Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada,

que comprende un circuito hidráulico donde es regulada la presión de frenado mediante el control de una válvula proporcional de presión, la cual mantiene la presión necesaria en el pistón de freno para realizar la frenada adecuada. El control de la frenada es realizado en todo momento por un sistema de control capaz de conocer la adherencia existente en cada instante y establecer las condiciones idóneas de presión en el pistón de frenada, produciéndose en todo instante un control óptimo de dicha presión y consiguiendo que en el vehículo no se produzcan deslizamientos excesivos en ninguna de sus ruedas. La frenada del automóvil se puede realizar también de forma manual, cuando la válvula 5/2 está en posición de reposo, o en caso de mal funcionamiento del control automático de la frenada

Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada.

Sector de la técnica

La presente invención se engloba dentro del sector de la automoción, y en particular en el área tecnológica de los sistemas de control de frenada de vehículos.

Estado de la técnica

El sistema de frenos es uno de los elementos de seguridad activa más importantes en los vehículos automóviles, es el encargado de reducir la velocidad hasta su parada si es necesario. El desarrollo de sistemas de frenado que mantengan la estabilidad y el control del vehículo, consiguiendo además una distancia de frenado lo más corta posible, ha sido un reto desde que los vehículos de tracción comenzaron a aumentar la velocidad y la potencia de sus motores. En la actualidad la mayoría de los fabricantes ofrecen entre las opciones de equipamiento de sus vehículos numerosos dispositivos relacionados con el equipo de frenos: sistemas antibloqueo (ABS), control de estabilidad (ESP), control de tracción (TCS), frenos electrohidráulicos (EHB), distribución electrónica de frenada (EBD), sistemas de ayuda a la frenada de emergencia (BAS). Todos estos sistemas mejoran la seguridad de una u otra manera en los procesos de frenada. La optimización de su funcionamiento se consigue mediante el desarrollo de modelos, la realización de pruebas en bancos de ensayo y su posterior comprobación en vehículos monitorizados.

Entre los sistemas de más amplia implantación en vehículos se encuentra los sistemas antibloqueo de frenos (ABS.- Antilock Brake System). Los beneficios de la incorporación de estos dispositivos ha provocado que su instalación sea altamente recomendable en la práctica totalidad de los vehículos, e incluso se contemple como obligatoria en gran número de ellos.

El bloqueo de las ruedas es el responsable de la pérdida de direccionabilidad del vehículo, lo que impide por ejemplo el poder sortear un obstáculo cuando las ruedas están deslizando. Esta pérdida de direccionabilidad es debida a la utilización de toda la fuerza de adherencia entre el neumático y la carretera en esfuerzo de frenado, no teniendo efecto los esfuerzos laterales de guiado. El sistema antibloqueo de ruedas consigue mejorar la eficacia de los sistemas de frenado de los vehículos, mejora la estabilidad de los mismos y proporcionan un mejor control y progresión de la frenada, gracias al control sobre el bloqueo de las ruedas. En la práctica esto se traduce en una mejora del control y de la direccionabilidad del vehículo en los procesos de frenada de emergencia, sobre todo en condiciones de baja adherencia y, junto a ello, se consigue, en la mayoría de las ocasiones, una reducción de la distancia de frenado.

Los sistemas ABS convencionales hacen uso de electroválvulas todo-nada que son las encargadas de permitir el aumento de la presión, y por tanto de la fuerza de frenada en el bombín de freno, y el mantenimiento de la presión o la disminución de la misma cuando se produce la situación de deslizamiento de la rueda. Estas electroválvulas permiten un funcionamiento rápido y fiable del sistema antibloqueo. Sin embargo la liberación de presión en el bombín de freno se realiza de forma completa al abrir la válvula.

Otra parte fundamental en los sistemas antibloqueo de frenos es el algoritmo de control que activa las electroválvulas todo-nada. El principal problema que se encuentra este algoritmo para realizar un proceso de frenada óptimo es poder determinar el grado de deslizamiento que se está produciendo en las ruedas para poder operar dentro de la zona óptima de la curva de adherencia. Para conocer el índice de deslizamiento necesitamos conocer la velocidad de giro de las ruedas, la velocidad lineal del vehículo y el radio del neumático. La velocidad de giro es medida mediante captadores inductivos y gracias a la instalación de ruedas fónicas en las ruedas. El radio del neumático puede ser estimado adecuadamente conociendo las dimensiones de la rueda, su rigidez y la carga vertical sobre el mismo. Los principales problemas se encuentran cuando se, trata de calcular o estimar la velocidad del vehículo.

La presente invención permite solventar los mencionados problemas asociados a los sistemas de frenado convencionales.

Descripción detallada de la invención

El sistema de frenado objeto de la presente invención comprende un circuito hidráulico simplificado con respecto a la configuración tradicional de un sistema ABS convencional, y un sistema de control de dicho circuito hidráulico.

El circuito hidráulico se ha simplificado con respecto a la configuración de ABS tradicional ya que se han eliminado las 2 válvulas de dos posiciones y 2 vías y se han sustituido por una válvula proporcional. Esta configuración permite que tanto en los momentos de reducción de presión como en los de aumento el proceso se realice de forma controlada y hasta unos niveles óptimos, no siendo necesaria por ejemplo la disminución total de la presión en el caso del bloqueo.

Al igual que ocurre con los sistemas tradicionales hay que garantizar el funcionamiento del sistema de frenos cuando el ABS falla (por falta de suministro eléctrico y mal funcionamiento del control). Para ello, la presente invención comprende una válvula de doble efecto y tres vías. Esta válvula de dos posiciones es activada por la unidad de control y en caso de mal funcionamiento del sistema de control o por perdida de tensión eléctrica, la válvula será desconectada, permitiendo el funcionamiento manual del circuito de frenada, y por tanto permitiendo al conductor actuar el pedal de freno de forma manual.

Por su parte, el sistema de control comprendido en la presente invención incluye un algoritmo que permite calcular en todo momento el deslizamiento y determinar, mediante técnicas basadas en lógica difusa, las características de la superficie por la que está circulando el vehículo y la presión a aplicar en el circuito de frenos, factores fundamentales para garantizar el correcto funcionamiento del sistema antibloqueo.

El sistema de control hace de interfaz entre el conductor y circuito hidráulico de frenada, con lo que el conductor tiene la sensación de ser quien actúa el sistema de frenos, aunque en realidad el control de la frenada se establece mediante una lógica de control en función de la fuerza que establece el conductor en el pedal de freno y de las condiciones de adherencia de la calzada. En conclusión, se puede hablar de un sistema automático e inteligente de frenada.

Descripción de los dibujos

Figura 1.- Esquema hidráulico del circuito de frenada. Modo manual de funcionamiento. En el modo manual se muestra la válvula (4) en la posición para establecer este tipo de modo manual.

Figura 2.- Esquema hidráulico del circuito de frenada. Modo automático de funcionamiento. En esta figura se muestra la válvula (4) en la posición para establecer el modo automático.

Figura 3.- Esquema control válvula proporcional de presión. Diagrama de bloques del sistema de frenado, que controla la válvula proporcional de presión (8).

Figura 4.- Curvas característica de adhesión. Curvas de adhesión para distintos tipos de carreteras o condiciones de adherencia.

Figura 5.-Funciones miembros en el bloque de control (14). a) Entrada coeficiente de rozamiento b) Entrada deslizamiento c) Salida tipo carretera.

Figura 6.- Obtención reglas para el caso de deslizamiento.

Figura 7.- Superficie generada por el bloque de control fuzzy para determinación tipo carretera (14).

Figura 8.- Funciones de las variables de entrada y salida al bloque de control (15). a) Variable de entrada error, b) Variable de entrada diferror. c) Variable de salida presión.

Figura 9.- Superficie de salida del bloque de control fuzzy (15).

Modos de realización de la invención

A continuación se describe y explican modos de realización preferidos de la invención, sin carácter limitativo.

El sistema de frenado objeto de la presente invención comprende preferentemente dos modos de funcionamiento: modo manual y modo automático.

En modo manual (figura 1), la válvula 5/2 (4) estaría en posición de reposo, no existiendo tensión de alimentación en dicha válvula (4). La posición de reposo puede ser inducida por un fallo en el sistema de alimentación (por ejemplo, batería con baja carga), porque... [Seguir leyendo]

1. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada caracterizado porque comprende un circuito hidráulico simplificado con respecto a la configuración tradicional de un sistema ABS convencional, y un sistema de control de dicho circuito hidráulico, comprendiendo dicho circuito hidráulico:

a. Una válvula proporcional de presión (8), que sustituye a las 2 válvulas de dos posiciones y 2 vías presentes en un sistema ABS convencional, y que permite que tanto en los momentos de reducción de presión como en los de aumento el proceso se realice de forma controlada y hasta unos niveles óptimos, no siendo necesaria por ejemplo la disminución total de la presión en el caso del bloqueo.

b. Una válvula de doble efecto y tres vías, de dos posiciones (4), activable por el sistema de control del circuito hidráulico y desactivable cuando el sistema de frenado no funciona correctamente o cuando el usuario así lo decide.

2. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según la reivindicación anterior caracterizado porque el sistema de control del circuito hidráulico incluye un algoritmo que permite calcular en todo momento el deslizamiento y determinar, mediante técnicas basadas en lógica difusa, las características de la superficie por la que está circulando el vehículo y la presión a aplicar en el circuito de frenos.

3. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según la reivindicación anterior caracterizado porque comprende preferentemente dos modos de funcionamiento: modo manual y modo automático.

4. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según la reivindicación anterior caracterizado porque, en modo manual, la válvula 5/2 (4) estaría en posición de reposo, no existiendo tensión de alimentación en dicha válvula (4), pudiendo ser inducida dicha posición de reposo por un fallo en el sistema de alimentación (por ejemplo, batería con baja carga), porque el usuario desactive el modo automático de funcionamiento del sistema de frenado automático, o porque el sistema de control del sistema de frenado identifique un fallo de funcionamiento (por ejemplo, mal funcionamiento de los sensores de velocidad (10)).

5. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según la reivindicación anterior caracterizado porque cuando dicha válvula (4) está en posición de reposo, toda la presión ejercida por el conductor cuando pisa el pedal de freno y actúa la bomba de freno (3) va directamente al pistón de freno (6), que presiona las pastillas de freno (7) sobre el disco de freno (9), frenando de esta forma el vehículo.

6. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5 caracterizado porque, en modo automático, la válvula (4) es activada por el sistema de control mediante una señal eléctrica, desconectando la presión hidráulica ejercida por el conductor mediante la bomba de freno (3), siendo dicha presión transferida a un acumulador de presión (5), siendo la válvula (4) la que conecta la presión ejercida por la bomba hidráulica (1), y que es almacenada en el acumulador de presión (2), al circuito principal de frenada.

7. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según la reivindicación anterior caracterizada porque la presión ejercida por la bomba hidráulica (1), y que es almacenada en el acumulador de presión (2), es regulada por la válvula de presión (8) mediante la lógica de control deseada y llega al pistón de freno (6) que actúa sobre las pastillas de freno (7), presionando estas al disco de freno (9), frenando de esta forma el vehículo.

8. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7 caracterizado porque el sistema de control del circuito hidráulico de frenado es un sistema de control en bucle cerrado y comprende los siguientes bloques fundamentales:

a. Bloque para estimar el coeficiente de rozamiento μ_X y utilizar este valor para determinar la velocidad del vehículo ν_B (12),

b. Bloque para obtener el deslizamiento existente en cada instante (13),

c. Bloque fuzzy para detectar el tipo de carretera (14),

d. Bloque fuzzy de control de la presión de frenado (15).

9. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según la reivindicación anterior caracterizado porque el bloque (12) tiene como entrada la velocidad angular del neumático ω, la cual puede ser obtenida por cualquier sensor comercial al uso (10), y la presión de frenado P_B, la cual es calculada por el sistema de control mediante el bloque (8'), que modela matemáticamente el funcionamiento de la válvula proporcional (8), y tiene como salida los valores de velocidad lineal del vehículo ν_B y coeficiente de rozamiento μ_X.

10. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según la reivindicación anterior caracterizado porque:

a. El coeficiente de rozamiento en el contacto entre la rueda y la calzada se determina mediante estimación recursiva por mínimos cuadrados, RLS, con factor exponencial,

b. La velocidad del vehículo se calcula en base a los valores de coeficiente de rozamiento obtenidos para cada rueda del vehículo, obteniéndose un valor estimado de la velocidad lineal del vehículo mediante un modelo simple del mismo.

11. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10 caracterizado porque el bloque (13) tiene como entrada la velocidad del vehículo ν_B, calculada por el bloque anterior (12) y la velocidad lineal del neumático w • r_e, y como salida el deslizamiento s, que se calcula mediante la ecuación:

12. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11 caracterizado porque el bloque (14) tiene como entrada el deslizamiento s y el coeficiente de rozamiento μ_X, y como salida un valor entre [0,1] que indica el tipo de carretera y que multiplicado por un valor de deslizamiento óptimo s_opt, permite obtener el deslizamiento de referencia s_ref.

13. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según la reivindicación anterior caracterizado porque el bloque (14) tiene dos funciones miembros de entrada, "coeficiente de rozamiento" y "índice de deslizamiento" y una función miembro de salida, "tipo carretera"; existiendo: para la variable de entrada "coeficiente de rozamiento", cinco funciones miembros, 4 de tipo triangular y 1 de tipo trapezoidal; para la variable de entrada "índice de deslizamiento", 2 de tipo triangular y 1 de tipo trapezoidal; y, para la variable de salida "tipo carretera", 4 de tipo triangular y 1 de tipo trapezoidal.

14. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según la reivindicación anterior caracterizado porque las reglas que rigen el bloque (14) son:

15. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14 caracterizado porque el bloque (15) tiene como entrada el error entre el deslizamiento en ese instante s(t) y el deslizamiento de referencia s_ref(t) que se ha calculado a partir del bloque (14) y la variación de este error en un instante de tiempo; y la salida es un valor entre [0,1] que indica la presión normalizada del circuito de frenado.

16. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según la reivindicación anterior caracterizado porque las variables de entrada y salida del bloque (15) tienen las siguientes características técnicas:

a. Para el error e(t) se establece un rango de [-1 1], y se utilizan 3 funciones de pertenencia triangulares y 2 funciones de pertenencia trapezoidales;

b. Para la variable diferror o la diferencia de error, de(t), se establece un rango entre [-2 2]; y se establecen 3 funciones de pertenencia de tipo triangular y 2 de tipo trapezoidal;

c. Para la variable de salida se establece un rango entre [-0.2, 1.2], y 5 funciones de pertenencia de tipo triangular y 1 de tipo trapezoidal que definen todo el rango de salida de la variable presión, dentro del rango [0,1].

17. Sistema de frenado para automóvil con predicción de adherencia y control continuo de presión de frenada según la reivindicación anterior caracterizado porque las reglas que rigen el comportamiento del bloque (15) son: