Mecanismos de Frenos en Vehículos

El mecanismo de frenado es el otro elemento medular del sistema automatizado para frenado. Este mecanismo básicamente accionará el pedal del freno con la fuerza y rapidez requeridos. La normativa norteamericana, FMVSS 571.135, y europea, UN-R13H, coinciden en establecer una fuerza de frenado para vehículos ligeros que debiera alcanzar hasta 1000 N (102 kgf) (National Archives and Records Administration. FMVSS 571.135, 2021), (United Nations. UN Regulation No. 13-H. Rev.4, 2018). La normativa europea aplicable a frenos de vehículos de carga (United Nations. Regulation No. 13 Rev. 8, 2014) señala una fuerza máxima de 70daN, lo que corresponde a 700 N (71 kgf), en el pedal de freno. La Norma Mexicana NMX-D-5-1980 establece una fuerza máxima sobre el pedal de freno, para vehículos automotores de menos de 2700 kg, no mayor a 890 N (91 kgf) (Secretaría de Comercio y Fomento Industrial. Dirección General de Normas. NMX- D-5-1980, 1980). En este sentido, es deseable que la implementación del mecanismo de frenado debiese desarrollar una fuerza de frenado de hasta 1.2 el valor máximo de los valores anteriores, lo cual correspondería a 1200 N (122 kgf). Solo las normativas americana y europea (FMVSS 571.135 y UN-R13H, respectivamente) indican una máxima razón de incremento de fuerza en el pedal de hasta 200 N/s.

El accionamiento o desplazamiento del pedal de freno pudiera lograrse por medio de un mecanismo o actuador que ofrezca un movimiento lineal o un movimiento angular. Dado que la señal de salida generada por el sistema de control es una señal eléctrica que puede ser acondicionada a un nivel de potencia específico, el mecanismo de frenado deberá recibir una señal eléctrica como señal de comando para producir el movimiento deseado y eventualmente presionar el pedal de freno del vehículo. De la revisión de los sistemas de frenado automático, se pueden identificar además de los movimientos lineal o angular, tres sistemas básicos de accionamiento que son electro-neumático, electrohidráulico y eléctrico o electrónico.

 Actuador electro-neumático

Un actuador electro-neumático lineal o angular puede utilizar la energía eléctrica para dos propósitos. El primero, para accionar un motor eléctrico que pone en movimiento a un pequeño compresor que presuriza aire para para introducirlo a las cámaras de actuador o cilindro de control que producirá el movimiento del vástago del actuador. El segundo, para energizar electroválvulas que controlan el flujo del aire, almacenado en algún sistema, hacia una u otra cámara del actuador lineal o angular. Para el segundo caso, dado que no existe una bomba que presurice el aire, es necesaria la existencia de algún elemento que almacene aire a presión el cual será controlado por las electroválvulas. La Figura 5.9 muestra algunos ejemplos de actuadores electro-neumáticos, cuyas líneas de aire llegan a cada extremo del actuador para producir su desplazamiento hacia uno u otro lado.

Aunque la mayoría de estos sistemas comerciales son voluminosos, por lo que pudiesen no ser factible su implementación como mecanismo de accionamiento del pedal de freno, algunos sistemas más avanzados y especializados, pero de mayor costo, pudiesen existir en el mercado como aparentemente se puede inferir de los sistemas robotizados mostrados en las Figuras 4.1, 4.2, 4.7 y 4.11.

 Mecanismo de accionamiento electrohidráulico

De manera análoga al mecanismo de accionamiento electro-neumático, un actuador con accionamiento electrohidráulico utiliza energía eléctrica para comandar en primer lugar una bomba que presuriza un líquido para generar potencia hidráulica con la cual se generará la fuerza motriz para poner en movimiento lineal o angular al actuador. Al generarse la fuerza motriz hidráulica, también la energía eléctrica acciona una electroválvula para el control completo del actuador. Movimientos complejos del actuador en cuanto a direcciones, velocidades y tiempos de accionamiento requieren de válvulas más sofisticadas denominadas electro- servoválvulas. El desempeño global de un mecanismo de accionamiento electrohidráulico requiere de otros dispositivos o sensores de retroalimentación para el control de los movimientos. La Figura 5.10 muestra un par de ejemplos de actuadores electrohidráulicos.

 Mecanismo de accionamiento eléctrico o electrónico

Los avances tecnológicos en la ingeniería mecánica, eléctrica, electrónica y de control han permitido el desarrollo de diversos mecanismos de activación y control mucho más compactos y los actuadores sean lineales o angulares no son la excepción. Los actuadores de accionamiento eléctrico o electrónico son propulsados básicamente por motores eléctricos de corriente directa o por motores de pasos. El movimiento del motor eléctrico usualmente acciona una serie de engranes para finalmente producir el movimiento lineal o angular del actuador. En este sentido, el accionamiento del actuador es esencialmente electromecánico. La Figura 5.11 muestra algunos ejemplos de actuadores lineales eléctricos o electromecánicos.

 Se encuentra establecido como requerimiento que el sistema de frenado automatizado, una vez instalado, no debe obstruir los movimientos naturales de control del conductor ni interferir con sus extremidades inferiores o superiores. Dicho requerimiento implica que el sistema automatizado para frenado no deba ser voluminoso. Por tanto, pudiesen quedar excluidas las alternativas de desarrollar el sistema con base en mecanismos electro-neumático, electrohidráulico o electromecánico, ya que estos, en su mayoría, tienden a ser voluminosos.

Otra alternativa para el desarrollo del sistema de frenado automatizado es utilizar directamente un motor de corriente directa, un motor de pasos o un servomotor. Por ende, el movimiento rotatorio de estos debe acoplarse a un mecanismo que permita generar el desplazamiento del pedal de freno del vehículo. Algunos sistemas de frenado automatizado que utilizan esta tecnología son los mostrados en las Figuras 4.5, 4.6, 4.8 y 4.10. A diferencia del motor de corriente directa y del motor de pasos, un servomotor, el cual incorpora ya sea un motor de corriente directa o uno de corriente alterna, incluye algún dispositivo o sensor, usualmente de posición, que genera una señal de retroalimentación a través de la cual se logra un control más preciso en términos de posición, velocidad y aceleración angulares. Adicionalmente, un servomotor solo puede girar una determinada cantidad de grados hacia una u otra dirección, lo cual permite una mejor precisión de movimientos. La Figura 5.12 muestra unos ejemplos de motores de corriente directa, motores de paso y servomotores.

Derivado de lo anterior, se propone que el elemento que genere la fuerza sobre el pedal del freno sea por medio de un motor de corriente directa o de un servomotor cuyo par sea capaz de producir hasta 1200 N de fuerza sobre el pedal, como se estableció en el apartado 5.5. Asimismo, el arreglo del sistema deberá ser capaz de poder desarrollar una máxima rapidez de aplicación de esta fuerza de hasta 200 N/s. Por tanto, el par o torque del motor elegido debe garantizar que se cumplan los requerimientos anteriores. De igual manera, se deberá considerar en la instalación del sistema dentro del vehículo, su ubicación y los espacios disponibles entre este, el asiento del conductor y el pedal de freno; permitiendo en todo momento el movimiento libre de los pies del conductor. La Figura 5.13 muestra el planteamiento de las posibles posiciones del pedal de freno al ser desplazado debido al movimiento iniciado por el motor elegido, así como los elementos de enlace.