FRENOS EN AUTOMOCIÓN (PARTE III)

Hola a todos:

Esta es ya la tercera entrega de frenos en automoción, en las 2 primeras os expliqué que son y como funcionan los frenos de un automóvil, además de indagar en el que, a mi juicio, es el sistema de seguridad activa más importante, el ABS. 

Y ahora me dispongo a hablaros de otro sistema de seguridad activa también muy importante y basado en el sistema ABS, me refiero al Control Electrónico de Estabilidad (ESP, DSC, VSC, CST...depende del fabricante del vehículo).

El sistema ESP (Electronic Stability Program) o ESC (Electronic Stability Control) se fundamenta en el funcionamiento del sistema ABS. De hecho el "control de estabilidad" contiene los mismos elementos que el ABS, añadiendo algunos y aumentando la capacidad de la ECU (acordaos del anterior artículo, ECU es la unidad de control computarizado del ABS).

El ESP fué desarrollado por Bosch en colaboración con Mercedes-Benz en el año 1995, instalándose dicho sistema por primera vez en el Mercedes Clase S. Desde entonces ha demostrado tal eficacia, que al igual que ocurriera con el ABS, la Unión Europea obliga desde el 1 de noviembre de 2011 a que cualquier vehículo nuevo matriculado en su territorio lleve instalado el ESP.

Bien, a continuación una foto de los elementos que componen el ESP y os explico:

•  Hidrogrupo

Efectivamente, si recordáis de la parte anterior, es el mismo que usa el ABS. Los elementos y la forma de funcionamiento son las mismas. Recordad que este elemento, con sus componentes, controla que los frenos no bloqueen. Pero gracias a la ECU del ESP además se controla el frenado independiente de cada rueda, es decir, que según convenga el sistema puede hacer intervenciones independientes sobre cada rueda (para frenar según convenga) y sobre el motor (como un control de tracción, acordaos del ASR). Cuando explique el funcionamiento quedará más claro esto.

Otro detalle a tener en cuenta es que el ESP es totalmente independiente a la hora de controlar el frenado de las ruedas, quiero decir que el sistema puede frenar las ruedas sin intervención del conductor en el pedal de freno, luego explicaré porque se hace así. Y para terminar el ESP es el sistema primario de seguridad activa y su prioridad es máxima a la hora de actuar, por encima del ABS y de otros sistemas.

• Detectores de ruedas

Lo mismo que en el anterior caso, me remito al artículo anterior. El ESP se vale de ellos (son los del ABS) para controlar el giro de la rueda, pero no sólo en frenada, sino también en aceleración.

• UCE o ECU

Unidad de control electrónico del sistema que al igual que en el ABS, se encarga del correcto funcinamiento del sistema y de la actuación del mismo cuando se requiera, siempre según los parámetros que se le hayan introducido anteriormente.

La ECU además está constantemente gestionando el motor, para controlar los excesos de potencia y reducirla si es necesario.

• Sensor del ángulo de dirección

Primero un gráfico y una foto y después la explicación pertinente:

Como podéis observar el la foto, el sensor se ubica en el husillo de la dirección, justo en la zona donde se enrosca al volante (con el hueco y anclajes para la colocación del airbag).

Bien, este sensor es de suma importancia, ya que el ESP funciona siempre que el vehículo esté en marcha y en todas condiciones (salvo en los sistemas desconectables por un botón en el salpicadero o que esté averiado el sistema).

El sensor se compone de dos potenciómetros desfasados cada uno 90º. Así nos aseguramos de comprender todas las variades de giro, es decir, los 360º que comprende el giro completo de volante, haciendo las mediciones entre +180º y -180º de giro. También cuenta las vueltas de volante, y la ECU comprueba el giro de la dirección con un sensor de giro colocado en el centro del vehículo (junto con los acelerómetros) para que coincidan los ángulos de giro de nuestra dirección con los de nuestro vehículo (dentro de unos márgenes). El sensor siempre está conectado, porque el sistema realiza sus diagnósticos cuando está parado o a velocidad muy reducida, incluso si el motor está parado pero tenemos el contacto dado.

• Sensor de aceleración

También llamados acelerómetros y su principio de funcionamiento está basado en la variavión de la capacitancia. Y seguro que preguntaréis algunos, ¿Jero, que carajo es la capacitancia? Bien, pues la capacitancia es, en física, la propiedad que posee un cuerpo para mantener una carga eléctrica, es decir la medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada por un cuerpo que está sometido al paso de una corriente eléctrica. El dispositivo más común usado para estos menesteres es el condensador y, por ejemplo, las cámaras fotográficas contienen algunos de estos condensadores para utilizar su "flash", almacenan gran cantidad de energía en poco espacio y la devuelven en un cortísimo espacio de tiempo.

Bien, en los anteriores gráficos obsevamos que es un sensor de aceleración. Está formado interiormente por dos placas fijas de igual polaridad y una móvil en medio de polaridad distinta. Este sensor se coloca generalmente en la parte central del vehículo, entre los asientos traseros y delanteros, centrado en el vehículo. Al moverse el vehículo la placa móvil se mueve también, generando una diferencia de potencial (voltaje) en una u otra placa, y esa diferencia se transforma en una señal contínua que se envía a la ECU para que la procese y actue si es necesario. 

El sensor puede medir aceleraciones longitudinales y transversales, según sea su colocación. Incluso los hay dobles, con dos acelerómetros colocados perpendicularmente entre sí.

• Sensor de derrape piezoeléctrico

Se basa en el funcionamiento de un diapasón, con una parte (la de excitación electromagnética) sometida a una frecuencia de 11 Khz con tensión alterna(Kiloherzios, medida de frecuencia) y un lado de medición que está a 11´33 Khz, impidiendo la oscilación. Cuando el diapasón se deforma debido a las fuerzas G provocadas por un viraje fuerte, la frecuencia de medición cambia y ese cambio es medido, transformado en señal eléctrica y evaluado por la ECU para actuar sobre el motor y los frenos.

Decir también que se puede montar conjuntamente con el sensor de aceleración, pero con mucho cuidado en su montaje, ya que es un elemento muy sensible y una maa colocación puede ser fatal para el sistema.

Bien, pues hasta aquí la explicación de los elementos, que como habréis visto, no difieren apenas de los del sistema ABS. A continuación paso a enseñaros gráficos y algún vídeo del funcionamiento de este sistema. Os recuerdo, como recomendación, que las leyes físicas siempre estarán por encima de cualquier sistema de seguridad, que hay que utilizarlos de manera responsable y sobre todo no tentar a la suerte porque llevemos todos estos sistemas instalados en el vehículo:

En el gráfico observamos perfectamente la diferencia entre llevar instalado este sistema y no llevarlo. En 1 vemos que tanto el coche negro como el amarillo van por la trayectoria, en 2 ya hay diferencias sustanciales, mientras el vehículo negro esquiva el obstaculo con la actuación del ESP, el amarillo sin ESP derrapa inevitablemente y termina por perder el control. El negro en 3 vuelve a la trayectoria porque su conductor así lo indica con el volante y el ESP vuelve a actuar, el amarillo ya ha terminado de perder el control. En 4 el vehículo negro ha sido estabilizado.

Bien pero, ¿como hace el sistema ESP para mantener el control durante esta maniobra? Pues, al igual que el ABS, el sistema realiza comprobaciones del giro, revoluciones y ángulos de rueda; realiza comprobaciones del ángulo de la dirección y también de la aceleración longitudinal y transversal; todo esto 25 veces por segundo. Si todo está dentro de los parámetros considerados normales el sistema permanece en espera. Si por el contrario se produce el derrape el sisema actua inmediatamente, sea cual sea la posición de los pedales de aceleración y freno. Esto se hace así porque se ha comprobado que muchísimos conductores entran en pánico y giran bruscamente el volante sin actuar en el freno o el acelerador, haciéndo al coche totalmente ingobernable. El ESP corregirá según se produzca subviraje o sobreviraje. A continuación un gráfico para aclarar conceptos:

El subviraje se produce a la izquierda y el sobreviraje a la derecha. Como observaréis no son lo mismo y el sistema tampoco actua igual. En el primer caso el sistema actua sobre la rueda trasera interior a la curva, para restablecer el equilibrio perdido ofreciendo un par que se opone al citado subviraje, ya que el vehículo gira menos que el radio de la curva y se sale por la tangente ("se va de morro" en lenguaje coloquial). En el segundo caso, el sistema actua sobre la rueda delantera exterior a la curva, porque nuestro vehículo ha derrapado de atrás y gira más de lo que es el radio de la curva ("se va de culo" en lenguaje coloquial), hasta el punto de poder llegar a trompear y quedar mirando en sentido contrario. Frenando la rueda exterior delantera conseguimos el par que equilibra de nuevo el vehículo.

Este es el sistema básico, pero actualmente tiene más formas de actuación y frena varias ruedas a la vez, aplicándoles diferentes fuerzas de frenado.

En fin, hasta aquí la explicación del ESP, esta vez no me he extendido tanto como con el ABS porque en realidad utiliza muchos elementos del ABS, por lo que no he considerado oportuno volver a explicarlos.

A continuación pasamos a la Fórmula 1, en concreto a los frenos de un automóvil de F1. Como todos sabéis, ya se encargan los periodistas del motor de recordárnoslo, los F1 actuales tienen frenos de disco carbocerámicos, para resistir las altísimas temeraturas de funcionamiento.

Bien, el sistema de frenos de un Fórmula 1 es en esencia igual que uno de calle, quiero decir que el pedal, bomba, reguladores, conductos, disco y mordaza son prácticamente iguales en diseño, pero claro, los materiales son mucho más avanzados y caros.

Sin embargo, las cifras si que difieren un poquito, digamos que un F1 tarda en frenar de 300 Km/h a 0 Km/h en aproximadamente 4 segundos. La resistencia aerodinámica o "drag" que ejercen los alerones de un F1 también contribuyen con 1g de deceleración cuando el piloto deja de pisar el acelerador, ¡las misma fuerza equivalente que ejercen los frenos de un superdeportivo a máxima potencia!

Con estos datos no hace falta indagar mucho más para comprobar que lo más espectacular de un F1 son sus frenos, su frenada. A continuación una foto de un freno de F1:

En la foto observáis el disco y su mordaza, anclajes y el buje donde se coloca la tuerca de un F1. Los discos debido a la normativa vigente son de tamaño estándar (278 mm de diámetro y 28 mm de espesor), hecho que ahorra mucho peso (1 - 1,5 Kgs frente a los 3 de unos de acero). Soportan hasta 1000º de temperatura sin fatigarse, y debido también a esta altísima resistencia a la temperatura, un freno de este tipo necesita unas temperaturas mínimas de funcionamiento para ser eficaces, del orden de aproximadamente 350º-400º. Bien, esta temperatura se alcanza en aprox. medio segundo después de que el piloto haya presionado el freno, y gracias al encapsulamiento de los frenos. Si observáis fotos de los coches en boxes, hay muchas con frenos encapsulados, esto se hace para refrigerar con las canalizaciones más rápidamente, pero también para mantener más fácilmente la temperatura correcta de los frenos, como observamos en la foto inferior:

Por supuesto, el reglamento obliga a los monoplazas a llevar doble circuito de frenos independiente, para eje delantero y trasero. Como sabéis también, el piloto puede repartir a voluntad la fuerza de frenado entre ejes delantero y trasero para evitar bloqueos (si, los F1 no llevan ABS, está prohibido).

Y hasta aquí esta tercera y última entrega de frenos, ya sabéis que de momento estamos repasando lo básico sobre el mundo del automóvil. Espero os haya servido para comprender mejor que son los frenos, como funcionan, que elementos los componen  y que sistemas de seguridad activa van asociados a ellos. Y también para que entendáis mejor como funcionan (de manera muy resumida) los frenos de un F1.

Calculo que a la vuelta del verano empezaremos ya con una parte muy importante de todo vehículo, su motor. Habrá mucho de lo que hablar y mucho que explicar, porque es una de las partes más interesantes de un automóvil. También recordar que durante el verano podeis ir dejándome, si quereis, todas vuestras dudas acerca de los artículos técnicos o acerca de otros aspectos que querais comentar.

Gracias a todos los que visitais el blog porque me motivais para seguir adelante con nuevos artículos.

A continuación, la bibliografía consultada:

- http://www.transporteslogosyempresas.es/ConstruccionObras/otrasactividades.html
- http://www.formulaf1.es/7186/frenos-de-f1/
- http://vegaman.site90.com/Jose%20Luis13/tecnologia/enlaces/seguridad.html
- http://www.aficionadosalamecanica.com/sensores2-modelos.htm
- http://www.aficionadosalamecanica.com/suspension9.htm
- http://es.scribd.com/doc/33780939/ESP-Sistema-de-Control-de-estabilidad
- http://www.audisport-iberica.com/foro/index.php?/topic/103019-volante-multifuncion-en-a3-8pa/
- http://www.aficionadosalamecanica.com/sensores1-modelos.htm
- http://es.wikipedia.org/wiki/Control_de_estabilidad
- http://www.tecmovia.com/2012/05/22/como-funciona-un-control-electronico-de-estabilidad/