Historia del ABS (I) » Tecnología del Automóvil

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Videos resumen Historia del ABS (I)

La frenada del automóvil, especialmente si es en caso de emergencia, es una de las situaciones que más riesgo representa.

En muchos casos es necesario, además de frenar a fondo, tratar de esquivar actuando sobre el volante, pero si las ruedas delanteras se han bloqueado, dejan de girar, no pueden inducir el cambio de dirección.

Si se bloquean las traseras se provoca pérdida de trayectoria con tendencia al sobreviraje.

La solución para recuperar la capacidad direccional es soltar el pedal de freno, pero entonces el coche avanza.

Habría que soltar el pedal y pisarlo repetidamente, cuanto más rápido mejor, pero en frenada de emergencia el conductor no va a dejar de frenar.

El concepto del sistema antibloqueo de frenos es que haga esto, pisar y soltar el pedal, o acciones equivalentes en los frenos, repetidamente mientras el conductor sigue pisando el pedal de freno.

En algunos artículos del blog sobre el ABS hemos comentado que estábamos pensando en dedicar uno a relacionar las evoluciones del ABS con la incorporación de más complementos, de forma didáctica, para asociar los nuevos controles que ha ido desarrollando el ABS según las tecnologías afectadas avanzaban, y este es el objetivo de este artículo de historia del ABS.

Para que sea más didáctico, hemos desarrollado una metodología que asocia cada evolución o sistema complementario añadido a una nueva función, que en muchos casos lleva nombre identificativo propio, aunque esté integrada en el ABS.

Comenzamos explicando el concepto de antibloqueo de frenos (ABS) y desarrollamos cómo lograrlo desde la tecnología más sencilla, para ir incorporando soluciones más elaboradas hasta llegar a la actual.

Para que no sea demasiado largo este artículo por todo lo que queremos explicar, le hemos dividido en dos partes, en la primera llegamos hasta donde es posible con tecnologías mecánicas y en el segundo ya se incorpora la electrónica.

Al final se indican otros artículos publicados en el blog relacionados, sin apoyos electrónicos a los frenos que se incluirán en la segunda parte.

Los orígenes del ABS provienen de los aviones para que puedan frenar lo máximo tras aterrizar sin que las ruedas lleguen a bloquearse, y este será el punto de partida.

Concepto de antibloqueo de ruedas en frenada (ABS)

La sustentación del avión por las alas le permite volar siempre que la velocidad sea suficiente para que el flujo laminar haga su efecto.

Si la velocidad disminuye la sustentación es menor y el avión desciende.

Pero el avión ha de despegar y posarse de nuevo en el suelo:

Al aterrizar un avión ha de reducir rápidamente su velocidad, pero ha de ser suficiente para que se pose suavemente sobre el piso y estén las ruedas ya en contacto con el suelo
Una vez con las ruedas ya girando en el piso se realizan tres acciones para reducir lo más posible su velocidad
Se posicionan los aerofrenos para generar freno aerodinámico
Se invierte la dirección del flujo de salida de los motores para que las turbinas frenen el avance
Se frenan las ruedas al pisar el suelo sin que lleguen a bloquearse, mediante el sistema antibloqueo de frenos ABS
El automóvil se desplaza con sus ruedas en contacto con el piso, y en las frenadas de emergencia es trascendental que no se bloqueen para que puedan obedecer a la dirección, si las ruedas se bloquean, dejan de girar, no es posible que sigan las indicaciones de volante
Aplicar el sistema de antibloqueo de frenos, ABS, al automóvil permite evitar el bloqueo de las ruedas al frenar manteniendo capacidad direccional, pero es complejo técnicamente y muy costoso en sus inicios

Las ventajas del ABS se apreciaban más en piso deslizante en las primeras implantaciones en el automóvil, con la evolución técnica sus cualidades se extienden a prácticamente todas las condiciones de marcha.

Implantación de frenos en el automóvil con cuatro discos y circuito hidráulico independiente en diagonal o “X”

Sobre este automóvil se va a implantar el sistema de frenos:

Pedal de freno; sobre el que aplica el conductor fuerza al frenar
Servofreno; recibe la fuerza de frenada desde el pedal y la multiplica. Lo hace por depresión o vacío, generada en el colector de admisión por la retención del motor o mediante una bomba de vacío movida por el motor
Bomba de frenos; recibe la fuerza de empuje multiplicada en el servofreno trasmitiéndola al líquido de frenos que hay en su interior
Depósito de líquido de frenos; mantiene llena la bomba de líquido que va descendiendo de nivel según se desgastan los elementos de fricción, pastillas en este coche
Circuito hidráulico independiente en diagonal “X”; la bomba de frenos está hidráulicamente dividida en dos partes, una envía líquido por un circuito a la rueda delantera derecha y trasera izquierda, y la otra a la rueda delantera izquierda y trasera derecha. No es doble circuito, es circuito o circuitos independientes
Regulador de frenada trasera; al frenar aumenta el peso y adherencia en las ruedas delanteras y disminuye en las traseras. Si la frenada es fuerte o el piso deslizante las ruedas traseras tienden a bloquearse perdiendo la trayectoria el automóvil por detrás, se produce sobreviraje difícil de corregir. Se evita con el regulador de frenada que limita la fuerza de frenada que llega a las ruedas traseras. Como estas ruedas reciben el líquido de frenos de circuitos hidráulicos independientes, ha de haber un regulador de frenada trasera para cada tramo
Pinzas y bombines; el circuito hidráulico llega a cada queda incidiendo en los bombines, en los que hay uno o más pistones que empujan a los elementos de frenada, pastillas en este coche
Pastillas; son elementos compuestos por un soporte metálico donde empuja el pistón o bombín, por el otro lado de la pastilla hay material de fricción que roza sobre los otros elementos de freno que giran con las ruedas, discos en esta implantación
Discos; al recibir la presión por sus dos lados de las pastillas van reduciendo su velocidad. Si la presión es muy alta los discos dejan de girar lo que implica el bloqueo de las ruedas, con la consiguiente incapacidad de mantener la direccionabilidad
Se ve el funcionamiento del sistema de frenos; al pisar el pedal de freno se transmite la fuerza al servofreno, que la multiplica al actuar sobre la bomba que recibe líquido desde el depósito, desde la bomba el líquido va por el circuito hidráulico a las pinzas, en cuyo interior los bombines o pistones comprimen las pastillas sobre los discos, frenando. Se aprecia que se encienden las luces de pare al frenar, suelen estar accionadas por el pedal de freno

Se va a utilizar la implantación de frenos de este automóvil para las demás explicaciones, cuatro discos y circuitos hidráulicos independientes en “X”, al ser lo más habitual.

Hay sistemas antibloqueo con otros tipos de circuitos hidráulicos y frenos de tambor en las ruedas traseras.

Esquema de los frenos del automóvil y propuesta de antibloqueo de ruedas en frenada

Se representan esquemáticamente los frenos de un lado del automóvil, con discos, bomba de frenos para circuitos independientes hasta las pinzas en cuyo interior están los bombines, pastillas y discos.

Se ve también el servofreno y pedal. La bomba recibe el líquido de frenos de un mismo depósito dividido en dos para cada uno de los circuitos independientes.

Las ruedas están sobre piso deslizante
El conductor frena
Para que las ruedas durante la frenada no se bloqueen …
… hay que cortar la llegada de líquido a los bombines de rueda …
… y si la tendencia al bloqueo es muy intensa ha de retornar el líquido de los bombines a la bomba …
… y todo esto estando pisado el pedal de freno
Estas acciones, dejar de frenar y soltar el pedal intermitentemente, no las puede hacer el conductor en frenada de emergencia
La tecnología para hacerlo es con algún sistema de antibloqueo de frenos
Se representan dos válvulas que pueden cortar el paso del líquido a los bombines de rueda, y hay genéricamente dos sistemas de controlar sus actuaciones
Mecánico “Stop Control System” SCS; las frecuencias de actuación de las válvulas por su control mecánico son limitadas
Electrónico “Antilock Brake System” ABS; al disponer de control electrónico las actuaciones son bastante más rápidas, con mayor frecuencia
Se incluye en el circuito hidráulico de la rueda de la derecha en la imagen, que se supone es la trasera, el regulador de frenada mecánico para limitar la presión de llegada de líquido y evitar que se bloquee esta rueda. Se podrá prescindir de este elemento cuando la frecuencia de actuación de las válvulas sea tan rápida que no se lleguen a producir mini bloqueos en las ruedas traseras que inducen alteraciones puntuales de trayectoria que alarman al conductor

Para que las ruedas puedan seguir la dirección al frenar es imprescindible que se mantengan girando sobre si mismas, a la menor velocidad posible, pero sin deslizar en exceso para lograr disminuir la velocidad. Si dejan de girar, se bloquean ya no son ruedas sino gomas que rozan sobre el suelo.

Concepto de antibloqueo mecánico de frenos Stop Control System SCS

Se ve una bomba de frenos doble con dos entradas de líquido de frenos desde el depósito, para circuitos hidráulicos independientes, también está el servofreno.

Estos circuitos llegan a las pinzas con bombines en un esquema de dos ruedas de un lado del coche, los bombines actúan sobre las pastillas y estas friccionan sobre los discos al frenar:

En cada uno de los circuitos hidráulicos se intercala una válvula de paso accionada por un vástago
Girando con las ruedas hay unas poleas de gran diámetro, y sobre estas hay otras poleas de bastante menor diámetro, que giran más rápido si se acoplan a las grandes
Los conjuntos de poleas, grandes y pequeñas, están acopladas por unas correas de arrastre
Concéntricas a las poleas pequeñas y girando en conjunto hay unas ruedas con cuatro masas de inercia, al girar estas masas pasan próximas a los vástagos de las válvulas de corte del circuito hidráulico
Se representa una rueda con las masas de inercia girando a velocidad constante, las masas están contraídas. En fase de brusca detención las masas de inercia se expanden durante la reducción de velocidad. En reposo o girando sin deceleraciones bruscas, las masas de inercias están contraídas por el efecto de un resorte, o una barra de torsión en el eje de giro sobre las ruedas. Ante detención brusca de la rueda la inercia de las masas vence la fuerza del resorte o barra de torsión expandiéndose

Circula el coche y las ruedas con las masas de inercia están contraídas
A continuación se frena progresivamente, las masas de inercia no se expanden al ser una detención suave no actuando sobre los vástagos de las válvulas
Si la frenada es intensa las ruedas tienden a pararse, lo que provoca fuertes inercias que hacen expandirse a las masas, cada vez que las masas inciden en los vástagos hacen que las válvulas corten el paso de líquido de frenos a las ruedas
Al girar de nuevo las ruedas las masas de inercia se contraen permitiendo el paso del líquido de frenos a los bombines
Si se produce otra vez tendencia al bloqueo actúan de la misma forma en secuencias intermitentes hasta la total detención del coche o dejar de frenar
Se ven dos posiciones estáticas de las masas de inercia; expandidas cerrando el paso de líquido, y contraídas no actuando sobre los vástagos de las válvulas que permanecen abiertas
Es este un sistema de antibloqueo mecánico de frenos Stop Control System SCS
Su frecuencia de actuación es bastante limitada, así como la eficacia pues aumenta la distancia de parada, aunque se cuente con cierta capacidad direccional. Se producen mini bloqueos de ruedas siendo necesario mantener el regulador mecánico de frenada para las ruedas traseras

El sistema de masas de inercia y válvulas de corte del líquido de frenos es bastante más complejo que el explicado didácticamente, pero el objetivo es resaltar que con accionamientos mecánicos e hidráulicos las posibilidades de control por velocidad de actuación son muy limitadas.

De hecho, esta tecnología del SCS tuvo muy poca aplicación real sobre automóviles por no compensar los inconvenientes a las ventajas.

Aplicación del Stop Control System SCS

En este automóvil se va a implantar el sistema antibloqueo mecánico de frenos SCS:

Pedal de freno, servofreno, bomba y depósito de líquido
Discos y pastillas

Poleas grandes y pequeñas con las correas de arrastre
Conjuntos hidráulicos de válvulas de paso con las ruedas y sus masas de inercia CHMI
Desde la bomba hay dos conductos hidráulicos a cada CHMI
Desde cada CHMI salen los conductos independientes en diagonal o “X” a los bombines de ruedas; rueda delantera derecha y trasera izquierda, y rueda delantera izquierda y trasera derecha
Se aprecia que cada circuito hidráulico independiente trasero tiene su regulador de frenada

“Stop Control System” Sistema mecánico de antibloqueo de frenos SCS:

Corta el paso de líquido al bloquearse las ruedas en frenada intensa
Frecuencia de actuación limitada
Se mantiene el regulador mecánico de frenada trasera, dos en circuitos independientes en diagonal “X”
No se produce retorno de líquido de frenos de los bombines a la bomba
Eficacia insuficiente y menos capacidad de frenada aunque aporta más direccionabilidad

El automóvil de la imagen es uno de los que tuvo este sistema implantado durante un corto periodo de tiempo como opción, ya se ha comentado con poco éxito por sus resultados.

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