UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS DE
UN SISTEMA DE FRENO ELECTROMECÁNICO PARA
SUSTITUCIÓN DEL FRENO DE ESTACIONAMIENTO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
GALO SEBASTIAN BETANCOURT BERRONES
DIRECTOR: MSC. ALEXANDER PERALVO
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1717263915
APELLIDO Y NOMBRES: Betancourt Berrones Galo Sebastian DIRECCIÓN: Rocafuerte S1-60 y Bruning
EMAIL: bbgs4393973@gmail.com
TELÉFONO FIJO: 022342172
TELÉFONO MOVIL: 0995268578
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS DE UN SISTEMA DE FRENO ELECTROMECÁNICO PARA SUSTITUCIÓN DEL FRENO DE ESTACIONAMIENTO AUTOR O AUTORES: BETANCOURT BERRONES GALO
SEBASTIAN FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
enero 2017 DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
MSC. ALEXANDER PERALVO PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: Mínimo 250 palabras La presente investigación tiene como fin principal dar a conocer la innovación y cambios que se han venido realizando en uno de los sistemas primarios que se instalaron en el vehículo para lograr que este detenga su marcha y como la implementación de la electrónica ha contribuido al mejoramiento de los sistemas de seguridad tanto activa como pasiva.
Por medio de una breve reseña se detalló el principio de funcionamiento y construcción que se utilizó inicialmente en el sistema de freno de mano y como este mecanismo en la actualidad es un elemento de seguridad en el vehículo que trabaja de manera electromecánica por medio de sensores, señales y actuadores que han permitido una importante evolución en su ejecución e utilización.
El banco de pruebas realizado permite conocer las condiciones y variantes necesarias para la activación y desactivación del freno electromecánico en sus dos modos de funcionamiento principales, para el
desarrollo de este banco de pruebas se utilizó como partes mecánicas un disco de freno posterior, manzana posterior y mordaza electromecánica de un Volkswagen Passat del año 2012, la parte electrónica se conformó con elementos como pulsadores, acelerómetro, sensor infrarrojo y otros, los cuales están comandados bajo la programación Arduino.
Los componentes mecánicos fueron montados sobre una estructura metálica conformada por una platina de 5 mm de espesor para la base, un tubo rectangular de 13 cm de longitud dispuesto de manera vertical sobre la base y un eje de 14 mm de diámetro con su respectiva rosca en un extremo para la sujeción de la manzana y disco.
La placa electrónica se programó de tal manera que los elementos mecánicos y electrónicos permitan simular dos funciones principales que realiza un sistema de freno electromecánico, estas son: la apertura y cierre del freno de aparcamiento y el asistente dinámico en arrancada.
Estas operaciones permitieron detallar otros servicios complementarios del EPB (Electronic Parking Brake), y concluir además que este sistema de la marca Volkswagen permite retener el vehículo en condiciones de pendiente desde los once grados de inclinación y que su motor eléctrico genera una potencia de un cuarto de caballos de fuerza, suficientes para retener el peso del vehículo en condiciones normales.
PALABRAS CLAVES: Freno, Estacionamiento, Electromecánico, Engranaje, Disco de freno, Seguridad activa ABSTRACT: The present investigation has as its main
purpose to make the innovation and changes that have been made in one of the primary systems that were installed on the vehicle to make this stop your gear and how the implementation of the electronics has contributed to the improvement of safety in both active and passive.
evolution in its implementation and use. The bank of tests carried out allows to know the conditions and variations necessary for the activation and deactivation of the electromechanical brake in its two main modes of operation, for the development of this test bench is used as mechanical parts of a brake disc later, Apple and electromechanical jaw of a Volkswagen Passat in the year 2012, the electronic part was formed with elements such as buttons, accelerometer, infrared sensor and others, which are commanded under the Arduino. The mechanical components were mounted on a metal structure composed of a plate of 5 mm thick to the base, a rectangular tube of 13 cm in length arranged vertically on the base and a shaft of 14 mm in diameter with its respective threaded on one end for the attachment of the apple and disc.
The electronic board is scheduled in such a way that the mechanical and electronic elements to simulate two main functions that performs an electromechanical brake system, these are: the opening and closing of the parking brake and the dynamic wizard started. These operations have enabled detail other complementary services of the EPB (Electronic Parking Brake), and conclude that this system of the Volkswagen brand allows you to retain the vehicle in hilly conditions from the 11 degrees of inclination and that its electric motor generates a power of a quarter of a horsepower, enough to hold the weight of the vehicle in normal conditions.
KEYWORDS Brake, Parking, Electromechanical, Gear, Brake Disc, Active safety
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, BETANCOURT BERRONES GALO SEBASTIAN, CI. 1717263915, autor del proyecto titulado: Diseño y construcción de un banco de pruebas de un sistema de freno electromecánico para sustitución del freno de estacionamiento previo a la obtención del título de Ingeniero Automotriz en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
DECLARACIÓN
Yo BETANCOURT BERRONES GALO SEBASTIAN, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a Galo y Lolita mis queridos padres, quienes me forjaron y nunca me dejaron solo en este arduo camino; este pequeño logro es por ustedes y para ustedes.
A mis hermanas por haber sido parte fundamental en cada parte de mi vida, siendo como una madre más para mí.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN.……… 1
ABSTRACT………2
1. INTRODUCCIÓN ... 3
2. METODOLOGÍA ... 9
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 12
3.1 ÁREA DE APLICACIÓN ... 12
3.2 ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE FRENOS 12 3.2.1 SISTEMA ANTIBLOQUEO DE RUEDAS (ABS) EN EL EPB.... 13
3.2.2 SISTEMA DE ESTABILIDAD (ESP) EN EL SISTEMA EPB ... 13
3.3 CÁLCULO DE LA FUERZA DE FRENADO ... 14
3.4 CÁLCULO DE LA PRESIÓN DE FRENADO ... 16
3.5 CÁLCULO DE LA POTENCIA ELÉCTRICA DEL MOTOR EPB ... 17
3.6 EFECTO PENDIENTE PARA LA RESISTENCIA DE AVANCE ... 18
3.7 BANCO DE FRENO ELECTROMECÁNICO ... 20
3.7.1 CONDICIONES DE ENTRADA Y SALIDA ... 21
3.7.2 APERTURA Y CIERRE DEL FRENO DE APARCAMIENTO ... 22
3.7.3 OPERACIÓN DEL ASISTENTE DINÁMICO EN PENDIENTE . 24 3.7.4 OPERACIÓN DEL EPB PARA FRENADA DE EMERGENCIA. 25 3.7.4.1 Procedimiento ... 26
3.7.5 FUNCIONAMIENTO AUTO HOLD ... 26
3.7.6 SELECCIÓN DE ESTRUCTURA PARA BASE SOPORTE ... 27
3.7.7 PERFORACIÓN E INSTALACIÓN DE ELEMENTOS ... 27
3.7.8 SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS ... 28
3.7.9 DISEÑO DEL CIRCUITO ELECTRÓNICO ... 30
3.7.10 CONEXIÓN DE ELEMENTOS ELECTRÓNICOS ... 32
3.7.11 MONTAJE DE ELEMENTOS MECÁNICOS EN EL BANCO .... 33
ii
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 41
4.1 CONCLUSIONES... 41
4.2 RECOMENDACIONES ... 42
5. BIBLIOGRAFÍA ... 43
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Coeficientes de friccion ... 15
Tabla 2. Variación de la resistencia a al rodadura ... 19
Tabla 3. Otras condiciones de activación para EPB ... 23
Tabla 4. Diferentes configuraciones de Ángulo para activación de EPB ... 25
Tabla 5. Pruebas de funcionamiento panel aplicación 1 ... 38
Tabla 6.Pruebas de funcionamiento pantalla LCD aplicación 1 ... 38
Tabla 7.Pruebas de funcionamiento panel aplicación 2 ... 39
Tabla 8. Pruebas de funcionamiento pantalla LCD aplicación 2 ... 39
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Componentes del freno electromecánico ... 5
Figura 2. Actuadores de freno ... 6
Figura 3. Reductora de piñón oscilante ... 7
Figura 4. Sensor de embrague y pulsadores ... 8
Figura 5. Estructura del trabajo de investigación ... 10
Figura 6. Sistema de frenos de un vehículo liviano ... 13
Figura 7. Sensor inductivo del sistema ABS ... 13
Figura 8. Aplicación del ESP ... 14
Figura 9. Esquema del freno delantero VW Passat ... 15
Figura 10. Transición de presión de frenado ... 16
Figura 11. Efecto rampa sobre el vehículo ... 18
Figura 12. Coeficientes de resistencia al avance ... 19
Figura 13.Variación de pendiente en función de los grados de inclinación . 20 Figura 14. Banco de freno electromecánico ... 21
Figura 15. Señales de control de freno de emergencia ... 22
Figura 16. Condición de operación en aparcamiento o estacionado ... 23
Figura 17. Condición de operación de arranque en pendiente ... 25
Figura 18. Caja metálica para base soporte ... 27
Figura 19. Fijación de elementos y sensores en tapa base ... 28
Figura 20. Disco de freno y soporte ... 29
Figura 21. Manzana posterior de rueda ... 29
Figura 22. Mordaza con freno electromecánico ... 29
Figura 23. Soporte de Caliper ... 30
Figura 24. Placa Arduino ... 31
Figura 25. Elementos del circuito electrónico ... 31
Figura 26. Panel de control del freno electromecánico ... 32
Figura 27. Placa madre con elementos y sensores conectados ... 33
Figura 28. Maquinado del eje porta disco y manzana ... 34
Figura 29. Conjunto armado y equilibrado ... 35
Figura 30. Proceso de elaboración del banco de freno electromecánico .... 36
Figura 32. Funcionamiento 1... 37
Figura 33. Funcionamiento 2... 37
vi
ÍNDICE DE ANEXOS
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ANEXO 1. Código de fuente programación arduino ... 45
ANEXO 2. Diagramas de flujo bizagi modeler ... 53
ANEXO 3. Motor Eléctrico de mordaza ... 60
ANEXO 4. Pinza TRW ... 62
ANEXO 5. Mantenimiento del banco de pruebas. ... 65
RESUMEN
La presente investigación tiene como fin principal dar a conocer la innovación y cambios que se han venido realizando en uno de los sistemas primarios que se instalaron en el vehículo para lograr que este detenga su marcha y como la implementación de la electrónica ha contribuido al mejoramiento de los sistemas de seguridad tanto activa como pasiva.
Por medio de una breve reseña se detalló el principio de funcionamiento y construcción que se utilizó inicialmente en el sistema de freno de mano y como este mecanismo en la actualidad es un elemento de seguridad en el vehículo que trabaja de manera electromecánica por medio de sensores, señales y actuadores que han permitido una importante evolución en su ejecución e utilización.
El banco de pruebas realizado permite conocer las condiciones y variantes necesarias para la activación y desactivación del freno electromecánico en sus dos modos de funcionamiento principales, para el desarrollo de este banco de pruebas se utilizó como partes mecánicas un disco de freno posterior, manzana posterior y mordaza electromecánica de un Volkswagen Passat del año 2012, la parte electrónica se conformó con elementos como pulsadores, acelerómetro, sensor infrarrojo y otros, los cuales están comandados bajo la programación Arduino.
Los componentes mecánicos fueron montados sobre una estructura metálica conformada por una platina de 5 mm de espesor para la base, un tubo rectangular de 13 cm de longitud dispuesto de manera vertical sobre la base y un eje de 14 mm de diámetro con su respectiva rosca en un extremo para la sujeción de la manzana y disco.
La placa electrónica se programó de tal manera que los elementos mecánicos y electrónicos permitan simular dos funciones principales que realiza un sistema de freno electromecánico, estas son: la apertura y cierre del freno de aparcamiento y el asistente dinámico en arrancada.
Estas operaciones permitieron detallar otros servicios complementarios del EPB (Electronic Parking Brake), y concluir además que este sistema de la marca Volkswagen permite retener el vehículo en condiciones de pendiente desde los once grados de inclinación y que su motor eléctrico genera una potencia de un cuarto de caballos de fuerza, suficientes para retener el peso del vehículo en condiciones normales.
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ABSTRACT
The present investigation has as its main purpose to make the innovation and changes that have been made in one of the primary systems that were installed on the vehicle to make this stop your gear and how the implementation of the electronics has contributed to the improvement of safety in both active and passive.
By means of a brief outlined the principle of operation and construction that was initially used in the hand brake system and how this mechanism at present is an element of security in the vehicle that works by means of electromechanical sensors, signals and actuators that have allowed a significant evolution in its implementation and use.
The bank of tests carried out allows to know the conditions and variations necessary for the activation and deactivation of the electromechanical brake in its two main modes of operation, for the development of this test bench is used as mechanical parts of a brake disc later, Apple and electromechanical jaw of a Volkswagen Passat in the year 2012, the electronic part was formed with elements such as buttons, accelerometer, infrared sensor and others, which are commanded under the Arduino.
The mechanical components were mounted on a metal structure composed of a plate of 5 mm thick to the base, a rectangular tube of 13 cm in length arranged vertically on the base and a shaft of 14 mm in diameter with its respective threaded on one end for the attachment of the apple and disc. The electronic board is scheduled in such a way that the mechanical and electronic elements to simulate two main functions that performs an electromechanical brake system, these are: the opening and closing of the parking brake and the dynamic wizard started.
These operations have enabled detail other complementary services of the EPB (Electronic Parking Brake), and conclude that this system of the Volkswagen brand allows you to retain the vehicle in hilly conditions from the 11 degrees of inclination and that its electric motor generates a power of a quarter of a horsepower, enough to hold the weight of the vehicle in normal conditions.
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1. INTRODUCCIÓN
Cada vez son más los cambios que realizan los fabricantes en materia de seguridad para los vehículos, estos procesos están regidos por organismos internacionales que se encargan de realizar las investigaciones del caso para establecer las causas de los accidentes de tránsito. Todo esto con el afán de reducir el índice de mortandad para el conductor, ocupantes y peatones. En el Ecuador, los errores humanos inciden mayoritariamente para que se susciten accidentes de tránsito de mayor y menor impacto destacando que, parte de los mencionados, se presentan por descuidos del conductor al dejar su vehículo en pendientes pronunciadas sin las debidas acciones de seguridad, o la falta de experticia de estos para arrancar bajo estas condiciones.
En base a las cifras del Instituto Nacional de Estadísticas y Censos, se establece que las fallas mecánicas y los errores humanos son las principales causas para que se susciten accidentes de tránsito en el Ecuador. (INEC, 2013)
Por ello, el dispositivo que se plantea construir en el presente proyecto, está orientado a brindar asistencia al conductor para el aparcamiento seguro del vehículo en condiciones adversas de superficie y para una salida en condiciones de pendiente de forma más segura.
Para conseguir estos propósitos, el sistema de freno de estacionamiento funcionará con un bloqueo electromecánico en sus ruedas posteriores, el mismo que se activará con señales provenientes de sensores y actuadores que indiquen condiciones semejantes, para obtener los propósitos antes mencionados.
Para la resolución de la problemática planteada, se consideró como objetivo general. La construcción de un banco de pruebas de un sistema de freno electromecánico para sustitución del freno de estacionamiento, teniendo en cuenta para su alcance, el desarrollo de los siguientes objetivos específicos: Estudio el sistema de freno de estacionamiento convencional y su evolución hasta la actualidad.
Identificación de sensores y actuadores que intervienen en el funcionamiento del freno de estacionamiento electromecánico.
Construcción de un dispositivo mecánico del freno de estacionamiento controlado por elementos electrónicos.
Desarrollo de pruebas de funcionamiento para identificar las condiciones de accionamiento.
comandada por una placa básica de Arduino que mediante elementos electrónicos y eléctricos permitirán simular dos funcionamientos principales del sistema de freno electromecánico.
Toda vez que se ha delineado los objetivos y la conformación física del proyecto, debemos considerar como parte fundamental del mismo, el inicio y la evolución por la que han atravesado los avances en seguridad que se han incorporado en el vehículo.
Los vehículos actuales disponen de numerosos sistemas de seguridad y estos han ido evolucionando sustentados por el auge tecnológico de la electrónica e informática aplicada al automóvil (Parreño, 2012).
Los sistemas de seguridad en el vehículo se encargan de evitar accidentes y, cuando estos se producen, buscan minimizar sus repercusiones sobre las personas. Los dispositivos de seguridad pueden clasificarse en:
Seguridad activa.
Seguridad pasiva.
En el contexto de la mejora de las condiciones de seguridad, organizaciones de carácter mundial como la ONU, proclamó una década de acción para la seguridad vial, siendo el objetivo estabilizar y luego reducir el nivel de muertes en carretera, lo que requiere de una reducción del 50% sobre el nivel predicho para las muertes antes de 2020 (Ward, 2012).
El sistema de freno tiene como misión detener la marcha del vehículo a voluntad del conductor de forma eficaz y sin perder la estabilidad durante el proceso (Consejo Nacional de Educación para la Vida y el Trabajo, 2008). El funcionamiento de los mecanismos de frenado, en la actualidad, obedece al principio de Pascal, relacionado mediante la ecuación [1]:
𝑷𝟏= 𝑭𝟏
𝑨𝟏 [𝟏]
Dónde:
𝑃1, : es la presión del circuito de frenado
𝐹1, : es la fuerza actuante sobre el mecanismo actuante 𝐴1, : es la sección transversal del mecanismo actuante
5 Para el cálculo de la fuerza de frenado en el disco, se aplica la ecuación [2]:
𝐹𝐹𝐷 = 2𝜇 ∗ 𝐹𝐴𝐷 [2]
Dónde:
𝐹𝐹𝐷,: es la fuerza actuante en la mordaza
𝜇,: es el coeficiente de rozamiento de la pastilla 𝐹𝐴𝐷,: es la fuerza aplicada por el circuito de frenos
El freno de estacionamiento electromecánico, es un sistema mecatrónico, dispuesto de sensores y actuadores, que permite el estacionamiento del vehículo, además permite una intervención inteligente, encargándose de una frenada segura y la retención necesaria al ponerse el vehículo en marcha cuesta arriba.
El freno de estacionamiento tiene dos modos de operación, según la velocidad del vehículo, en el modo estático la apertura y el cierre del freno de estacionamiento se llevan a cabo por la vía electromecánica y la retención del vehículo se desarrolla por los sistemas ABS y Esp
En la figura 1, se observa los componentes del freno electromecánico.
Figura 1. Componentes del freno electromecánico
(Parreño, 2012)
conjunto reductor. Este piñón reductor mueve un plato oscilante que posee dos salientes que sirven para su guiado y anclaje; y el plato oscilante, a su vez, actúa sobre otro piñón solidario al émbolo de accionamiento, transmitiéndole un movimiento lineal que realiza el frenado oprimiendo las pastillas contra el disco de freno. La misión de este piñón oscilante es la de crear un segundo conjunto reductor que aumente la fuerza de accionamiento de los elementos de fricción contra los discos de frenos, asegurándose de esa forma el perfecto frenado de estacionamiento del vehículo.
La desconexión de la corriente eléctrica se realiza gracias a que la unidad de control electrónica mide en todo momento la intensidad de corriente que consume el motor eléctrico. Esta intensidad aumenta al crecer la resistencia al accionamiento del motor eléctrico y, cuando sobrepasa una determinada cifra, la propia unidad electrónica desactiva la alimentación de los motores eléctricos.
Para desactivar el freno de estacionamiento, la unidad de control cambiará la polaridad de alimentación al motor eléctrico, haciendo que este gire en sentido contrario e invierta el movimiento anterior.
En la figura 2, se indica las partes del EPB (Electronic Stability Program) de la marca Volkswagen, modelo Passat.
Actuadores de freno. Son unidades electromecánicas operan utilizando un motor eléctrico, la reductora poliescalonada y el reenvío de un husillo, aplicando una fuerza sobre las pastillas de frenos.
Figura 2. Actuadores de freno
(Martín, Pérez, & Á., 2009)
7 movimiento lineal con una relación de transmisión total de 1:150, se lleva a cabo en tres escalonamientos”. (Tripartida, 2016)
En la figura 3, se observa el émbolo interno y el reenvío del husillo.
Figura 3. Reductora de piñón oscilante
(Martín, Pérez, & Á., 2009)
Sensor de posición de embrague. El sensor de posición del embrague va fijado por encastre elástico a la bomba de embrague. Con su ayuda se detecta el accionamiento del pedal de embrague. La señal del sensor de posición del embrague seutiliza:
para el arranque del motor,
para desactivar el programador de velocidad de crucero,
para reducir brevemente la cantidad de fuerza inyectada, evitando sacudidas del motor en un ciclo de cambio de marcha y
para la función del asistente dinámico en arrancada, implementada en el freno de estacionamiento electromecánico. (en modelos con caja manual)
Pulsador para freno de estacionamiento electromecánico, permite el control manual del freno.
Pulsador para AUTO HOLD, permite activar esta función del freno, se ubica generalmente en la consola central.
Se debe tener en cuenta que dependiendo del tipo de transmisión que tenga el vehículo, se puede omitir ciertos sensores como el del pedal de embrague para el caso de los vehículos automáticos.
Figura 4. Sensor de embrague y pulsadores
(Martín, Pérez, & Á., 2009)
Testigos luminosos, ubicados en el cuadro de instrumentos y en los pulsadores correspondientes que señalizan el estado operativo del freno de estacionamiento electromecánico.
La unidad de control para freno de estacionamiento electromecánico posee dos procesadores y está comunicada a través de un CAN-Bus privado con la unidad de control del ABS. La unidad de control del EPB (Electric Parking Brake) tiene integrado un sensor colectivo, el cual abarca el sensor de aceleración transversal, el sensor de aceleración longitudinal y el sensor de la magnitud de viraje.
Las señales se analizan por igual para el freno de estacionamiento electromecánico así como para las funciones de regulación del sistema ESP (Electronic Stability Program). Con ayuda de la señal del sensor de aceleración longitudinal se obtiene por derivación el ángulo de inclinación del vehículo
El sistema analiza las funciones del freno electromecánico y del sistema ESP.
2. METODOLOGÍA
Para el desarrollo de este proyecto, se contempló todas las opciones posibles de metodología a emplear, puesto que de este análisis se determinará el buen funcionamiento del banco a construir.
Para la investigación, se aplicó, el método inductivo o de síntesis, método por el cual se pudo particularizar el estudio del sistema de freno de manera general, los tipos de sistema de freno y el freno electromecánico como tal, convirtiéndose en imprescindible el estudio y análisis de todo el proceso de funcionamiento del sistema convencional y el del sistema electromecánico EPB para la construcción y posterior simulación.
Se revisó e interpretó la forma de las conexiones, los componentes eléctricos, sistemas auxiliares y los componentes mecánicos que interactúan en el sistema para obtener las condiciones de operación que se presentan en la habitual marcha del vehículo, tanto dentro del vehículo como en el sistema mecánico, ya que en el habitáculo se registró una serie de alertas que interactúan como información para el conductor.
Dentro del proceso investigativo, se priorizó la recolección de bibliografía técnica, se buscó obtener la mayor cantidad de contenido técnico-científico. Herramientas que se convirtieron en pilares fundamentales y que facilitaron el poder abarcar los aspectos más relevantes de la investigación vinculados al proyecto en mención.
A través de la experimentación, se realizó la selección del modelo de sistema EPB a recrear y los elementos tanto mecánicos como electrónicos con los cuales se podría conseguir el proyecto planteado, esto debido a que el sistema electromecánico ha tenido sus diferentes variantes desde que se inició su implementación por cada tipo de fabricante y país.
Se ejecutó las respectivas pruebas de funcionamiento y toda vez que se pudo regular los componentes y simular los parámetros de funcionamiento del freno electromecánico, se registró las características de cada una de las operaciones deseadas para la maqueta, el tipo de investigación aplicada fue la descriptiva y la experimental.
Para alcanzar los objetivos planteados del proyecto, se tomó en consideración el siguiente orden investigativo.
10
Figura 5. Estructura del trabajo de investigación
El banco de pruebas consta de un sistema mecánico y electrónico para la simulación de un freno de estacionamiento electromecánico, en el mismo se puede registrar partes del sistema mecánico de un freno de disco posterior y un panel de control electrónico que permitirá simular condiciones de funcionamiento bajo la obtención de aplicaciones como:
Accionamiento del sistema con el vehículo detenido en pendiente
Accionamiento del sistema como asistente de aparcamiento
El proceso de simulación se desarrolló por medio de un circuito electrónico con programación en Arduino, el mismo que comanda elementos mecánicos por medio botones pulsadores, actuadores, sensores y una pantalla para indicar la activación de los funcionamientos programados.
Por medio del diseño de un circuito electrónico se alcanzó la activación del freno de estacionamiento permitiéndose la simulación del freno de estacionamiento electromecánico, que se encarga de mantener el vehículo detenido, aun en pendientes y en ausencia del conductor.
TEORÍAS
Etapa 4: Obtener conclusiones de cada proceso y parte investigada para la realización del presente proyecto.
COMPROBACIÓN DE LA HIPÓTESIS
Etapa 3: Controlar todas las variables que influiran directamente en la investigación: señales de entrada y salida, selección adecuada de elementos mecánicos, electrónicos y eléctricos.
FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS
Etapa 2: Formular explicaciones sobre todos los aspectos de la investigación a tratar.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Las condiciones de simulación, se desarrollan para:
Función manual
Función automática, bajo los parámetros de operación de las condicionantes
Las pruebas de funcionamiento del simulador del sistema de freno EPB, permiten analizar las condiciones reales de funcionamiento de un vehículo, dotado con este sistema.
Las máquinas, herramientas, equipos y suministros que se utilizó para la construcción de la parte mecánica y electrónica del banco fueron:
Máquinas
Torno
Taladro de pedestal
Moladora manual
Suelda eléctrica
Herramientas
Sierra manual
Destornilladores
Pinzas
Cautín
Equipos
Multímetro
Suministros
Pintura
Desengrasante
Lija gruesa
Lija fina
Diluyente
Aceite
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 ÁREA DE APLICACIÓN
El banco de freno electromecánico permitirá que los estudiantes tengan un respaldo para el área de mecanismos del vehículo y sistemas de protección del mismo. Puesto que el sistema EPB (Electric Parking Brake) es una evolución de uno de los sistemas primarios que se incorporaron en los vehículos desde sus inicios.
Además permitirá reforzar el conocimiento en el área de electrónica del vehículo por su principio de funcionamiento y finalmente para el estudio de los sistemas de seguridad en el vehículo, ya que el sistema utiliza los datos de otros sistemas alternos para poder trabajar de manera más exacta al momento de ejecutar su trabajo.
3.2 ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE
FRENOS
El sistema de frenos es donde al hacer rozar una parte fija, llamada pastilla o zapata, con una parte móvil, llamada disco o tambor respectivamente, se produce una fuerza que actúa para la detención del vehículo en marcha. La fricción entre estos elementos produce la fuerza necesaria para reducir la velocidad y convierte la energía mecánica del vehículo en energía calorífica que se transmite al aire” (Dirección General de Tráfico, 2006).
El tipo de frenos para el eje trasero varía en función de las características del vehículo” (Antamba, 2016).
Las mejoras sobre el sistema de frenos han permitido la implantación de novedosos y efectivos sistemas de seguridad activa, tales como el sistema de antibloqueo (ABS) y el sistema de estabilidad (ESP), así como otros, de anticipación a la frenada, mantenimiento de velocidad de crucero, freno de estacionamiento electromecánico, entre otros
13
Figura 6. Sistema de frenos de un vehículo liviano (Astudillo, 2010)
3.2.1 SISTEMA ANTIBLOQUEO DE RUEDAS (ABS) EN EL EPB
En el sistema EPB, este sistema es el que suministra la información para ejecutar una frenada dinámica de emergencia, detectando cuándo una o más ruedas se bloquean ante una acción de frenado enérgica, disminuyendo o eliminando la presión sobre los elementos de freno de las mismas hasta que se restablece la rodadura.
En la figura 7, se observa los componentes del sistema en la rueda.
Figura 7. Sensor inductivo del sistema ABS
(Astudillo, 2010)
3.2.2 SISTEMA DE ESTABILIDAD (ESP) EN EL SISTEMA EPB
trayectoria para evitar derrapes por sobrevirado tras una frenada. Para ello frena las ruedas que correspondan. El sistema ESP detecta si la trayectoria del vehículo difiere de la impuesta por el conductor efectuando las correcciones citadas. El sistema controla la potencia aplicada a las ruedas, disminuyéndola, si es preciso.
En la figura 8, se observa la aplicación del ESP.
Figura 8. Aplicación del ESP
(Astudillo, 2010)
3.3 CÁLCULO DE LA FUERZA DE FRENADO
El reparto de la frenada en un vehículo se selecciona en función de los pesos en cada eje. De esta forma, lo más habitual es que el eje delantero, al disponer de más peso debido al montaje del motor de combustión, posea una mayor capacidad de frenada. El porcentaje de frenado, por lo tanto, suele repartirse de la siguiente forma:
El eje delantero, que suele soportar el peso del motor, dispondrá de entre un 60 y un 70% de la frenada.
El eje trasero, que no suele soportar el peso del motor, dispondrá de un 30 a un 40% de la frenada. Existen compensadores y repartidores de frenada que, en función del peso que se acumule en el vehículo, distribuyen la frenada entre los dos ejes.
15
Radio exterior hacia la pastilla: 𝑟𝑜 = 160 𝑚𝑚,
Radio interior hacia la pastilla: 𝑟𝑖 = 100 𝑚𝑚 y
Ángulo de contacto de la pastilla sobre el disco: 𝜃 = 45° y
El coeficiente de rozamiento de 0, 35, obtenido de un promedio de la tabla 1, donde se registra coeficientes de rozamiento de materiales para frenos y embragues, suministrados por la Society of Automotive Engineers.
Tabla 1. Coeficientes de friccion
Letra código Coeficientes de fricción C No mayor que 0.15
D Mayor de 0.15
E Mayor de 0.25
F Mayor de 0.35
G Mayor de 0.45
H Mayor de 0.55
En la figura 9, se muestra el esquema de las características geométricas en el conjunto de frenado.
Figura 9. Esquema del freno delantero VW Passat
(GTZ, 1987)
Mediante la ecuación [2], y la presión de 820 (N.m) registrados en el manual del fabricante para el circuito, se calcula la fuerza de apriete de la siguiente manera:
𝐹𝐹𝐷 = 2𝜇 ∗ 𝐹𝐴𝐷
𝑀𝐹𝐷
2𝜇 = 𝐹𝐴𝐷
820
2(0,35)= 𝐹𝐴𝐷
3.4 CÁLCULO DE LA PRESIÓN DE FRENADO
La presión de frenado puede ser generada por el conductor cuando este presiona el pedal del freno cualquiera que sea la intensidad con la que lo realice. Esta se concreta cuando las válvulas en la unidad del sistema ABS se han cerrado y el conductor ya no debe seguir presionando el pedal del freno.
La presión de frenado se genera a través de la bomba del sistema ABS; al cabo de tres minutos que el vehículo se encuentra detenido, se ejecuta un cambio de la parte hidráulica del ESP hacia el freno de estacionamiento electromecánico. (EPB)
En la figura 10, se muestra la consideración de área circular para el cálculo de la presión de frenado.
Figura 10. Transición de presión de frenado
(Martín, Pérez, & Á., 2009)
La presión del circuito de frenos, se establece con la ecuación [2], así:
𝑃 =𝐹
𝐴
17
𝐴𝐶𝑀 = 𝜋 ∗ 1602 = 80424,77𝑚𝑚2
𝐴𝐶𝑚 = 𝜋 ∗ 1002 = 31415,85𝑚𝑚2
𝐴𝐶𝐶 = 𝐴𝐶𝑀− 𝐴𝐶𝑚 = 49008,85𝑚𝑚2
𝐴𝑃 = 49008,85 ∗ 45
360 = 6126,106𝑚𝑚
2
𝑃 =1171,42
6126,10 𝑃 = 0,19𝑀𝑃𝑎
En este caso, la presión del circuito está limitado por el tamaño de la pastilla, a mayor tamaño ofrecerá mayor potencia de frenado, pero a la vez más elementos para accionar la pastilla.
La presión media del circuito de frenado, se calcula con la ecuación [3], así:
𝑃𝑚 = 𝑃𝑀𝐴𝑋 2(𝑟𝑖 𝑟𝑜⁄ )
1 + (𝑟𝑖 𝑟𝑜⁄ )
Dónde:
𝑃𝑚, : es la presión media del circuito de frenos 𝑃𝑀𝐴𝑋, : es la presión del circuito de frenos 𝑟𝑖, : radio interior de la pastilla
𝑟𝑜, : radio exterior de la pastilla
Con base a los datos del manual del fabricante, se obtiene:
𝑃𝑚 = (0,19) 2(100 160
⁄ )
1 + (100 160⁄ )
𝑃𝑚 = 0,14𝑀𝑃𝑎
Esta presión es la actuante en cada rueda si se accionaran al mismo tiempo.
3.5 CÁLCULO DE LA POTENCIA ELÉCTRICA DEL MOTOR
EPB
Para calcular la potencia que tiene el motor eléctrico del sistema EPB, utilizamos la siguiente ecuación [4], así:
Dónde:
I, : Intensidad de corriente V, : Voltaje
La intensidad de corriente está dada en el Anexo 4, entonces se obtiene: 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 19 ∗ 12 = 228 𝑊
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =228
745
Pelec= 0.30 HP
3.6
EFECTO PENDIENTE PARA LA RESISTENCIA DE
AVANCE
Cuando el vehículo circula sobre una pendiente, la componente del peso en dirección longitudinal será una resistencia al avance cuando el vehículo asciende y por defecto la misma se incrementará si es el caso de un descenso.
En la figura 11, se observa el diagrama de fuerza para un vehículo en pendiente.
Figura 11. Efecto rampa sobre el vehículo
(Luque, 2005)
Un efecto sobre el frenado, que produce el ascenso o descenso de una pendiente, es la reducción del peso adherente, la misma que afecta a la resistencia a la rodadura del conjunto del vehículo.
La resistencia a la rodadura entonces seria:
19 Dónde:
Fr, : resistencia a la rodadura P, : peso del vehículo
𝜃, : ángulo de la pendiente g, : gravedad
En la figura 12, se observa las variantes de rodadura por tipo de vehículo.
Figura 12. Coeficientes de resistencia al avance
(Luque, 2005)
Reemplazando se obtiene:
𝐹𝑟 = 0.015 ∗ 4087 𝑙𝑏 ∗ 1𝑘𝑔
2.2 𝑙𝑏𝑠∗ 9.8 ∗ cos 𝜃
𝐹𝑟 = 273 ∗ cos 𝜃
Que gráficamente lo podemos representar según datos de la tabla 2, los cuales indican la variación de la resistencia.
Tabla 2. Variacion de la resistencia a al rodadura
Grados de Inclinación
Resistencia a la rodadura
0 273
1 272,96
2 272,83
3 272,63
4 272,33
5 271,96
6 271,50
7 270,97
8 270,34
9 269,64
10 268,85
12 267,03
13 266,00
14 264,89
15 263,70
Finalmente se concluye que a mayor inclinación, la resistencia a la rodadura disminuye, según el grafico 13.
Figura 13.Variación de pendiente en función de los grados de inclinación
3.7 BANCO DE FRENO ELECTROMECÁNICO
Posterior a un análisis de los sistemas EPB y sus variantes, el diseño del banco propuesto estuvo basado en un sistema de freno EPB de la marca Volkswagen, para lo cual se escogió los componentes mecánicos del lado derecho del modelo Passat, año de fabricación 2012; modelo del cual existe más información en el mercado.
Dentro de la parte electrónica, se escogió para la simulación de la computadora del sistema, una placa arduino en su configuración básica, la misma que es la más reconocida para el desarrollo de proyectos académicos por su versatilidad al momento de asignar la programación; esta se puede realizar mediante un cable USB conectado a la placa y la descarga de la librería indicada desde la red para la introducción de la respectiva programación.
En la placa arduino se pudo simular las señales de entrada y salida acorde a los funcionamientos seleccionados para la maqueta del sistema EPB, estas se obtuvieron gracias a componentes electrónicos y sensores que al estar
258 260 262 264 266 268 270 272 274
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
R ES IS TE N C IA A L A RODA D URA ( N .M )
21 dispuestos de diferente manera, permitieron obtener condiciones similares a las que se presentan en la normal marcha del vehículo cuando el conductor hace uso del sistema en mención.
En la figura 14, se muestra el banco de freno electromecánico.
Figura 14. Banco de freno electromecánico
3.7.1 CONDICIONES DE ENTRADA Y SALIDA
En la maqueta propuesta se encontrará como única señal de salida la que proviene del motor de accionamiento, puesto que la mordaza electrónica solo posee dos pines correspondientes a la masa y alimentación del motor.
Figura 15. Señales de control de freno de emergencia
(Borja, Fenoll, & Seco, 2009)
Para el banco de pruebas se han simplificado las aplicaciones, siendo cuatro las condiciones de operación para el sistema EPB propuesto, estas son:
La apertura y cierre del freno de aparcamiento y
el asistente dinámico en arrancada
Las otras dos restantes utilizan el mismo principio de las arriba mencionadas y se utilizan para condiciones en las que el vehículo está en pleno movimiento.
3.7.2 APERTURA Y CIERRE DEL FRENO DE APARCAMIENTO
El sistema EPB brinda la posibilidad de aparcar el vehículo de forma segura sobre declives pronunciadas, gracias a que poseen una fuerza igual a 20 kilo Newton, con un tiempo de respuesta menor a un segundo y una activación para respaldo en pendientes cuando la inclinación es mayor a 11 grados. La apertura y el cierre del freno de estacionamiento electromecánico están dados por el pulsador del panel.
23 el sistema con el vehículo encendido, el testigo luminoso se enciende en el pulsador de este freno y en el panel de instrumentos.
Finalmente si se acciona el sistema con el vehículo apagado, ambos testigos se van a encender pero solamente por el lapso de 30 segundos.
Apertura. La desactivación de este sistema solamente se puede ejecutar cuando el vehículo se encuentra encendido y toda vez que se pisa el pedal de freno y el pulsador del freno al mismo tiempo.
En la figura 16, se muestra las condiciones de entrada y salida para el uso del freno en condiciones de estacionamiento o aparcamiento.
Figura 16. Condición de operación en aparcamiento o estacionado
En la tabla 3, se puede apreciar otras configuraciones de marcas que han implementado el EPB en su sistema de freno de estacionamiento.
Tabla 3. Otras condiciones de activación para EPB
Marca Condición
Hyundai Vehículo Off
Renault Vehículo Off+Pulsador EPB
3.7.3 OPERACIÓN DEL ASISTENTE DINÁMICO EN PENDIENTE
Esta función permite el arranque en zonas con pendiente, para no perder el control del vehículo. Para que este procedimiento se ejecute, deben estar cumpliéndose las siguientes condiciones:
Puerta de conductor cerrada
Cinturón de seguridad abrochado
Motor en funcionamiento
Inclinación mayor a 11 grados
Para la apertura del freno de estacionamiento electromecánico el proceso está sujeto a los siguientes requisitos:
Par del motor
Posición del pedal del acelerador
Accionamiento del pedal de embrague (en vehículos con TM se analiza la posición del pedal del embrague)
Para la arrancada con el freno de estacionamiento accionado, no es necesario tener el pedal de freno presionado, en cuanto se acciona el acelerador se suelta automáticamente el freno de estacionamiento, permitiéndole al vehículo ponerse en marcha. En la arrancada en pendiente, el sistema ayuda al conductor en lo siguiente:
Apertura dosificada de las mordazas que conforman el sistema de freno electromecánico.
El conductor ya no tiene que ocupar el penal del freno y el acelerador al mismo tiempo.
Eliminar la tensión en el tráfico.
25
Figura 17. Condición de operación de arranque en pendiente
En la tabla 4, se registra diferentes configuraciones de ángulo para la activación del EPB como asistente para arrancada.
Tabla 4.Diferentes configuraciones de Angulo para activación de EPB
Marca Angulo BMW 11 grados Land rover 9 grados
Hyundai 9 grados Renault 11 grados
3.7.4 OPERACIÓN DEL EPB PARA FRENADA DE EMERGENCIA
Bajo una avería del pedal del freno o si este se encuentra bloqueado, es posible que el conductor se respalde usando el EPB para una frenada intensa por medio de la función frenada dinámica de emergencia.
Para la activación debemos mantener presionado el pulsador para freno de estacionamiento electromecánico, lo que nos permitirá obtener una desaceleración de aproximadamente 6 𝑚/𝑠2.En esta operación suena una señal acústica para dar aviso del proceso y se encienden las luces de freno. Esta función dinámica se ejecuta en las cuatro ruedas toda vez que la velocidad del vehículo sea superior a 7 km/h y a base de la generación de presión hidráulica en el circuito de frenado.
Cabe mencionar que si se realiza este proceso a una velocidad inferior a los 7 km/h, el freno de estacionamiento se cerrara por la vía electromecánica. Finalmente si después de una frenada dinámica de emergencia, la velocidad de marcha aun es superior a 7 km/h, se suelta el freno en cuanto se deja de oprimir el pulsador o en cuanto se acciona nuevamente el pedal del acelerador. Si el vehículo se detuvo por completo luego de esta frenada, es imperativo que realicemos este proceso para desactivar el freno de estacionamiento como se indica en la parte superior.
3.7.4.1 Procedimiento
El conductor mantiene presionado el pulsador para freno de estacionamiento.
La unidad de control del EPB se comunica a través del CAN-Bus privado con la unidad de control del ABS y comprueban que la velocidad del vehículo sea superior a 7 km/h.
La bomba hidráulica del sistema de frenos es excitada por la unidad de control del ABS y se genera la presión hidráulica en el sistema de tuberías que van hacia las cuatro ruedas. El vehículo se frena.
Si el conductor suelta el pulsador para freno de estacionamiento o si presiona el pedal del acelerador, esta señal es procesada en la unidad de control del EPB.
La unidad de control para el freno de estacionamiento electromecánico se comunica con la unidad de control del ABS por medio de la CAN-Bus privada y comprueban que la velocidad de marcha sea inferior a 7 km/h.
La bomba hidráulica del sistema de frenos es excitada por la unidad de control del ABS y se disminuye la presión hidráulica de frenado. Las mordazas se aflojan.
3.7.5 FUNCIONAMIENTO AUTO HOLD
Esta función de asistencia, apoya al conductor en parada y en las fases de arrancada (en marcha adelante o marcha atrás). (Martín, Pérez, & Á., 2009) Auto Hold combina las siguientes funciones de asistencia:
Stop and Go.- Dicha función permite al conductor no tener que mantener presionado el pedal de freno cuando este se encuentra en el tráfico o en caravana.
Asistente en arrancada.- Asiste al conductor para la arrancada en pendientes, como se menciona en la parte superior; el vehículo no retrocede hacia atrás.
27 Toda vez que el AUTO HOLD se encuentre activado y se procede a parar el motor, abrir la puerta del conductor, desabrochar el cinturón de seguridad del conductor o apagar el vehículo, se activará automáticamente el freno de estacionamiento.
Para que el AUTO HOLD pueda activarse, se debe cumplir con los siguientes requerimientos de funcionamiento:
Puerta del conductor cerrada
Cinturón de seguridad abrochado
Motor en funcionamiento
3.7.6 SELECCIÓN DE ESTRUCTURA PARA BASE SOPORTE
Para la selección de la estructura soporte se consideró el peso del conjunto mecánico (+20 kg) y que obligatoriamente la misma pueda resistir perforaciones en su estructura, sin que pueda verse afectada en su construcción. Por tal motivo se escogió una caja para albergar medidores de electricidad del tipo industrial, la cual por su uso puede permanecer en condiciones adversas de clima y resistir varias perforaciones según la disposición que se le deba dar a los elementos del banco de prueba.
Las dimensiones de la caja son:
Largo: 40 cm
Ancho: 15 cm
Profundidad: 30 cm
En la figura 18, se observa una caja metálica para medidores.
Figura 18. Caja metálica para base soporte
3.7.7 PERFORACIÓN E INSTALACION DE ELEMENTOS
Todas ellas en base a un marcado y distribución de las funciones que se dispuso, intervendrían en cada proceso de funcionamiento.
Para la correcta instalación de los elementos, se diseñó los agujeros de tal manera que los mismos ejerzan fuerza en el apriete en los pulsadores y sensores instalados.
En la figura 19, se muestra la ubicación de algunos elementos en la tapa base.
Figura 19. Fijación de elementos y sensores en tapa base
3.7.8 SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS
Los elementos mecánicos del banco se seleccionaron en base al análisis de las características constructivas del sistema de freno posterior del Volkswagen Passat, es así que en base a la disponibilidad del mercado y considerando que en el país el modelo Passat es poco común.
Se procedió a realizar la respectiva búsqueda e identificación de los elementos como son:
el disco de freno
mordaza electrónica y
manzana de freno
29 figura 20. Las partes mecánicas que se importaron se muestran en las figuras 21, y 22 respectivamente.
Figura 20. Disco de freno y soporte
Figura 21. Manzana posterior de rueda
Figura 22. Mordaza con freno electromecánico
La mordaza de freno tiene dos formas de trabajo que son:
Electromecánica e
La primera se lleva a cabo gracias a un motor eléctrico que se encuentra en la parte posterior del cilindro. En su interior lleva unas correas dentadas y su conformación y funcionamiento se puede registrar en el Anexo 3.
El soporte para la mordaza de freno posee una configuración convencional donde se instalan las lainas anti ruido de manera normal, según como se observa en la figura 23.
Figura 23. Soporte de Caliper
3.7.9 DISEÑO DEL CIRCUITO ELECTRÓNICO
La placa electrónica se programó de tal manera que los elementos mecánicos y electrónicos permitan simular las dos funciones principales que realiza un sistema de freno electromecánico, estas son: la apertura y cierre del freno de aparcamiento y el asistente dinámico para arranque en pendiente. La programación está configurada en una placa Arduino que se muestra en el Anexo 1.
Para la introducción de la respectiva programación, se sigue el siguiente proceso:
Descargar la librería de la red para la programación de la placa arduino básica
Conectar cable USB al ordenador y posterior en el conector de la placa arduino
Abrir la librería desde el ordenador y escribir la programación deseada
Guardar los cambios en el proyecto que se creó en la librería
Cerrar la librería
31
Figura 24. Placa Arduino
La figura 25, se muestra los componentes electrónicos de la placa de mando para las señales de entrada y salida designadas.
Figura 25. Elementos del circuito electrónico
El circuito electrónico consta de los siguientes elementos:
Tarjeta de control Monster JK, permite el control de corriente y sentido de giro del motor del freno.
Microchip 7012, permite el control de las señales de entrada y salida, según las condiciones de trabajo establecidas.
Display LCD, muestra la condición de trabajo con base a la programación Arduino desarrollada, se muestra en la figura 24.
Acelerómetro, permite la modificación de la señal para inducir una pendiente. La condición de pendiente establecida en la programación es de igual o mayor a 11º, misma que es la general que usa para el sistema EPB de Volkswagen.
En el panel de control de la figura 26, se muestran los elementos eléctricos como:
Pulsadores
Interruptores
Selectores
Pantalla
Figura 26. Panel de control del freno electromecánico
3.7.10 CONEXIÓN DE ELEMENTOS ELECTRÓNICOS
33 Los elementos en su parte anterior están conectados con cable plano hacia la placa madre por medio de suelda blanda a base de estaño.
Solo para el caso de los sensores como el acelerómetro, infrarrojo y tope de contacto de alarma se utilizó los mismos cables con los que envía el fabricante.
En la figura 27, se puede ver los pulsadores y sensores conectados en la placa madre que contiene el arduino básico, transformador, procesador y demás.
Figura 27. Placa madre con elementos y sensores conectados
3.7.11 MONTAJE DE ELEMENTOS MECÁNICOS EN EL BANCO
Para el proceso de fabricación y montaje del banco se conjuga los componentes mecánicos y el circuito electrónico programado en Arduino. El banco se montó en una caja metálica, siendo los componentes mecánicos instalados sobre una estructura metálica conformada por una platina de 5 mm de espesor para la base, un tubo rectangular de 13cm de longitud dispuesto de manera vertical sobre la base y un eje de 14 mm de diámetro con su respectiva rosca en un extremo para la sujeción de la manzana y disco de freno.
En las figura 28, se muestra parte del proceso de maquinado del eje, en el que reposa el disco de freno y la manzana.
Figura 28. Maquinado del eje porta disco y manzana
Para el soporte de apoyo que se fijó en la tapa base, se utilizó una platina y un tubo rectangular soldada entre sí con las medidas especificadas anteriormente, los mismos fueron equilibrados para que el conjunto pueda mantenerse perpendicular por sí solo.
El soporte de la mordaza se fijó de tal manera que permitiese que el peso del caliper iguale al del disco, equilibrando el conjunto fácilmente sobre la platina base. Para esto se lo construyó con platina de espesor igual a 9 mm y por medio de dos pernos con rodelas de presión de 19 milímetros se fijó en uno solo.
La suelda que se utilizó para la base del conjunto disco-manzana y para el soporte de la base de la mordaza, se realizó con electrodo E60-11 mismo que ofrece las condiciones y resistencia necesaria para soportar el peso de todo el conjunto.
Para el eje que sostiene el disco y la manzana, se escogió acero para maquinado rápido de la especificación HSS, mismo que permite trabajar a altas velocidades en el torno y resistir altas temperaturas.
35 En la figura 29, se indica el conjunto pulido y terminado
Figura 29. Conjunto armado y equilibrado
El proceso de elaboración se muestra en el diagrama de flujo de la figura 30, y la explicación detallada del mismo, se puede revisar en el Anexo 2.
Figura 30. Proceso de elaboración del banco de freno electromecánico
3.8 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
37 banco de freno electromecánico, donde se puede seleccionar cualquiera de las dos aplicaciones de funcionamiento por separado.
Figura 31. Control del banco de freno electromecánico
Las aplicaciones de trabajo 1 y 2 se muestran en el display del cuadro de control, representado en las figuras 32 y 33 respectivamente.
Figura 32. Funcionamiento 1
Los resultados de las pruebas de funcionamiento una vez calibrados los elementos electrónicos de la aplicación 1, se muestran por separado en la tabla 5 y tabla 6.
Tabla 5. Pruebas de funcionamiento panel aplicación 1
En la tabla 6, las pruebas de funcionamiento de la aplicación 1 para la pantalla LCD Tabla 6.Pruebas de funcionamiento pantalla LCD aplicación 1
Condición Elemento Posiciones Estado
Funcionamiento 1 Selector de Aplicación Funcionamiento 1/Funcionamiento 2 OK
Llave de encendido
On/ Off OK
Interruptor para freno EPB
Activado/ Desactivado OK
Pulsador para pedal de freno
Presionado/Sin presionar OK
Condición Elemento Descripción Pantalla
LCD Resultado
Funcionamiento 1
Selector de Aplicación
FUN 1
OK
Llave de encendido ON/OF OK
Interruptor para freno EPB
ACT/DES
OK
Pulsador para pedal de freno
NFREN/ FREN
39 Los resultados de las pruebas de funcionamiento una vez calibrados los elementos electrónicos de la aplicación 2, se muestran por separado en la tabla 7 y tabla 8.
Tabla 7.Pruebas de funcionamiento panel aplicación 2
Condición Elemento Posiciones Estado
Funcionamiento 2 Selector de Aplicación Funcionamiento 1/ Funcionamiento 2 OK Llave de encendido
On/ Off OK
Cinturón de Seguridad
Cerrado/ Abierto OK
Puerta de conductor
Puerta cerrada/ Puerta abierta OK
Inclinación 11
grados 0 grado/11 grados
OK
Pedal del
Acelerador Presionado/ Sin presionar
OK
En la tabla 8, las pruebas de funcionamiento de la aplicación 2 para la pantalla LCD Tabla 8. Pruebas de funcionamiento pantalla LCD aplicación 2
Condición Elemento Descripción Pantalla
LCD Resultado
Funcionamiento 2 Selector de Aplicación FUN 2 OK
Llave de encendido
ON/OF OK
Cinturón de Seguridad CON/COF OK Puerta de conductor OP/CL OK Inclinación 11 grados > 11
< 11 OK
Pedal del Acelerador
Sin referencia
Finalmente como parte de las pruebas se comprobó el voltaje que el voltaje que circula en los dos procedimientos cuando estos se ejecutan, es proporcional al desgaste que existe en las pastillas.
Es decir que el motor varía el consumo del voltaje, en función del recorrido que tiene que realizar el pistón para cerrar y abrir la mordaza de freno.
En la tabla 9, se observa el registro del voltaje que circula en el sistema.
Tabla 9. Comprobación de Voltaje
Condición Proceso Voltaje requerido en apertura
Voltaje requerido en
el cierre Funcionamiento 1 Aparcamiento 9.20 voltios 7.94 voltios
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 CONCLUSIONES
La asistencia de frenado para el estacionamiento requiere de condiciones de entrada y salida apropiadas, las mismas que se pueden simular utilizando elementos eléctricos apropiados que combinados con la programación Arduino permiten obtener el resultado deseado.
Las condiciones de trabajo del banco de pruebas demuestran la utilidad de la incorporación de los sistemas de seguridad en el vehículo, la asistencia para el arranque en condiciones de pendiente en ciudades como la de Quito es una muestra de ello.
La condición de accionamiento del freno electromecánico una vez apagado el vehículo, favorece la seguridad del vehículo, ya que su desactivación requiere de la llave de encendido, como se demuestra el banco de pruebas.
El voltaje que se consume para la apertura y cierre de la mordaza, es proporcional al desgaste que tienen las pastillas.
La resistencia a la rodadura del vehículo, disminuye en función del aumento de la inclinación que pueda tener la pendiente en la que se encuentra el vehículo.
Las aplicaciones del banco de pruebas, permiten simular las condiciones de operación reales de un vehículo y debido a su programación y elementos, permitirán incorporar otras alternantes a la operación del banco de pruebas.
42
4.2 RECOMENDACIONES
Para la ejecución del mantenimiento en el sistema EPB, es de suma importancia que se disponga de un equipo de diagnóstico que permita realizar la apertura y cierre de la mordaza de manera independiente a la condición de encendido del vehículo.
Cuando el vehículo sufra una descompostura en la que no se puede encender, es imperativo evitar remolcar el vehículo con el sistema activado, puesto que dicha acción puede romper internamente los engranes del motor eléctrico que contrae el cilindro de la mordaza.
Se debe considerar no colocar objetos de peso considerable cerca del botón de accionamiento del EPB, puesto que si el vehículo está en marcha y a una velocidad superior a 7 km/hr, se puede accionar la frenada dinámica de emergencia misma que puede ocasionar un siniestro.
Una vez que el cilindro ha sido retraído en su función electromecánica, se debe retraerlo también en su función hidráulica y para esto nunca se debe utilizar un kit de opresores para mordazas manuales, si la mordaza es del tipo EPB.
De preferencia es mejor siempre tener activado el botón AUTO HOLD, ya que este combina todas las opciones de funcionamiento del sistema, y de esta manera se evita el así el excesivo desgaste de activar y desactivar el sistema por medio del botón independiente EPB; utilizándolo solo en el caso de requerir una frenada dinámica de emergencia.
Cuando se aplica el EPB, la luz testigo debe parpadear tres veces y apagarse; lo que indica que el sistema está en funcionamiento, si la misma no se apaga es necesario que se revise el sistema de manera inmediata puesto que puede producirse daños en la red CAN o en los motores eléctricos de las mordazas.
En el banco de pruebas daba la facilidad de programación, se puede modificar las condiciones de trabajo, para entender el funcionamiento del freno electromecánico
43
5. BIBLIOGRAFÍA
Antamba, J. (2016). Sistemas de frenos- Motorbit. Recuperado el 06 de 03 de 2016, de http://motorbit.com/sistemas-de-frenos/?pais
Astudillo, M. O. (2010). Tecnología del Automovil. Madrid: Paraninfo.
Borja, J. C., Fenoll, J., & Seco, D. H. (2009). Sistema de transmisión y
frenado. Madrid: Macmillan Iberia.
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confortabilidad: grado medio. España: Macmillan Iberia.
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la conducción. Málaga: Editorial IC.
Tripartida, F. (2016). Recuperado el 23 de 01 de 2016, de http://www.slideshare.net/vigaja30/sistema-de-frenado
Ward, D. (2012). LATINCAP. Recuperado el 01 de Junio de 2016, de LATINCAP:
ANEXO 1
CODIGO FUENTE PROGRAMACION ARDUINO
#include <math.h>
#include <LiquidCrystal.h>
static int angle = A0; static int power = A1; static int belt = A2; static int func = A5; static int mota = 2; static int motb = 3; static int elbrake = 4; static int puerta = 5; static int brake = 6; static int acele = 7;
int valangle; int valpower;
46 boolean bpuerta;
boolean bbrake; boolean bacele;
boolean bfunc;
boolean cerrado; boolean abierto; boolean act;
LiquidCrystal lcd(13, 12, 11, 10, 9, 8);//rs,e,d4,d5,d6,d7
void setup() {
analogReference(EXTERNAL); Serial.begin(9600);
delay(1000); lcd.begin(16, 2);
//para arrancar cierro digitalWrite(mota, LOW); digitalWrite(motb, HIGH); delay(4000);
digitalWrite(mota, LOW); digitalWrite(motb, LOW); //para arrancar abro delay(1000);
digitalWrite(mota, HIGH); digitalWrite(motb, LOW); delay(2000);
digitalWrite(mota, LOW); digitalWrite(motb, LOW); abierto = true;
}
