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: frenos de estacionamiento electrónicos que, desde principios del siglo XXI, se han vuelto más comunes; frenos electrohidráulicos (EHB), que se pueden implementar junto con los frenos hidráulicos heredados y que, a partir de 2020, han encontrado un uso a pequeña escala en la industria automotriz; y frenos electromecánicos (EMB) que no utilizan líquido hidráulico, que hasta 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 del freno . La seguridad requiere que el sistema permanezca operativo en caso de falla de energía o una falla electrónica de software o hardware. Tradicionalmente, esto se ha logrado mediante un enlace mecánico entre el pedal del freno y el cilindro maestro del freno. Con un varillaje mecánico, el sistema de frenado sigue funcionando hidráulicamente a través del pedal, esté o no presente el control eléctrico. [2] Los EHB se pueden implementar por cable, sin sistemas hidráulicos ni conexiones mecánicas heredados. En tal caso, se implementa redundancia operativa de fallas , lo que permite que el vehículo frene incluso si falla alguno de los sistemas de frenos. [1]
Los frenos electromecánicos ofrecen la ventaja de un volumen y peso reducidos del sistema de frenos, menos mantenimiento, una compatibilidad más fácil con los sistemas de control de seguridad activos y ausencia de líquido de frenos tóxico. Sus novedosos métodos de accionamiento, como los frenos de cuña, han impedido que, a partir de 2020, se introduzcan con éxito en los vehículos de producción. [1]
Dado que los sistemas by-wire no tienen enlaces mecánicos que proporcionen control manual sobre los frenos, requieren redundancia operativa en caso de falla como lo especifica la norma ISO 26262 nivel D. [3] Se requieren fuentes de alimentación, sensores y redes de comunicación redundantes. [1]
Algunas tecnologías x-by-wire ya se han instalado en vehículos comerciales, como la dirección por cable y el acelerador por cable. La tecnología de freno por cable 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 en los que se requiere tecnología 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 freno por cable se utiliza en la mayoría de los vehículos híbridos y eléctricos producidos desde 1998, incluidos todos los modelos híbridos y eléctricos 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 con un cilindro maestro de freno hidráulico especial para crear un sistema hidráulico, acoplado con 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 usa solo como entrada de sensor a la computadora a menos que ocurra una falla catastrófica que incluya una pérdida de energía eléctrica de 12 voltios. El actuador de 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 requiera 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 de regeneración como modo principal para reducir la velocidad del vehículo, a menos que la batería de tracción (batería de alto voltaje) El estado de carga es demasiado alto para aceptar la energía adicional o el sistema detecta una parada de pánico o una situación de ABS.
Los sensores monitoreados como entradas para el sistema de frenos incluyen sensores de velocidad de las ruedas, estado de carga de la batería de tracción, sensor de guiñada, sensor de carrera del pedal de freno, ángulo del volante, presión del actuador hidráulico, presiones hidráulicas de cada circuito de pinza de rueda y posición del acelerador. También se supervisan otras informaciones y aportaciones.
El funcionamiento estándar o típico es el siguiente:
El freno por cable existe en vehículos comerciales pesados con el nombre de Sistema de frenado electrónico ( EBS ). Este sistema proporciona activación electrónica de todos los componentes del sistema de frenos, incluido el retardador y el freno del motor . EBS también admite 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 a ABS/EBS siguiendo la norma ISO 7638-1 para sistemas de 24 V o ISO 7638-2 para sistemas de 12 V.
EBS todavía depende del 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 frenos electromecánicos o electrohidráulicos, donde también se utiliza energía eléctrica para aplicar la presión de frenado.
El EBS mejora la precisión de la frenada respecto a la frenada convencional, lo que acorta la distancia de frenado. El respaldo de un sistema EBS en caso de falla es utilizar la presión normal de control del freno de aire, por lo que incluso en caso de falla de la electrónica, el vehículo podrá detenerse de manera segura.
En la figura 1 se muestra la arquitectura general de un sistema de frenado electromecánico (EMB) en un automóvil con transmisión por cable. El sistema comprende principalmente cinco tipos de elementos:
Una vez que el conductor ingresa un comando de freno al sistema a través de una interfaz hombre-máquina (HMI) (por ejemplo, el pedal del freno ), la ECU genera cuatro comandos de freno independientes basados en funciones de freno de alto nivel, como el sistema de frenos antibloqueo (ABS). o 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 en la red, los datos sensoriales de HMI también se transmiten directamente a cada pinza eléctrica a través de un bus de datos separado .
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 del variador para un módulo de control de potencia. Este módulo controla las corrientes de accionamiento trifásicas para el actuador del freno, que es un motor de CC de imán permanente , energizado 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 del freno. Por lo tanto, se necesitan dos sensores para medir la posición y la velocidad del actuador en cada pinza eléctrica. Debido a la naturaleza crítica de 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, por naturaleza, es 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 mucha de su información esencial se derivaría de una variedad de fuentes ( sensores ) y sería manejada por algo más que el hardware necesario. Generalmente existen tres tipos principales de redundancia en un sistema de freno por cable:
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 de las técnicas de votación que deben desarrollarse 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 automóvil con freno por cable, algunos sensores son componentes críticos para la seguridad y su falla alterará el funcionamiento del vehículo y pondrá en peligro vidas humanas. Dos ejemplos son los sensores del pedal de freno y los sensores de velocidad de las ruedas . La unidad de control electrónico siempre debe estar informada de las intenciones del conductor de frenar o detener el vehículo. Por lo tanto, perder los datos del sensor del pedal es un problema grave para la funcionalidad del sistema de control del vehículo.
En los sistemas de freno por cable actuales utilizados en vehículos de pasajeros y camiones ligeros, el sistema está diseñado para utilizar sensores existentes que han demostrado ser confiables en componentes y sistemas del sistema de frenos, incluidos los sistemas ABS y VSC.
Se ha demostrado que el mayor riesgo potencial de falla 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 de vehículos con freno por cable de turismos y camiones ligeros, y los fabricantes han adoptado la posición de que sus vehículos son completamente seguros y que todos los accidentes reportados son el resultado de un "error del conductor".
Los datos de velocidad de las ruedas también son vitales en un sistema de freno por cable para evitar derrapes. El diseño de un automóvil con freno por cable debería brindar protección 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 a prueba de fallos . Además de una pérdida total del sensor, la unidad de control electrónico también puede sufrir una pérdida de datos intermitente (temporal). Por ejemplo, es posible que en ocasiones los datos de los sensores no lleguen a la unidad de control electrónico . Esto puede deberse a un problema temporal con el propio sensor o con la ruta de transmisión de datos. También puede deberse a un cortocircuito o una desconexión instantánea, un fallo en la red de comunicaciones 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, se requieren de vital importancia sensores de posición y velocidad en cada pinza eléctrica y se requiere un diseño eficiente de un mecanismo de medición para detectar la posición y la velocidad del actuador. Los diseños recientes de sistemas de freno por cable utilizan resolutores 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 resolutores 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. Por estas razones, los resolutores se suelen utilizar para medir 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 posición y velocidad a partir de las señales sinusoidales proporcionadas por los resolutores.
Ejemplo de una solución para este problema: un esquema híbrido de conversión de resolutor a digital con estabilidad robusta garantizada y calibración automática de los resolutores 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 por su inclusión. Esto último surge de los complejos procedimientos de montaje que se ocupan de 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 se coloca un sensor de fuerza de sujeción cerca de una pastilla de freno , se someterá a condiciones severas de temperatura que alcanzarán hasta 800 grados Celsius y pondrán a prueba su integridad mecánica. También se deben compensar las variaciones 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 produce una histéresis que está influenciada por la fricción entre el sensor de fuerza de sujeción y el punto de contacto de una pastilla interior con el rotor. Esta histéresis impide medir una fuerza de sujeción real. Debido a los problemas de costos 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 alternativas del sistema EMB que conducen a la omisión de un sensor de fuerza de sujeción.
Ejemplo de solución para este problema: estimación de la fuerza de sujeción a partir de la posición del actuador y mediciones de corriente mediante 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 los años 2000 por BMW y Audi en sus modelos tope de gama (el Serie 7 y el A8 respectivamente) para prescindir del tradicional sistema accionado por cable (accionable mediante una palanca entre los asientos o mediante un pedal). pedal) que comúnmente actuaba 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 indica mediante un interruptor en la consola central o el tablero. El freno de estacionamiento eléctrico normalmente está integrado con otros sistemas del vehículo a través de una red de bus CAN y puede proporcionar funciones adicionales como:
Los sistemas EPB permiten avances en embalaje y fabricación, ya que permiten una consola central despejada en ausencia de la tradicional palanca del freno de mano (muchos fabricantes han utilizado el espacio liberado para colocar los controles de sus sistemas de infoentretenimiento ), además reduce 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 vehículos más baratos, por ejemplo, dentro del Grupo Volkswagen , el EPB se convirtió ahora en un equipamiento estándar en el Passat (B6) de 2006 , mientras que Opel lo introdujo en el Insignia de 2008 .