Freno por cable

La tecnología de freno por cable en la industria automotriz es la capacidad de controlar los frenos a través de medios electrónicos, sin una conexión mecánica que transfiera fuerza al sistema de frenado físico desde un aparato de entrada del conductor, como un pedal o una palanca . ^[1]

Los tres tipos principales de sistemas de freno por cable son: los frenos de estacionamiento electrónicos que, desde principios del siglo XXI, se han vuelto más comunes; los frenos electrohidráulicos (EHB) que se pueden implementar junto con los frenos hidráulicos tradicionales y que a partir de 2020 han encontrado un uso a pequeña escala en la industria automotriz; y los frenos electromecánicos (EMB) que no utilizan fluido hidráulico, que a partir de 2020 aún no se han introducido con éxito en los vehículos de producción. ^[1]

Los sistemas de frenado electrohidráulicos controlan o aumentan la presión aplicada a las bombas hidráulicas a través del pedal de freno . La seguridad requiere que el sistema permanezca operativo en caso de falla de energía o falla de software o hardware electrónico. Tradicionalmente, esto se ha logrado mediante un enlace mecánico entre el pedal de freno y el cilindro maestro de freno. Con un enlace mecánico, el sistema de frenado aún funciona hidráulicamente a través del pedal, independientemente de si hay control eléctrico o no. ^[2] Los EHB se pueden implementar por cable, sin sistemas hidráulicos heredados ni conexiones mecánicas. En tal caso, se implementa redundancia operativa en caso de falla , lo que permite que el vehículo frene incluso si fallan algunos de los sistemas de freno. ^[1]

Los frenos electromecánicos ofrecen la ventaja de un volumen y un peso reducidos del sistema de frenado, un menor mantenimiento, una compatibilidad más sencilla con los sistemas de control de seguridad activa y la ausencia de líquido de frenos tóxico. Sus novedosos métodos de actuación, como los frenos de cuña, han impedido, a partir de 2020, su introducción con éxito en los vehículos de producción. ^[1]

Dado que los sistemas por cable no tienen conexiones mecánicas que proporcionen control manual sobre los frenos, requieren redundancia operacional en caso de falla, tal como se especifica en el nivel D de la norma ISO 26262. ^[3] Se requieren fuentes de alimentación, sensores y redes de comunicación redundantes . ^[1]

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Algunas tecnologías x-by-wire ya se han instalado en vehículos comerciales, como la dirección por cable y el acelerador por cable. La tecnología brake-by-wire se ha comercializado ampliamente con la introducción de vehículos eléctricos de batería y vehículos híbridos. La aplicación más utilizada por Toyota en el Prius de gran volumen fue precedida por el GM EV1, el Rav4 EV y otros vehículos eléctricos donde la tecnología es necesaria para el frenado regenerativo . Ford, General Motors y la mayoría de los demás fabricantes utilizan el mismo diseño general, con la excepción de Honda, que diseñó un diseño notablemente diferente.

El sistema de frenado por cable se utiliza en la mayoría de los vehículos híbridos y eléctricos fabricados desde 1998, incluidos todos los modelos eléctricos e híbridos de Toyota, Ford y General Motors. El Toyota Synergy Drive y el Rav4 EV utilizan un sistema en el que un actuador ABS (sistema de frenos antibloqueo) modificado se acopla a un cilindro maestro de freno hidráulico especial para crear un sistema hidráulico, acoplado a la unidad de control de frenos (computadora). El sistema de Ford es casi idéntico al sistema de Toyota, y el sistema de General Motors utiliza una nomenclatura diferente para los componentes, mientras que el funcionamiento es prácticamente idéntico.

La fuerza hidráulica generada al presionar el pedal del freno se utiliza únicamente como entrada de un sensor a la computadora, a menos que ocurra una falla catastrófica, incluida una pérdida de energía eléctrica de 12 voltios. El actuador del freno tiene una bomba eléctrica que proporciona la presión hidráulica para el sistema y válvulas para presurizar cada pinza de rueda para aplicar el freno de fricción cuando lo requiere el sistema.

El sistema incluye toda la complejidad de un sistema de control de estabilidad del vehículo (VSC), un sistema de frenos antibloqueo (ABS) y el requisito de utilizar el frenado regenerativo como modo principal para desacelerar el vehículo, a menos que el estado de carga de la batería de tracción (batería de alto voltaje) sea demasiado alto para aceptar energía adicional o el sistema detecte una parada de pánico o una situación de ABS.

Los sensores que se monitorean como entradas para el sistema de frenos incluyen los sensores de velocidad de las ruedas, el estado de carga de la batería de tracción, el sensor de guiñada, el sensor de recorrido del pedal de freno, el ángulo del volante, la presión del actuador hidráulico, las presiones hidráulicas de cada circuito de pinza de rueda y la posición del acelerador. También se monitorea otra información y entradas.

El funcionamiento estándar o típico es el siguiente:

1. El operador del vehículo presiona el pedal del freno.
2. El cilindro maestro convierte el movimiento del pedal del freno en presión hidráulica.
3. El sensor de carrera mide el movimiento del pedal para identificar una condición de "parada de pánico".
4. El transductor de presión proporciona la fuerza de frenado deseada.
5. La unidad de control de freno (computadora) detecta las entradas y luego verifica los sensores de velocidad de las ruedas para determinar la velocidad del vehículo y determinar si un bloqueo de las ruedas requiere el algoritmo ABS.
6. Luego, el sistema de control de frenos verifica el sensor de guiñada, el ángulo del volante y el estado de carga de la batería de tracción.
7. Si la velocidad del vehículo es superior a 11 km/h, el generador del motor de tracción del vehículo se utiliza como generador para convertir la energía cinética en energía eléctrica y almacena la energía en la batería. Esto hace que el vehículo disminuya su velocidad.
8. Si el operador (conductor) presiona el pedal del freno con más fuerza, el sistema aplicará frenos de fricción hidráulicos para aumentar la fuerza de frenado.
9. Una vez que la velocidad del vehículo cae por debajo de aproximadamente 7 MPH, el sistema de frenos hidráulicos tomará el control por completo, ya que el frenado regenerativo no funciona de manera efectiva.
10. Si el sensor de guiñada detecta una guiñada del vehículo, el sistema iniciará algoritmos y procesos de estabilidad del vehículo (VSC).
11. Si los sensores de velocidad de la rueda detectan un bloqueo de la rueda, el sistema iniciará el algoritmo antibloqueo (ABS).

El sistema de frenado electrónico ( EBS ) se utiliza en vehículos comerciales pesados ​​y se utiliza para activar electrónicamente todos los componentes del sistema de frenado, incluidos el retardador y el freno motor . El EBS también es compatible con remolques y se comunica entre el vehículo tractor y el remolque mediante el protocolo ISO 11992. La comunicación entre el remolque y el vehículo tractor se realizará a través de un conector específico dedicado al ABS/EBS que cumpla con la norma ISO 7638-1 para sistemas de 24 V o ISO 7638-2 para sistemas de 12 V.

El EBS todavía depende de aire comprimido para frenar y solo controla el aire a través de válvulas, lo que significa que no depende de voltajes más altos utilizados por los sistemas de freno electromecánicos o electrohidráulicos, donde también se utiliza energía eléctrica para aplicar la presión de freno.

El sistema EBS mejora la precisión de frenado en comparación con el sistema de frenado convencional, lo que acorta la distancia de frenado. La alternativa del sistema EBS en caso de fallo es utilizar la presión de control del freno de aire convencional, de modo que incluso en caso de fallo de la electrónica, el vehículo pueda detenerse de forma segura.

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La arquitectura general de un sistema de frenado electromecánico (EMB) en un automóvil con sistema de conducción por cable se muestra en la figura 1. El sistema consta principalmente de cinco tipos de elementos:

1. Procesadores que incluyen una unidad de control electrónico (ECU) y otros procesadores locales
2. Memoria (principalmente integrada en la ECU)
3. Sensores
4. Actuadores
5. Red(es) de comunicación.

Una vez que el conductor introduce un comando de freno al sistema a través de una interfaz hombre-máquina (HMI, por ejemplo, el pedal de freno ), la ECU genera cuatro comandos de freno independientes en función de funciones de freno de alto nivel, como el sistema de frenos antibloqueo (ABS) o el control de estabilidad del vehículo (VSC). Estas señales de comando se envían a las cuatro pinzas eléctricas (e-calipers) a través de una red de comunicación. Como es posible que esta red no pueda comunicarse correctamente con las pinzas eléctricas debido a fallas de red, los datos sensoriales de la HMI también se transmiten directamente a cada pinza eléctrica a través de un bus de datos independiente .

En cada pinza electrónica, un controlador utiliza el comando de freno (recibido de la ECU) como entrada de referencia. El controlador proporciona comandos de control de accionamiento para un módulo de control de potencia. Este módulo controla corrientes de accionamiento trifásicas para el actuador de freno, que es un motor de CC de imán permanente , alimentado por fuentes de 42 V. Además de rastrear su comando de freno de referencia, el controlador de la pinza también controla la posición y la velocidad del actuador de freno. Por lo tanto, se requieren dos sensores para medir la posición y la velocidad del actuador en cada pinza electrónica. Debido a la naturaleza crítica de la seguridad de la aplicación, incluso la falta de un número limitado de muestras de estos datos sensoriales debe compensarse.

Un sistema de freno por cable es, por naturaleza, un sistema crítico para la seguridad y, por lo tanto, la tolerancia a fallas es una característica de vital importancia de este sistema. Como resultado, un sistema de freno por cable está diseñado de tal manera que gran parte de su información esencial se derivaría de una variedad de fuentes ( sensores ) y sería manejada por más hardware que el estrictamente necesario. Por lo general, existen tres tipos principales de redundancia en un sistema de freno por cable:

1. Sensores redundantes en componentes críticos para la seguridad, como el pedal del freno .
2. Copias redundantes de algunas señales que son de particular importancia para la seguridad, como las mediciones de desplazamiento y fuerza del pedal de freno, copiadas por varios procesadores en la unidad de interfaz del pedal.
3. Hardware redundante para realizar tareas de procesamiento importantes, como múltiples procesadores para la ECU en la Fig. 1.

Para utilizar la redundancia existente, es necesario evaluar, modificar y adoptar algoritmos de votación para cumplir con los estrictos requisitos de un sistema de freno por cable. La confiabilidad , la tolerancia a fallas y la precisión son los principales resultados esperados de las técnicas de votación que se deben desarrollar especialmente para la resolución de redundancia dentro de un sistema de freno por cable.

Ejemplo de solución para este problema: Un votante difuso desarrollado para fusionar la información proporcionada por tres sensores ideados en un diseño de pedal de freno.

En un vehículo con sistema de frenado por cable, algunos sensores son componentes críticos para la seguridad y su fallo puede alterar el funcionamiento del vehículo y poner en peligro la vida de las personas. Dos ejemplos son los sensores del pedal de freno y los sensores de velocidad de las ruedas . La unidad de control electrónico debe estar siempre informada de las intenciones del conductor de frenar o detener el vehículo. Por lo tanto, la falta de datos de los sensores del pedal supone un grave problema para el funcionamiento del sistema de control del vehículo.

En los sistemas actuales de freno por cable utilizados en vehículos de pasajeros y camionetas livianas, el sistema está diseñado para utilizar sensores existentes que han demostrado ser confiables en los componentes y sistemas del sistema de frenos, incluidos los sistemas ABS y VSC.

Se ha demostrado que el mayor riesgo potencial de fallo del sistema de frenos es el software del sistema de control de frenos. Se han producido fallos recurrentes en más de 200 casos documentados en documentos de la NTSB. Debido a que cada fabricante protege la confidencialidad del diseño y el software de su sistema, no existe una validación independiente de los sistemas.

A partir de 2016, la NTSB no ha investigado directamente los accidentes con sistemas de frenos por cable en automóviles de pasajeros y camiones ligeros, y los fabricantes han adoptado la postura de que sus vehículos son completamente seguros y que todos los accidentes denunciados son el resultado de un "error del conductor".

Los datos de velocidad de las ruedas también son vitales en un sistema de frenado por cable para evitar derrapes. El diseño de un automóvil con frenado por cable debe proporcionar salvaguardas contra la pérdida de algunas de las muestras de datos proporcionadas por los sensores críticos para la seguridad . Las soluciones populares son proporcionar sensores redundantes y aplicar un mecanismo de seguridad . Además de una pérdida completa del sensor, la unidad de control electrónico también puede sufrir una pérdida de datos intermitente (temporal). Por ejemplo, los datos del sensor a veces pueden no llegar a la unidad de control electrónico . Esto puede suceder debido a un problema temporal con el propio sensor o con la ruta de transmisión de datos. También puede ser el resultado de un cortocircuito o desconexión instantáneos, una falla en la red de comunicación o un aumento repentino del ruido. En tales casos, para un funcionamiento seguro, el sistema debe compensarse por las muestras de datos faltantes.

Ejemplo de solución para este problema: Compensación de datos faltantes mediante un filtro predictivo.

El controlador de la pinza controla la posición y la velocidad del actuador del freno (además de su tarea principal, que es el seguimiento de su comando de freno de referencia). Por lo tanto, los sensores de posición y velocidad son de vital importancia en cada pinza electrónica y se requiere un diseño eficiente de un mecanismo de medición para detectar la posición y la velocidad del actuador. Los diseños recientes para sistemas de freno por cable utilizan resolvers para proporcionar mediciones precisas y continuas tanto de la posición absoluta como de la velocidad del rotor de los actuadores. Los codificadores incrementales son sensores de posición relativa y su error aditivo debe calibrarse o compensarse mediante diferentes métodos. A diferencia de los codificadores, los resolvers proporcionan dos señales de salida que siempre permiten la detección de la posición angular absoluta. Además, suprimen el ruido de modo común y son especialmente útiles en un entorno ruidoso. Debido a estas razones, los resolvers se aplican generalmente para el propósito de la medición de la posición y la velocidad en sistemas de freno por cable. Sin embargo, se requieren observadores no lineales y robustos para extraer estimaciones precisas de la posición y la velocidad a partir de las señales sinusoidales proporcionadas por los resolvers.

Ejemplo de una solución para este problema: un esquema de conversión híbrido de resolver a digital con estabilidad robusta garantizada y calibración automática de los resolvers utilizados en un sistema EMB.

Un sensor de fuerza de sujeción es un componente relativamente caro en una pinza EMB. El costo se deriva de su alto valor unitario por parte de un proveedor, así como de los marcados gastos de producción debido a su inclusión. Esto último emana de los complejos procedimientos de ensamblaje que tratan con pequeñas tolerancias, así como de la calibración en línea para la variabilidad del rendimiento de un sensor de fuerza de sujeción a otro. El uso exitoso de un sensor de fuerza de sujeción en un sistema EMB plantea una tarea de ingeniería desafiante. Si un sensor de fuerza de sujeción se coloca cerca de una pastilla de freno , entonces estará sujeto a condiciones de temperatura severas que alcanzan hasta 800 Celsius que pondrán a prueba su integridad mecánica. También se deben compensar las desviaciones de temperatura. Esta situación se puede evitar incorporando un sensor de fuerza de sujeción en lo profundo de la pinza . Sin embargo, la incorporación de este sensor conduce a una histéresis que se ve influenciada por la fricción entre el sensor de fuerza de sujeción y el punto de contacto de una pastilla interna con el rotor. Esta histéresis impide que se mida una verdadera fuerza de sujeción. Debido a los problemas de costo y los desafíos de ingeniería involucrados con la inclusión del sensor de fuerza de sujeción, podría ser deseable eliminar este componente del sistema EMB. Una oportunidad potencial para lograr esto se presenta en la estimación precisa de la fuerza de sujeción basada en mediciones sensoriales del sistema EMB alternativo que conducen a la omisión de un sensor de fuerza de sujeción.

Ejemplo de una solución para este problema: Estimación de la fuerza de sujeción a partir de la posición del actuador y mediciones de corriente utilizando la fusión de datos del sensor .

El freno por cable es ahora un concepto maduro en su aplicación a los frenos de estacionamiento de vehículos . El freno de estacionamiento electrónico (EPB) fue introducido a principios de la década de 2000 por BMW y Audi en sus modelos de gama alta (la Serie 7 y el A8 respectivamente) para prescindir del sistema tradicional operado por cable (operado mediante una palanca entre los asientos o mediante un pedal) que actuaba comúnmente sobre las ruedas traseras de un automóvil. Los EPB, sin embargo, utilizan un mecanismo motorizado integrado en la pinza del freno de disco trasero y se señaliza a través de un interruptor en la consola central o el tablero. El freno de estacionamiento eléctrico normalmente está integrado con los demás sistemas del vehículo a través de una red de bus CAN y puede proporcionar funciones adicionales como:

• Liberación automática del freno de estacionamiento al iniciar la marcha
• Activación automática del freno de estacionamiento cuando el vehículo se detiene en una pendiente: se denomina "Hold Assist"

Los sistemas EPB permiten avances en el empaquetado y la fabricación, ya que permiten tener una consola central despejada en ausencia de la tradicional palanca del freno de mano (muchos fabricantes han aprovechado el espacio liberado para colocar los controles de sus sistemas de infoentretenimiento ), además de reducir la complejidad de fabricación ya que elimina la necesidad de pasar cables Bowden por debajo del vehículo.

El EPB se ha ido filtrando gradualmente a los vehículos más económicos; por ejemplo, dentro del Grupo Volkswagen , el EPB pasó a ser un equipamiento estándar en el Passat (B6) 2006 , mientras que Opel lo introdujo en el Insignia 2008 .

• Freno regenerativo
• Conducción por cable
• Vuelo por cable