ABS

Tópicos:

História
Objetivo
Operação
Sensores de velocidade
Agregado hidráulico
Circuito hidráulico
Ciclo de controle ABS
Princípios de controle para evitar divisão µ
Medições de um veículo com e sem ABS

História:
ABS (uma abreviatura de Anti-lock Braking System) Já em 1961, o fabricante de pneus Dunlop fez experiências com sucesso com ABS no carro de corrida de Fórmula 99 Ferguson P1. Isso foi cerca de quatorze anos antes de algo semelhante ser introduzido em carros “normais”. Hoje em dia todos os carros novos estão equipados com ABS.

Objetivo:
O objetivo do ABS é utilizar a máxima aderência entre o pneu e a superfície da estrada durante a condução. O ABS também garante que a estabilidade de direção seja mantida. Isso inclui:

Estabilidade de direção: quando o ABS é ativado, o veículo permanece dirigível. Com uma roda escorregadia, o veículo desliza em uma direção e os movimentos de direção não podem ser transferidos para a superfície da estrada.
Estabilidade de curso: se uma roda travar, o veículo poderá tomar um rumo diferente. Por exemplo, uma roda traseira bloqueada pode fazer com que o veículo gire em torno de seu eixo, fazendo com que o veículo caia para trás na estrada.

Operação:
O sistema de freio é responsável pela frenagem das rodas. Sob nenhuma circunstância a roda deve travar, pois perderá aderência com a superfície da estrada. A roda desliza então sobre o asfalto, o que significa que os movimentos de direção não podem mais ser transmitidos. Nesse caso o veículo fica incontrolável. O sistema ABS evita o travamento da roda.
Quando a roda ameaça bloquear, o sistema ABS garante que a pressão dos travões (a pressão do fluido dos travões nos cilindros dos travões da roda) na roda em questão é reduzida. Nesse momento não importa o quanto você pressiona o pedal do freio com o pé. O sistema ABS regula a pressão do freio para que a roda não escorregue. A certa altura, o sistema ABS irá aumentar gradualmente a pressão novamente, porque é claro que a roda deve ser travada o máximo possível. Isto continua até que o limite de escorregamento seja atingido novamente; então a pressão é reduzida novamente. Este processo leva alguns milissegundos. Uma vibração pode então ser sentida no pedal do freio. A bomba ABS é frequentemente audível.

A imagem abaixo mostra uma visão geral dos componentes do sistema ABS.

A imagem acima mostra dois tubos vermelhos. Eles vão do cilindro mestre do freio até a unidade hidráulica. Agregado hidráulico é outra palavra para bomba ABS. As duas linhas vermelhas têm a ver com o sistema de travagem separado; frente esquerda com traseira direita e frente direita com traseira esquerda. Por exemplo, se houver um vazamento na roda dianteira esquerda, causando vazamento de todo o fluido de freio, você ainda poderá frear com o outro circuito de freio. Tubos laranja vão da unidade hidráulica até todas as rodas. Na unidade hidráulica, a força de frenagem pode ser ajustada por roda.

Um sensor de velocidade é montado em cada roda. Isso permite que a velocidade de todas as quatro rodas seja monitorada continuamente. As linhas azuis são fios de sinal conectados ao sensor de velocidade. Um fio de sinal vai de cada roda até a unidade de controle. Os sinais do pedal do freio e da unidade hidráulica também vão para a unidade de controle. No carro mostrado, ele está localizado sob o assento, no interior do carro. Hoje em dia você vê cada vez mais que a unidade de controle está acoplada à unidade hidráulica. É então um todo. Se houver uma falha no sistema, por exemplo devido a um sensor defeituoso ou sujo, um cabo defeituoso ou um defeito na unidade hidráulica, uma luz de falha acenderá no painel de instrumentos. A falha pode então ser lida com equipamento de diagnóstico.

Sensores de velocidade:
A imagem abaixo mostra o sensor de velocidade indutivo montado. Esta é uma foto de um suporte McPherson na suspensão dianteira. A coroa dentada, onde o sensor mede a velocidade, também pode ser vista aqui.

Um sensor ABS pode ser projetado como um sensor indutivo (veja a imagem acima), ou como um sensor magneto-resistivo (sensor MRE), ou um sensor Hall (veja a imagem à direita). A operação deste sensor é mostrada na página Sensor Hall descrito. Este último sensor é utilizado para o anel magnético ABS que está no rolamento de roda é processado.

Os sinais dos sensores indutivos e Hall podem ser usados com o osciloscópio são medidos. Exemplos dessas medições são mostrados e descritos abaixo.

Sensor de velocidade indutivo:
O sensor de velocidade indutivo consiste em um ímã permanente com uma bobina ao seu redor. A intensidade do campo magnético muda quando um dente do anel dentado (que está preso ao eixo de transmissão) se move através do campo magnético do ímã permanente. A mudança no campo magnético faz com que uma tensão seja gerada na bobina. Cada período no sinal de velocidade corresponde à passagem de um dente pelo sensor. O número de dentes no anel e a velocidade de rotação do eixo de transmissão determinam a frequência e a amplitude do sinal.

Sensor Hall:
Também com o sensor magneto-resistivo (sensor MRE), ou sensor Hall, um anel de metal com ímãs se move ao longo do sensor. O anel magnético está localizado no eixo de acionamento ou nele rolamento de roda. A frequência da tensão do bloco depende da velocidade de rotação e do número de dentes do anel metálico. A amplitude (a altura do sinal) permanece a mesma.

Os sensores MRE requerem uma fonte de alimentação para funcionar. No entanto, esses sensores geralmente possuem apenas dois fios (e, portanto, duas conexões). O sensor envia o sinal para a unidade de controle ABS através do cabo negativo. O sinal é formado porque a resistência elétrica das placas semicondutoras muda quando elas são expostas a um campo magnético variável.

Os sinais dos sensores de velocidade são transmitidos para a unidade de controle ABS. Os sinais das quatro rodas são comparados entre si. Quando o veículo passa por uma curva, a velocidade das rodas na curva interna será menor do que a das rodas na curva externa. Isto é medido, mas é claro que está dentro das margens.
Se as velocidades diferirem muito durante a frenagem, a unidade de controle ABS garantirá que a unidade hidráulica reduzirá a pressão de frenagem na roda relevante (frenagem com muita força). Se houver muita diferença de velocidade durante a aceleração, a potência do motor será reduzida abruptamente pelo sistema de gerenciamento do motor.

Em caso de mau funcionamento do sistema ABS, os sinais podem ser medidos com o osciloscópio. Estes podem ser medidos no volante, mas também no dispositivo de controle. Medindo ao volante você pode verificar se os sensores ABS estão funcionando corretamente. Quando as medições são feitas na unidade de controle, pode-se descartar se a fiação defeituosa é a causa do mau funcionamento.
Durante a medição pode-se verificar se a frequência e amplitude do sensor indutivo estão corretas. Com o sensor Hall você pode verificar se a frequência do sinal está correta enquanto a roda gira. Para fazer isso, gire a roda em rotações completas para que quaisquer defeitos nos dentes possam ser rapidamente identificados. Com dentes danificados, será visível um desvio na pureza dos sinais do sensor (pense em uma frequência mais ampla do que o pretendido a cada rotação).

Agregado hidro:
A imagem abaixo à esquerda mostra um hidrogerador com dispositivo de controle integrado. Isto pode ser visto, entre outras coisas, pelo grande número de pinos na conexão do plugue.
As conexões dos tubos do cilindro mestre do freio e das rodas também são visíveis aqui. Os circuitos de freio separados (dianteiro esquerdo com traseiro direito e dianteiro direito com traseiro esquerdo) estão incorporados nesta unidade de bomba.

Quando desmontamos a unidade hidráulica, o bloco de válvulas pode ser visto. A imagem no canto inferior direito mostra o interior do hidrogerador.

Circuito hidráulico:
O diagrama hidráulico abaixo mostra os componentes dentro e ao redor da unidade hidráulica. Para entender o funcionamento, peças e símbolos, a página princípios básicos de hidráulica são consultados.
O diagrama abaixo é desenhado para uma roda. Os números 5, 6 e 9 são internos. Outra roda utiliza os mesmos componentes, exceto as válvulas 2/2 (6), apenas com conexões diferentes. Ou seja, se fosse desenhado o diagrama do carro completo, haveria seis válvulas 2/2 ao lado dele, cada uma com suas próprias tubulações. Para manter as coisas claras, apenas o diagrama de um circuito de freio é mostrado agora.

Situação 1: Sem frenagem e com frenagem estável:
O diagrama à direita mostra a situação sem frenagem e com frenagem estável. O pedal do freio (2) é pressionado, fazendo com que a pressão do fluido seja exercida pelo cilindro mestre do freio (4) na válvula 2/2 esquerda (6). Esta válvula 2/2 possui conexão aberta com a pinça do freio (7). Como a pressão do fluido na pinça do freio aumenta, as pastilhas do freio serão pressionadas contra o disco do freio. Os freios serão então aplicados. O sensor de velocidade (8) regista o número de voltas que a roda dá.

Situação 2: ABS ativo, mantenha a pressão do freio:
Este diagrama mostra a situação quando há uma frenagem brusca e a desaceleração da roda é muito grande. O sensor ABS no freio transmitiu um sinal de velocidade ao terminal 5 da central, que é inferior ao das demais rodas. A unidade de controle responde a isso e fecha o sistema na pinça do freio.
Isso é feito da seguinte forma: uma certa corrente é aplicada ao pino 3 do dispositivo de controle, que energiza a válvula solenóide da válvula 2/2 esquerda. A válvula é empurrada para a esquerda contra a força da mola. Isto bloqueia o acesso do novo fluido de freio à pinça de freio. A válvula 2/2 direita permanece na mesma posição, portanto nenhum fluido de freio pode ir para o freio ou retornar. Isso mantém a pressão constante. A unidade de comando verifica novamente se a diferença de velocidade entre a roda em questão e as outras rodas difere muito. Se a diferença de velocidade mútua for mínima ou não houver mais diferença de velocidade porque a pressão do freio foi mantida constante, a unidade de controle removerá novamente a corrente do pino 3. A válvula 2/2 volta à sua posição original, de modo que a situação 1 se aplica novamente. Se a diferença de velocidade não se alterar, ou mesmo aumentar, a pressão de travagem da roda em questão deve ser reduzida. Isso acontece na situação 3.

Situação 3: ABS ativo, reduza a pressão do freio:
Para reduzir a pressão do freio, o fluido de freio deve ser bombeado para a linha entre a válvula 2/2 e a pinça do freio. Isso é feito no diagrama acima.
Agora o pino 4 também é alimentado com energia, para que a válvula 2/2 direita seja energizada. Agora também é movido para a posição esquerda, liberando a passagem entre a pinça do freio e a bomba hidráulica. Neste momento, o motor da bomba irá girar e bombear o fluido de freio da pinça do freio para o cilindro mestre. O fluido agora é bombeado de volta para o reservatório contra a força do cilindro mestre do freio. A pressão é reduzida e a roda começará a girar novamente.

Resumindo:
A situação 1 aplica-se durante a condução e travagem ligeira. Durante a travagem onde a roda ameaça bloquear, situação 2 e onde a pressão deve ser reduzida devido ao bloqueio da roda, situação 3. Durante a travagem a situação continuará a mudar. Se a situação 3 se aplicar, onde o fluido de freio é bombeado para fora do freio, a roda deverá ser freada novamente. Caso contrário, o veículo não conseguiria travar com força suficiente. O condutor volta então à situação 1, depois novamente à situação 2 e novamente à situação 3. Isto acontece até o condutor parar de travar ou até conduzir numa superfície diferente que seja, por exemplo, mais rígida (um coeficiente de atrito mais elevado). .

Ciclo de controle ABS:
O gráfico abaixo mostra o ciclo de controle do ABS. Vários fatores foram adicionados, como a velocidade do veículo (A) com a velocidade da roda, a aceleração da circunferência da roda (B), a atividade do sistema (C) e a pressão do freio (D).
O gráfico também está dividido em 9 períodos de tempo. Uma mudança é visível em cada período porque o sistema é ajustado. O período de tempo é de aproximadamente 20 milissegundos no total e é dividido em 9 partes desiguais. Abaixo do gráfico está a explicação das linhas.

A: A linha preta é a velocidade do veículo, a linha verde é a velocidade da roda e a linha vermelha é a velocidade de referência. A velocidade do veículo diminui (período 1), mas a velocidade da roda diminui muito mais rapidamente. A linha de referência vermelha é cortada. Quando a linha verde termina abaixo da linha vermelha (do período 2), pode ocorrer patinagem da roda. O ABS irá, portanto, intervir.

B: A linha indica a aceleração da circunferência da roda. Um exemplo: girando a roda e desacelerando lentamente, a linha em B permanece próxima da linha zero. Agora girando o volante na mesma velocidade e freando com mais força, a linha se estenderá ainda mais para baixo. Isso também acontece quando você o atualiza; girando o volante muito rapidamente de 0 a 10 km/h, a linha aumentará ainda mais se você levar 5 segundos para girar o volante de 0 a 10 km/h. Resumindo, esta é a aceleração da circunferência da roda.

C: Esta linha indica onde a pressão no sistema está estabilizada; o ABS está então em operação. Onde a linha em C estiver baixa (na linha zero) o sistema ABS não está em operação. No período 7, o ABS é controlado de forma pulsante, para que a velocidade da roda não diminua muito rapidamente.

D: Esta linha indica a pressão de frenagem. A pressão do freio aumenta até que a linha verde de velocidade da roda (A) cruze a linha de referência vermelha. O ABS entra em funcionamento (C) e garante que a aceleração do perímetro da roda não fique muito baixa. A aceleração da circunferência da roda está na linha zero no período 4; exatamente o momento em que a velocidade da roda em (A) passa de negativa para positiva. A pressão é mantida constante nesse momento. No período 7 o controle pulsante é claramente visível. A pressão de travagem é agora aumentada cuidadosamente para que a roda não trave demasiado rapidamente.

Princípios de controle para evitar a divisão µ:
O ABS pode ser ajustado individualmente por roda usando esta informação. Os sensores de velocidade das rodas registram a velocidade de cada roda. Isto é necessário porque em todas as situações o coeficiente de atrito máximo alcançável deve ser ponderado em relação à dirigibilidade do veículo. Quando o veículo circula com as rodas esquerdas em asfalto seco e com as rodas direitas no acostamento e os freios são acionados com força total de frenagem, o veículo fica fora de controle e gira em torno de seu eixo. A diferença na força de frenagem entre as rodas no asfalto e no gelo provoca um momento de guinada que provoca um desvio do curso. Esta situação é chamada de situação µ-split. O µ é pronunciado como “mu”. Para evitar este cenário, são aplicados vários princípios de controlo:

O controle individual (IR): a pressão do freio é ajustada para o coeficiente de atrito máximo de cada roda. Isto pode causar grandes momentos de guinada, mas as forças de frenagem máximas são alcançadas.
O select-low control (SL): a roda com o coeficiente de atrito mais baixo determina a pressão de travagem da outra roda. A força de frenagem máxima alcançável não é usada, mas o momento de guinada é baixo.
O select-high control (SH): a roda com o coeficiente de atrito mais elevado determina a pressão de travagem da outra roda. O esquema select-high é usado apenas para esquemas ASR.
O controle select-smart ou modificador: durante a frenagem, o controle muda de select-low para controle individual. Isto permite alcançar um compromisso entre os momentos de guinada e as forças máximas de travagem. Este esquema é frequentemente aplicado a veículos comerciais.

Normalmente, o sistema de travagem de um automóvel de passageiros é separado diagonalmente (cruzado à esquerda). Um exemplo disso é mostrado na imagem abaixo. Isto mostra o sistema de travagem vermelho para a dianteira esquerda e traseira direita e o sistema de travagem azul para a dianteira direita e traseira esquerda.

Os freios das rodas dianteiras são controlados com controle individual (IR). A pressão de frenagem de uma roda dianteira é ajustada para o coeficiente de atrito máximo da outra roda dianteira. Durante uma parada de emergência, as rodas dianteiras procurarão individualmente a força de frenagem máxima alcançável.
Os freios das rodas traseiras são controlados de acordo com o princípio select low (SL). A pressão de travagem ajustada da roda traseira com o menor coeficiente de atrito determina a pressão de travagem da outra roda traseira. O torque de frenagem de ambas as rodas traseiras permanecerá o mesmo.

Medidas de um veículo com e sem ABS:
Para se ter uma boa ideia da influência do sistema ABS em um veículo, esta seção mostra dois gráficos de medidas que demonstram a diferença entre um veículo de frenagem sem e com ABS.

Velocidade do veículo em relação à velocidade da roda sem ABS:
O gráfico à direita mostra a velocidade do veículo em comparação com a velocidade da roda.
A partir de t = 0 segundo a velocidade do veículo é de 15 metros por segundo. Nesse momento o pedal do freio é pressionado ao máximo. A velocidade do veículo diminui linearmente até 0 m/s entre
t = 2,75 e 3,00 segundos. A velocidade da roda cai completamente para 0,5 m/s entre t = 1,0 e 0 segundos. Isso significa que a roda já tem velocidade de 0 m/s, portanto fica parada, enquanto o veículo ainda está em movimento. Nesse momento uma roda está bloqueada. A roda desliza na superfície da estrada enquanto o veículo ainda não está parado. Nesta situação o ABS não está em funcionamento.

Velocidade do veículo em relação à velocidade da roda com ABS:
No gráfico à direita, a linha azul é a mesma; a uma velocidade do veículo de 15 m/s, a frenagem máxima é aplicada a 0 m/s. Isso acontece novamente em um período de 3 segundos. Agora que o ABS está em operação, a linha vermelha em t = 0,3 segundos não cai para 0 m/s, mas a velocidade da roda aumenta novamente. Isso pode ser visto na linha vermelha que primeiro desce e sobe novamente pouco antes de t = 0,5 segundos. A pressão de travagem é reduzida pelo ABS a uma velocidade de 7,5 m/s. A velocidade das outras rodas é igual à velocidade do veículo e, portanto, à linha azul. O sensor ABS da roda dianteira esquerda registra a desaceleração. O computador ABS reconhece a diferença de velocidade, fazendo com que intervenha. A pressão de frenagem é reduzida com a unidade hidráulica até que as linhas azul e vermelha voltem a ser iguais. Nesse momento, a pressão do freio é novamente mantida constante. Até que o veículo pare, o ABS continua a controlar a velocidade da roda deslizante.

A pressão no cilindro mestre do freio em comparação com o cilindro do freio da roda sem ABS:
A força exercida no pedal do freio é convertida em pressão de freio no cilindro mestre do freio por meio do deslocamento do fluido. Esta pressão de frenagem é mostrada no gráfico abaixo com a linha azul.
Independentemente de a roda patinar ou não, a pressão do freio no cilindro do freio da roda (linha vermelha) permanece a mesma que a pressão no cilindro mestre do freio. Então esta é a situação sem ABS.

A pressão no cilindro mestre do freio em comparação com o cilindro do freio da roda com ABS:
Na situação em que o ABS entra em funcionamento, as pressões no cilindro mestre do freio e no cilindro do freio da roda não são mais iguais. A pressão no cilindro mestre do freio permanece alta porque o motorista mantém o pedal do freio pressionado. No gráfico a linha vermelha diminui em t = 0,3 segundo; aqui o ABS reduz a pressão de frenagem. A redução na pressão do freio faz com que a roda role novamente. A partir de t = 0,4 segundos, a pressão de frenagem é novamente aumentada gradativamente até que a velocidade da roda seja a mesma das demais rodas. Este é o caso em t = 2,35 segundos.