Sistema de Frenos 2

Especialidad Mecánica Automotriz
Profesor: Sr. Carlos Villalobos M.
Curso o Nivel: 4º
Sistema de Frenos 2
Especialidad Mecánica Automotriz
Profesor: Sr. Carlos Villalobos M.
Curso o Nivel: 4º
Índice
Pagina
Servo freno de vacío ABS de doble etapa
5
Ventajas del ABS
7
Fuerza de los neumáticos y fuerza de frenos
8
Frenado, fuerza lateral y deslizamiento del neumático
10
Coeficiente de fricción y deslizamiento
12
Lazo de control ABS
14
Control de frenado en superficie de alta tracción
16
Control de frenado en superficie de baja tracción
18
ABS HECU, entradas y salidas
20
Señal del interruptor de luz de freno
21
Sensor inductivo de velocidad de la rueda
22
Sensor activo de velocidad de la rueda
23
Sensor G
25
Señales 4WD
27
Relé del motor
28
Relé del motor dentro del ABSCM
29
Bloque de válvulas hidráulicas
30
Circuito hidráulico
32
Circuito hidráulico, frenado normal
33
Modulación del ABS, retención y modo de descarga y aumento
34
Control de Selección Baja para las ruedas traseras
37
Distribución electrónica de fuerza de frenado (EBD)
39
Señal de salida de velocidad
41
Luz de advertencia ABS/EBD, generalidades
42
Control de luz de advertencia ABS/EBD con relé
43
Control de luz de advertencia ABS/EBD sin relé
44
Control de luz de advertencia ABS/EBD con filtro de bajo paso
45
Menú de diagnóstico del HI-SCAN Pro
46
Versiones de sistemas de control de tracción
47
Función general del TCS
49
Función general del TCS a baja velocidad
50
Lógica de detección por sobre calentamiento del disco de freno
52
Entradas y salidas
53
MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE TRANSMISION Y FRENADO
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Señales del interruptor de luz de freno
54
Interruptor y luz de advertencia del TCS
55
Luz de funcionamiento del TCS
56
Bloque hidráulico de válvulas
57
Revisión del circuito hidráulico
59
Circuito hidráulico (frenado normal)
60
Fase 1, aumento de presión
61
Fase 2, retención de presión
62
Fase 3, reducción de presión
63
Construcción del BTCS Bosch 5.3
64
Circuito hidráulico Bosch 5.3 (sin aplicar el freno)
65
Fase 1, producción de presión (pulso de llenado)
66
Fase 2, aumento de presión
67
Fase 3, reducción de presión
68
FTCS - Función a alta velocidad
69
FTCS - cálculo del torque del motor
70
FTCS - demanda de torque del motor
72
Menú de diagnóstico del Hi-SCAN Pro
73
Apéndice 74
Ventajas del ESP
75
Relación entre las fuerzas
76
Lazo de control ESP
78
Entradas y salidas
80
Sensor de relación de derrape y sensor G lateral
81
Sensor de ángulo de la dirección
84
Tipo AMR 85
Tipo foto interruptor
87
Sensor de presión
88
Señal deI interruptor de luz de freno
89
Interruptor y luz de advertencia ESP
90
Luz de funcionamiento del ESP
92
Bloque hidráulico de válvulas
93
Circuito hidráulico
95
Frenado normal
97
Frenado ABS, aumento de presión, modo de retención y descarga
98
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Evento TCS
99
Evento ESP
100
Menú de diagnóstico del Hi-SCAN Pro
101
Apéndice
102
Asistencia hidráulica de frenado
103
Control HBA
104
Esquema del sistema HBA
105
Principio de funcionamiento del HBA
106
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Servo Freno de Vacío de ABS de Doble Etapa
Algunos modelos ABS integran un servo freno de vacío de doble etapa.
Primero debe indicarse que el nombre doble etapa es un nombre erróneo. También el servo freno
de vacío de doble etapa es comúnmente llamado Sistema de Asistencia de Frenado (BAS) que de
hecho también es incorrecto. El diseño del sistema causa dos cambios inclinados en el área de
control de la curva característica (el ultimo quiebre es la tercera curva). Sin embargo, esto es una
ventaja, debido a que el tipo de curva suministra al cliente exactamente lo que el desea en una
emergencia, sensación progresiva del pedal. Como en el caso de los servos convencionales, la
relación de entrada/salida depende de la relación entre las áreas de superficies cargadas de la
relación del disco y la varilla de salida. La principal diferencia con el servo normal es que el área
efectiva de la relación del disco en un servo freno de doble etapa esta dividida en dos partes.
Esto afecta el cambio de área requerida durante la actuación. Cuando se carga a un punto dado
(aumento de tensión en el disco de reacción) el anillo exterior de la Manguito de doble etapa se
desplaza en forma relativa al área del núcleo del disco de relación. El inicio del movimiento relativo
esta determinado por la fuerza de precarga del resorte de doble acción. El primer quiebre ocurrirá a
alrededor de 35 a 40 bar del cilindro maestro. El segundo quiebre ocurre cuando el área de presión
externa se extiende dentro de un área anular externa del cuerpo de válvulas (área del servo) y
llega a ser virtualmente una parte interna del pistón de vacío. La relación actual nominal del servo
de doble etapa ahora tiene efecto. La curva característica permanece en esta relación de servo
arriba de la potencia de funcionamiento del quiebre de salida.
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La distancia entre estos dos quiebres esta determinada por la tolerancia del manguito (distancia
entre el disco de reacción y la manguito de doble etapa) y la relación del resorte de doble
proporción. Mientras menor sea la abertura y menor la relación del resorte, más cerca están los
dos puntos de quiebre. La descripción de arriba aplica a una prueba normal de curva de servo, con
una relación de producción de presión de 20+/-10 bar. Las propiedades peculiares de la curva de
doble etapa pueden desplegarse sólo de forma completa en esta actuación de velocidad. Sin
embargo, la ganancia en el desempeño facilitada por la función de doble etapa también es aplicada
durante la activación rápida. Esto significa que el servo de doble etapa siempre ofrece un mejor
desempeño o generación de presión que un servo normal a la misma velocidad de activación. Esto
se aplica igualmente para el hecho del retraso de la presión debido al aumento de activación rápida
con relación de amplificación incrementada. El tiempo de respuesta no esta afectado por la función
de doble etapa.
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Ventajas del ABS
El Sistema de Frenos con Antibloqueo (ABS) es un sistema de control que suministra a los
sistemas de frenos modernos la capacidad de manejar el efecto máximo de frenado del vehículo en
situaciones críticas, prescindiendo de las condiciones del camino. Las principales ventajas del ABS
son: No hay pérdida de la estabilidad direccional durante el frenado, Control de la dirección aún
durante frenados de emergencia, distancia posible de frenado más corta, reducción en el desgaste
de neumáticos.
Los sistemas ABS han sido desarrollados para suministrar un frenado óptimo sin perdida de
estabilidad direccional bajo una amplia variedad de condiciones. La distancia de detención de un
vehículo esta influenciada por una variedad de factores, incluyendo las condiciones del clima, la
superficie del camino, el transito predominante y la cantidad de presión de freno aplicada. Si las
ruedas delanteras se bloquean no es posible mantener la dirección del vehículo por mucho tiempo.
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Fuerzas de los Neumáticos y Fuerzas de Frenado
Todos los cuerpos sin movimiento tienden a permanecer en reposo; todos los cuerpos en
movimiento tienden a mantener su curso y velocidad. Es necesario generar y/o aplicar una fuerza
para modificar un estado en particular. Puede derivarse a un ejemplo del intento de frenar un
vehículo mientras se gira en una superficie de hielo lisa. El vehículo continuará deslizándose a lo
largo de su trayectoria original sin una disminución apreciable de velocidad y sin responder a los
intentos de corregir la dirección.
Fuerzas en el neumático
Las fuerzas en el neumático representan el único medio de inicio del movimiento deseado y
cambios de dirección. La fuerza del neumático esta constituida por los siguientes componentes
individuales:
Fuerza periférica (Fu):
La fuerza periférica FU es efectiva a nivel de la superficie del camino. Esto permite al conductor
aplicar al camino la aceleración y los frenos para acelerar y detener el vehículo.
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Fuerza normal (Fn):
La fuerza normal Fn es una función del peso del vehículo y su carga. Este componente es el peso
del vehículo actuando en un plano vertical sobre la superficie del camino. La extensión con la que
estas fuerzas pueden efectivamente afectar al vehículo dependen de la condición de la superficie
del camino, la condición de los neumáticos y el clima. La eficiencia con la que estas fuerzas son
transferidas al camino esta determinada por el coeficiente de fricción entre el neumático y la
superficie.
Fuerza de frenado
Entre el tambor/disco de freno y la pastilla de freno se genera una fuerza de fricción (FF). La fuerza
de fricción depende de:
- La presión aplicada
- El valor de fricción (material de la pastilla de freno)
- La construcción del sistema de freno (disco o tambor de freno)
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Frenado, Fuerza Lateral y Deslizamiento del Neumático
Fuerza de frenado y deslizamiento del neumático
La curva A muestra la fuerza de frenado como una función de deslizamiento. La fuerza de frenado
es equivalente al coeficiente de fricción entre el neumático y la superficie del camino. Cada
aplicación de fuerza de frenado suministra una aparición de cierto grado de deslizamiento. El
deslizamiento de una rueda girando libremente se expresa como 0% y el de una rueda bloqueada
como 100%. Cuando se aplica el freno primero con cero deslizamiento, la fuerza de frenado
aumenta abruptamente por lo que el grado de deslizamiento aumenta solo gradualmente hasta
cierto límite. Después de ese punto, la fuerza de frenado se reduce con el aumento del
deslizamiento.
Fuerza lateral y deslizamiento del neumático
La curva B muestra la fuerza lateral como una función de deslizamiento. La fuerza de frenado
máxima se alcanza a un punto conocido como el límite óptimo de deslizamiento. La sección de la
curva (B) entre cero deslizamiento y el límite óptimo de deslizamiento se llama la zona de frenado
estable (2), y la sección de la curva entre el límite óptimo de deslizamiento y 100% de
deslizamiento se llama la zona de frenado inestable (3), un frenado estable no puede conseguirse
dentro de esta zona. Esto es debido a que la rueda se bloquea rápidamente después de haber
alcanzado el límite óptimo de deslizamiento, a menos que se reduzca inmediatamente la fuerza de
frenado. También se produce deslizamiento cuando el neumático esta sobre lo que se llama una
transmisión de fuerza lateral, por ejemplo, al virar. La curva B muestra como la fuerza lateral
desaparece bruscamente con el aumento del deslizamiento. Con 100% de deslizamiento, es decir,
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cuando las ruedas están bloqueadas, no permanece fuerza lateral para dirigir y el conductor ya no
está en condición de controlar el vehículo.
Circulo de fricción
La relación entre la fuerza de fricción, la fuerza lateral, la fuerza de frenado y la fuerza de
conducción puede expresarse utilizando un círculo de fricción. El círculo de fricción asume que la
fuerza de fricción entre el neumático y la superficie del camino es idéntica en todas las direcciones.
Este puede utilizarse para visualizar la relación entre las fuerzas laterales, la fuerza de frenado y la
fuerza de dirección.
Ejemplos:
Se esta frenando el vehículo mientras conduce en línea recta: Toda la fuerza de fricción del
neumático esta actuando en dirección longitudinal para hacer que el vehículo se detenga.
Se esta virando a cierta velocidad: por ejemplo, mientras se vira a una velocidad fija, toda la fuerza
de fricción del vehículo esta actuando en dirección lateral para hacer que el vehículo gire.
Se esta frenando el vehículo mientras efectúa un viraje: Las fuerzas de fricción se dividirán entre el
movimiento lateral y longitudinal del vehículo. Si las fuerzas laterales exceden un cierto límite, el
vehículo comienza a perder frenado. Si las fuerzas longitudinales exceden cierto límite, la distancia
de detención será mayor.
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Coeficiente de Fricción y Deslizamiento
El área de cada neumático que esta constantemente en contacto con el camino se llama “parche
de contacto”. La fuerza de fricción generada en el parche de contacto suministra las fuerzas para
todos los movimientos del vehículo (aceleración, desaceleración, viraje).
Figura #1
La Figura #1 ilustra la relación física que define las maniobras de frenado con ABS, donde las
áreas en las que el ABS es operativo son identificadas por líneas sombreadas. El patrón de la
curva 1 (seco), 2 (húmedo) y 4 (hielo) muestran claramente que se consigue una menor distancia
de frenado con ABS que bajo frenados de emergencia con las ruedas bloqueadas (100% de
deslizamiento de frenado). En la curva 3 (nieve), una cuña de nieve aumenta el efecto de frenado a
las ruedas que están bloqueadas. Bajo estas condiciones los principales beneficios del ABS están
en las áreas de estabilidad del vehículo y control de la dirección.
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Figura #2
Adicionalmente a la fuerza de frenado y la fuerza de dirección que actúan sobre el parche de
contacto en la dirección que el neumático esta girando, también hay una fuerza lateral que actúa
sobre el neumático. La fuerza lateral es la fuerza básica que ocurre cuando el vehículo esta virando.
El parche de contacto del neumático se deforma en dirección lateral mientras esta en contacto con
la superficie del camino y vuelve a su perfil normal cuando abandona la superficie del camino. El
mirar el neumático desde arriba revela que la deformación lateral del parche de contacto con la
superficie del camino produce que la dirección de trayectoria del neumático es divergente con la
dirección que el neumático esta enfrentando. Esta divergencia se llama ángulo de deslizamiento.
Como lo muestran las curvas para los coeficientes de la fuerza de frenado y la fuerza lateral, el
rango de control ABS debe extenderse mas allá del ángulo de deslizamiento de frenado a=2°
cuando el ángulo de deslizamiento mayor a=10° es encontrado (esto es con alta fuerza lateral
debido a la alta relación de aceleración lateral del vehículo). Cuando la máxima fuerza de frenado
se aplica mientras el vehículo esta virando con alta relación de aceleración lateral, el ABS
reacciona combinando una rápida respuesta activa con (como en el ejemplo) un deslizamiento
inicial de frenado de 10%. A a=10° el coeficiente de fuerza inicial de frenado esta restringido a un
coeficiente de fuerza de frenado de 0.35, mientras que el coeficiente de fuerza lateral con 0.80
permanece cerca de su valor máximo. Como el vehículo continúa frenando en la curva, la relación
de deslizamiento permitida por el ABS aumenta en proporción inversa a la velocidad de viraje y
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aceleración lateral, el coeficiente menor de fuerza lateral que resulta de esta reducción en la
aceleración lateral esta acompañado por altos niveles de desaceleración. Entonces cuando los
frenos se aplican durante un viraje, las fuerzas de frenado aumentan tan
abruptamente que la
distancia total de frenado es sólo un poco mayor que lo que se consigue en una condición de
frenado lineal en condiciones que puedan ser comparables.
Lazo de Control ABS
El lazo de control ABS esta compuesto por:
Sistema controlado:
Vehículo con las ruedas frenadas, ruedas y fricción entre neumáticos y superficie del camino.
Factores de alteración:
Condiciones de la superficie del camino, condición del freno, carga del vehículo y neumáticos (por
ejemplo, profundidad del surco incorrecta, baja presión)
Controlador: Sensores de velocidad de las ruedas y Unidad de Control ABS
Variables controladas: Velocidad de las ruedas y los datos derivados de esto, como la
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desaceleración en la periferia de los neumáticos, aceleración periférica de la rueda y deslizamiento
del freno.
Referencia variable de entrada: Presión aplicada al pedal de freno (entrada de presión de freno del
conductor).
Variable manipulada: Presión de frenado.
Sistema controlado
El procesamiento de datos en la Unidad de Control ABS esta basado en el siguiente sistema de
control simplificado:
Una rueda no conducida; un cuarto de la masa total del vehículo asignada a esta rueda.
El freno de rueda; representando el acople de fricción entre el neumático y la superficie del camino.
Una curva teórica de coeficiente de fricción versus relación de deslizamiento; esta curva esta
dividida en un rango estable, caracterizado por elevaciones lineales y una sección estable con una
línea constante de respuesta.
Variables controladas
La selección de las variables adecuadas controladas es el mayor factor para determinar la
eficiencia del control ABS. La base esta provista por señales desde los sensores de velocidad de
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las ruedas que utiliza el ECU para calcular la aceleración y desaceleración periférica de las ruedas,
deslizamiento del freno, velocidad de referencia y desaceleración del vehículo, como el
deslizamiento de freno no puede medirse directamente, la ECU calcula una figura representativa.
Esta se basa en la velocidad de referencia y corresponde a la velocidad característica para
condiciones óptimas de frenado. La ECU determina esto, basado en el flujo constante de señales
de velocidad que se reciben desde los sensores de velocidad de las ruedas. Este selecciona una
“diagonal” (por ejemplo rueda delantera derecha y trasera izquierda) y usa esto como una base
para la velocidad de referencia. Bajo un frenado moderado la velocidad de referencia generalmente
se basa en la rueda diagonal que esta girando más rápido. Durante frenadas de emergencia con
control activo ABS la velocidad de las ruedas diverge desde la velocidad del vehículo y es
inadecuada para el cálculo de velocidad de referencia. Durante la fase de control, la ECU genera
esta velocidad basada en una extrapolación de la pendiente de la curva de velocidad en el inicio
del ciclo.
Control de Frenado en Superficie de Alta Tracción
Cuando se activa el proceso de control de frenado con el lazo cerrado de ABS en una superficie de
caminos de alta tracción (superficie con un alto coeficiente de fricción), con el fin de evitar la
resonancia en la suspensión y el tren de conducción, la elevación de presión subsecuente debe ser
prolongada en comparación con la fase inicial de frenado. Las curvas representan este estado, en
el que el control de frenado opera bajo condiciones de fuerza de frenado de alto coeficiente.
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Fase 1:
La desaceleración periférica de las ruedas se mueve más allá del umbral definido (desaceleración
de la rueda) al final de la fase 1 y la válvula solenoide cambia a su posición de “mantención de
presión”. Esto es aún al comienzo temprano de reducción de presión del freno, como el umbral de
desaceleración de la rueda puede excederse con el rango estable en la curva del
coeficiente/deslizamiento de la fuerza de frenado y la distancia de frenado evaluable podría ser
“sacrificada”. La velocidad de referencia se reduce al mismo tiempo de acuerdo con la inclinación
definida. La velocidad de referencia sirve como base para determinar el umbral de conmutación del
deslizamiento.
Fase 2:
Al final de la fase 2, la velocidad periférica de la rueda cae bajo el umbral de conmutación de
deslizamiento. La válvula solenoide reacciona cambiando a su posición de liberación de presión. La
presión de frenado entonces continúa disminuyendo hasta que la desaceleración periférica de la
rueda excede nuevamente el umbral.
Fase 3:
Al final de la tercera fase esta cae bajo el umbral de la desaceleración periférica de la rueda, esto
es seguido por una fase de retención de presión de duración definida. Durante esta fase, la
aceleración periférica de la rueda ha aumentado lo suficiente para exceder el umbral de
aceleración. La presión permanece constante.
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Fase 4-5:
Al final de la fase 4 la aceleración periférica de la rueda excede el umbral relativamente
pronunciado de aceleración. La presión de frenado entonces continúa aumentando por el tiempo
en que la aceleración permanece sobre el umbral de aceleración de la rueda.
Fase 6:
En la fase 6 se mantiene la presión constante en respuesta al hecho que el umbral de la
aceleración ha sido excedido. Este estado indica que la rueda ha entrado en el rango estable de la
curva de coeficiente/deslizamiento de frenado y es levemente sub frenada.
Fase 7:
Ahora se acumula presión en la fase 7, en un proceso que continua hasta que la desaceleración
periférica de la rueda nuevamente excede el umbral de desaceleración.
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Control de Frenado en Superficie de Baja Tracción
En contraste con los patrones de conducta en caminos con superficies de alta adherencia, en
camino resbaloso aún una ligera presión sobre el pedal de embrague es suficiente para inducir el
bloqueo de la rueda. Las ruedas también necesitan sustancialmente más tiempo para salir de un
periodo de alto deslizamiento y volver a acelerar. Los circuitos lógicos en la ECU reconocen las
condiciones actuales del camino y adaptan las características de respuesta del ABS de acuerdo
con estas.
Fase 1-2:
El proceso de control de frenado es el mismo que se aplica en las superficies de alta tracción (alto
agarre).
Fase 3:
Comienza con un breve periodo de retención de presión, seguido por una muy rápida comparación
entre la velocidad de la rueda y el umbral de conmutación del deslizamiento. La velocidad periférica
de las ruedas es menor que el valor para el umbral de conmutación de deslizamiento, de forma que
la presión de frenado se reduce por un corto periodo de tiempo definido. El próximo paso es una
segunda fase breve de retención de presión. El sistema entonces vuelve a comparar la velocidad
periférica y el umbral de conmutación de deslizamiento, que resulta en un periodo breve definido
de alivio de presión. En la fase de retención de presión subsiguiente, la rueda nuevamente acelera
hasta el punto donde su aceleración periférica excede el umbral para la aceleración de la rueda.
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Fase 4:
Esta inicia una nueva fase de retención de presión, que se extiende hasta que la velocidad
periférica cae bajo el umbral de aceleración de la rueda.
Fase 5:
La fase 5 se caracteriza por el aumento gradual de la presión similar a la sección anterior.
Fase 6:
Finalmente en la fase 6, la presión se libera para iniciar un nuevo ciclo de control.
En el ciclo descrito arriba, el control lógico reconoce que se necesitan dos operaciones
suplementarias de reducción de presión con el fin de re-acelerar la rueda siguiendo la reducción de
presión iniciada por la señal de desaceleración periférica de la rueda. La rueda permanece en el
rango de alto deslizamiento por un periodo relativamente extenso, con efectos negativos para la
estabilidad del vehículo y control de la dirección. Para mejorar estos dos factores, el sistema
monitorea y compara continuamente la velocidad periférica de las ruedas y el umbral de
conmutación de deslizamiento en este y en los siguientes ciclos de control. Consecuentemente, la
fase 6 se caracteriza por continuas reducciones de presión, la rueda consume sólo una pequeña
cantidad de tiempo en el rango de alto deslizamiento. El resultado final es mejorar la estabilidad y
la respuesta a la dirección en relación a las obtenidas en el primer ciclo de control.
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ABS HECU, Entradas y Salidas
Actualmente la Unidad de Control es una parte integral de la unidad ABS. Un sensor en cada rueda
envía una señal de velocidad de la rueda al Módulo de Control. Otras entradas a la ECU son por
ejemplo:

Interruptor de luz de freno

Sensor G (sólo en ciertos vehículos con 4WD)
El Módulo de Control recibe un suministro continuo de energía desde el circuito +30 y esta
diseñado para trabajar con voltaje entre 9 y 16V. Cuando la llave de encendido se gira a la posición
ON, el Módulo de Control se energiza y la luz de advertencia ABS se enciende como parte de la
prueba de funcionamiento. Si el sistema esta en orden, la luz se apaga después de 3 a 5 segundos.
Nota:
Antes de tocar el Módulo de Control siempre es apropiado conectarse uno mismo a tierra (por
ejemplo tocando el bloque del motor), también es necesario evitar tocar los pines del terminal.
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