A) cruza la línea roja de referencia. El ABS entra en funcionamiento (C) y garantiza que la aceleración de la circunferencia de la rueda no sea demasiado baja. La aceleración de la circunferencia de la rueda está en la línea cero en el período 4; exactamente el momento en que la velocidad de la rueda en (A) pasa de negativa a positiva. La presión se mantiene constante en ese momento. En el período 7 el control pulsante es claramente visible. Ahora se aumenta cuidadosamente la presión de frenado para que la rueda no frene demasiado rápido.

Principios de control para prevenir la división µ:
El ABS se puede configurar individualmente por rueda usando esta información. Los sensores de velocidad de las ruedas registran la velocidad de cada rueda. Esto es necesario porque en todas las situaciones se debe sopesar el coeficiente de fricción máximo alcanzable frente a la maniobrabilidad del vehículo. Cuando el vehículo circula con las ruedas izquierdas sobre asfalto seco y con las ruedas derechas en el arcén blando y los frenos se aplican con toda la fuerza de frenado, el vehículo perderá el control y girará sobre su eje. La diferencia de fuerza de frenado entre las ruedas sobre asfalto y sobre hielo provoca un momento de guiñada que provoca una desviación del rumbo. Esta situación se llama situación de división µ. La µ se pronuncia “mu”. Para evitar este escenario, se aplican una serie de principios de control:

El control individual (IR): la presión de frenado se ajusta al coeficiente de fricción máximo de cada rueda. Esto puede provocar momentos de guiñada elevados, pero se consiguen fuerzas de frenado máximas.
El control de selección baja (SL): la rueda con el coeficiente de fricción más bajo determina la presión de frenado para la otra rueda. No se utiliza la fuerza de frenado máxima posible, pero el momento de guiñada es bajo.
El control de selección alta (SH): la rueda con el coeficiente de fricción más alto determina la presión de frenado para la otra rueda. El esquema de selección alta solo se utiliza para esquemas ASR.
El control select-smart o modificador: durante el frenado, el control cambia del control select-low al control individual. Esto permite lograr un compromiso entre los momentos de guiñada y las fuerzas máximas de frenado. Este esquema se aplica a menudo a vehículos comerciales.

Normalmente, el sistema de frenos de un turismo está separado en diagonal (cruzado a la izquierda). Un ejemplo de esto se muestra en la imagen a continuación. Esto muestra el sistema de frenos rojo para la parte delantera izquierda y la parte trasera derecha y el sistema de frenos azul para la parte delantera derecha y la parte trasera izquierda.

Los frenos de las ruedas delanteras se controlan con el mando individual (IR). La presión de frenado de una rueda delantera se ajusta al coeficiente de fricción máximo de la otra rueda delantera. Durante una parada de emergencia, las ruedas delanteras buscarán individualmente la máxima fuerza de frenado posible.
Los frenos de las ruedas traseras se controlan según el principio de selección baja (SL). La presión de frenado ajustada de la rueda trasera con el menor coeficiente de fricción determina la presión de frenado de la otra rueda trasera. El par de frenado de ambas ruedas traseras seguirá siendo el mismo.

Medidas de un vehículo con y sin ABS:
Para tener una buena idea de la influencia del sistema ABS en un vehículo, en este apartado se muestran dos gráficas de medidas que demuestran la diferencia entre un vehículo de frenado sin y con ABS.

Velocidad del vehículo en relación con la velocidad de las ruedas sin ABS:
El gráfico de la derecha muestra la velocidad del vehículo en comparación con la velocidad de las ruedas.
Desde t = 0 segundos la velocidad del vehículo es de 15 metros por segundo. En ese momento se pisa al máximo el pedal del freno. La velocidad del vehículo disminuye linealmente a 0 m/s entre
t = 2,75 y 3,00 segundos. La velocidad de la rueda cae completamente a 0,5 m/s entre t = 1,0 y 0 segundos. Esto significa que la rueda ya tiene una velocidad de 0 m/s, por lo que está parada, mientras el vehículo sigue en movimiento. En ese momento se bloquea una rueda. La rueda patina sobre la superficie de la carretera mientras el vehículo aún no está parado. En esta situación el ABS no está en funcionamiento.

Velocidad del vehículo relativa a la velocidad de las ruedas con ABS:
En el gráfico de la derecha, la línea azul es la misma; a una velocidad del vehículo de 15 m/s, el frenado máximo se aplica a 0 m/s. Esto vuelve a suceder en un período de 3 segundos. Ahora que el ABS está en funcionamiento, la línea roja en t = 0,3 segundos no baja a 0 m/s, pero la rapidez de la rueda aumenta nuevamente. Esto se puede ver en la línea roja que primero baja y vuelve a subir justo antes de t = 0,5 segundos. La presión de frenado es reducida por el ABS a una velocidad de 7,5 m/s. La velocidad de las otras ruedas es igual a la velocidad del vehículo y por tanto a la línea azul. El sensor ABS de la rueda delantera izquierda registra la desaceleración. El calculador del ABS reconoce la diferencia de velocidad e interviene. La presión de frenado se reduce con la unidad hidráulica hasta que las líneas azul y roja vuelvan a ser iguales. En ese momento, la presión de frenado vuelve a mantenerse constante. Hasta que el vehículo se detiene, el ABS continúa controlando la velocidad de la rueda que patina.

La presión en el cilindro de freno maestro en comparación con el cilindro de freno de rueda sin ABS:
La fuerza ejercida sobre el pedal del freno se convierte en presión de freno en el cilindro de freno maestro mediante el desplazamiento del fluido. Esta presión de frenado se muestra en el gráfico siguiente con la línea azul.
Independientemente de si la rueda patina o no, la presión de freno en el cilindro de freno de la rueda (la línea roja) sigue siendo la misma que la presión en el cilindro de freno maestro. Esta es la situación sin ABS.

La presión en el cilindro de freno maestro en comparación con el cilindro de freno de rueda con ABS:
En la situación en la que el ABS entra en funcionamiento, las presiones en el cilindro de freno maestro y en el cilindro de freno de rueda ya no son iguales. La presión en el cilindro de freno maestro permanece alta porque el conductor mantiene presionado el pedal del freno. En el gráfico la línea roja disminuye en t = 0,3 segundos; aquí el ABS reduce la presión de frenado. La reducción de la presión de los frenos hace que la rueda vuelva a rodar. A partir de t = 0,4 segundos, la presión de frenado vuelve a aumentar gradualmente hasta que la velocidad de la rueda sea la misma que la de las otras ruedas. Este es el caso en t = 2,35 segundos.