MeM 021: ABS, ESP y Control de Tracción… La electrónica al servicio de la eficiencia

Hace ya mucho tiempo que la tecnología automotriz dejó de ser un campo de aplicación exclusivo de la mecánica. Hoy por hoy no se concibe un vehículo que no esté equipado con sistemas electrónicos. ¿Por qué? Porque la manera de hacerlos más eficientes va más allá de los límites de la mecánica.

De eso se tratan los sistemas ABS, ESP (sistema de estabilidad) ASR (sistema de control de tracción).

Es por ello que Jorge Jáuregui, un destacado ingeniero que trabaja en Alemania para una de las grandes empresas proveedoras de sistemas para automóviles, hizo una presentación en el KIT Karlsruhe sobre la aplicación de un sistema de control electrónico de frenado en los vehículos.

Un Sistema de Control Electrónico de Frenado sirve mucho más que para frenar

Estos sistemas pueden utilizarse no sólo en la fase de frenado, sino también como sistema de control de tracción y de control de estabilidad.

ejes del auto

Aquí podemos observar algunos casos en los que el Sistema de Control Electrónico contribuye de forma apreciable.

En el caso de la dinámica longitudinal del vehículo, la distribución de las fuerzas de frenado entre el eje delantero y el trasero se puede realizar por medio del EBD. La performance máxima de frenado de acuerdo a las condiciones de adherencia existentes será llevada a cabo por el sistema ABS y HBA.

Por el contrario, si deseamos realizar una aceleración, el control de tracción o ASR será el que se ocupe de utilizar al máximo la adherencia de los neumáticos que traccionan.

Por último, la estabilidad del vehículo será monitoreada y controlada por el sistema ESP.

Un sistema de control electrónico de frenado permite distribuir fuerzas de frenado de distinta magnitud en cada una de las ruedas de acuerdo a las condiciones de adherencia existente.

ABS: permite optimizar la frenada, evitando la perdida de direccionabilidad y estabilidad del vehículo.

EBD: distribuye las fuerzas de frenado de forma tal que el vehículo no sea inestable.

HBA: en el caso de una frenada de emergencia, este sistema hace que la intervención del conductor sea mínima.

ASR: permite optimizar la aceleración aumentando la performance y brindando mayor estabilidad.

ESP: proporciona estabilidad, direccionabilidad y controla/evita el fenómeno de drif (derrape del vehículo).

Todos estos aspectos pueden ser calibrados en el sistema de forma tal que el vehículo sea más o menos deportivo, más o menos estable y más o menos seguro. Lo importante es que el mismo sistema puede equipar a un coche deportivo como a uno familiar. La diferencia entre uno y otro estará básicamente dada por la calibración y no tanto por los componentes que integren el sistema.

Está claro que en algunos casos particulares, de acuerdo a la prestación que desea el constructor, serán necesarias algunas modificaciones de los componentes.

¿Qué variables usa el ESP para los cálculos?

Hay dos aspectos fundamentales a tener en cuenta:

  1. lo que el conductor desea en una determinada maniobra
  2. lo que el vehículo realiza durante esa maniobra

El sistema debe ser capaz de interpretar la maniobra que el conductor desea realizar, medir y analizar qué es lo que está experimentando el vehículo en su dinámica para así calcular las condiciones existentes del vehículo y su entorno. Una vez que esto fue realizado, se puede actuar independientemente sobre los frenos en cada una de las ruedas para así modificar la maniobra.

Esta modificación de la maniobra puede ser con el objetivo de brindar estabilidad, seguridad, confort o performance. El sistema debe actuar con una lógica que de prioridad a cada uno de estos aspectos antes de tomar una decisión.

Una frenada eficiente gracias al ABS

El sistema ABS regula la presión de frenado (por ende la fuerza de frenado en cada rueda) mediante un controlador PID.

El principio de funcionamiento se basa en la adherencia (entre el neumático y el piso) y el patinamiento existente (slip). Esta forma de controlar el sistema se conoce como “brake slip control”.

ABS grafico adherencia

En el eje Y se representa la adherencia, mientras que en el eje X se representa el patinamiento o slip. El patinamiento es una relación entre la velocidad del vehículo y la velocidad en la periferia del neumático y se la representa en porcentaje (%).

Las curvas representadas dependen de las condiciones reales de adherencia entre el neumático y el piso.

Se observa claramente que la adherencia en un asfalto seco es muy superior a la de la carretera congelada o con escarcha.

En forma paralela, se analiza la estabilidad/inestabilidad del sistema mediante el uso de un  diagrama de estado o “state machine”. Así se puede determinar si el vehículo resulta ser estable o no, basado en la aceleración de la rueda y el patinamiento.

inestabilidad

Lo que tienes que saber del ASR

El control de tracción puede ser útil en algunos casos e imprescindible en otros. Es por esto que este sistema se utiliza en autos de calle, en 4×4 y en competición.

El objetivo del control de tracción es evitar que las ruedas patinen durante una fase de aceleración o simplemente cuando la adherencia es baja y alguna de las ruedas tractoras gira con facilidad evitando que el vehículo avance.

Para eso es necesario monitorear la velocidad de las ruedas en los distintos ejes para luego hacer un análisis de velocidad individual de cada rueda.

En caso de constatar el patinamiento de alguna rueda, es necesario que el ASR intervenga de forma rápida y precisa.

En primer lugar, se solicitará al motor que entregue menos par y potencia para reducir la fuerza de tracción a transmitir. En caso de que la rueda siga patinando, el sistema aumentará la presión de frenado en dicha rueda, frenándola independientemente de las otras ruedas.

El ASR intentará brindar estabilidad y tracción a cada una de las ruedas motrices.

Piloto – Conductor = ESP

El concepto de control electrónico de estabilidad (ESP por sus siglas en inglés) es sencillo de explicar pero muy difícil de simular y describir por medio de ecuaciones.

Imaginemos que un vehículo se encuentra circulando en una curva a velocidad constante. En ese momento hay muchas variables que describen esa maniobra. Por ejemplo:

  • El par de tracción que mantiene la velocidad constante,
  • El ángulo del volante que mantiene la trayectoria curva deseada, determinado por la posición del volante.
  • El “ángulo flotante” formado por el eje longitudinal del coche y el vector velocidad del centro de gravedad.
  • Por último, y para simplificar los ejemplos, consideramos también el par de guiñada, es decir, el momento generado por la interacción de fuerzas que hace que el vehículo gire sobre su propio eje vertical.

El ESP debe ser capaz de analizar estas y muchas otras señales y determinar si el vehículo está bajo el control del conductor o no. Es por ello que se realiza un control continuo entre el momento de guiñada y el ángulo flotante. En términos generales, el ángulo flotante debe ser inferior a 5˚ para considerar que el vehículo se encuentra en estado estable. Esto lógicamente podrá variar entre un coche y otro.

El ESP mide la guiñada real del vehículo mediante el sensor de guiñada, a la vez que calcula la guiñada que el vehículo debería experimentar. La diferencia entre estos dos valores hará que el ESP tenga que llegar a intervenir para asegurar la estabilidad del vehículo.

El cálculo de la guiñada de un vehículo es muy complejo, ya que son muchas variables las que entran en juego y difíciles de evaluar.

En el caso de una intervención por parte del ESP, son muchas las cosas que suceden. (Por supuesto que esto es tan inmediato que pasa desapercibido para la gran mayoría de las personas).

El ESP deberá frenar una o varias ruedas, de acuerdo a la estrategia de funcionamiento, para que se genere un par de guiñada que devuelva estabilidad al vehículo. Esto resulta fácil de decir pero en la práctica requiere de varios pasos:

  1. aumento de la presión de frenado en la rueda a controlar
  2. modulación de la presión de frenado en la rueda que se desea controlar
  3. disminución de la presión de frenado en la rueda a controlar

Además hay que pensar que en ese momento se le puede estar requiriendo al motor una entrega de menos par.

Mantener la estabilidad requiere de una estrategia

Intervención del ESP en comportamiento sobrevirante:

  1. Se frena la rueda delantera externa. Lo que trae estabilidad al vehículo pero genera una influencia en la dirección. Es decir, habrá un efecto perceptible y no agradable para el conductor.
  2. Se frena la rueda trasera externa. Esto se hace lo menos posible, ya que el eje trasero está al limite de la adherencia.
  3. Se utiliza el ASR para traccionar la rueda trasera interna. La ventaja de esto es que no se percibe nada extraño en la dirección y se ataca la causa del problema.

Intervención del ESP en comportamiento subvirante:

  1. Se frena la rueda trasera interna.
  2. Se frena la rueda trasera interna con mayor intensidad que en el caso de un vehículo sobrevirante, ya que se supone que no se llegó al límite de adherencia.
  3. Se utiliza el ASR para traccionar la rueda trasera externa.

Un sistema de control electrónico de frenado no sólo se utiliza para optimizar la frenada, sino que juega un rol fundamental en muchos sistemas responsables de la dinámica del vehículo.

Hoy en día todos los sistemas de un coche se interrelacionan, de forma tal de trabajar conjuntamente a la hora de resolver un problema. Un claro ejemplo de esto es el control de tracción (ASR) y el control electrónico de estabilidad (ESP) que demandan un trabajo conjunto del motor y del sistema de freno.

Los coches modernos vienen equipados con muchos sistemas electrónicos que aumentan la performance del vehículo. Pero eso no quiere decir que el coche pueda hacer todo por sí sólo. Como conductor, es necesario saber de qué se tratan los sistemas que equipan nuestro coche, y saber cómo utilizarlos en caso de emergencia.

Un claro ejemplo de esto es el ABS.

Un coche puede estar equipado con este sistema, ¡¡pero el conductor tiene que saber utilizarlo!! Muchos conductores no utilizan el 100% de la performance del ABS simplemente porque no saben como hacerlo.

La tecnología va de la mano del conocimiento y la educación. Tener un coche moderno conlleva adquirir nuevos conocimientos como conductor.

Hoy en día es posible realizar frenadas y maniobras super-performantes. No dejes que el factor limitante para que eso suceda seas tú como conductor.

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