Como de costume em diversos sistemas eletrônicos disponíveis em automóveis, os freios ABS (Anti-Lock Brake System) foram desenvolvidos primeiramente para aviões em idos de 1929, por Gabriel Voisin, um pioneiro e empresário da indústria aeronáutica francesa. Mais tarde, em 1950, o sistema Dunlop Maxaret foi implementado e permanece até hoje nos aviões. Esse sistema também foi aplicado nos carros de Fórmula 1. Entretanto, para indústria de automóveis civis, a parceria entre Bosch e Mercedes-Benz foi a primeira a gerar sistemas efetivos de freios ABS, também em 1929-1930, o primeiro sistema ABS desenvolvido para uso em veículos Mercedes-Benz (Classe S) era analógico, pesado e bem lento, além de possuir cerca de 1000 componentes. Na década de 60, sistemas experimentais foram introduzidos em carros como o Ferguson P99, Jensen FF e Ford Zodiac, mas todos se mostraram caros e com desempenho aquém do esperado. O Austin 1800 1964 apresentou um sistema mecânico, que utilizava uma válvula que ajustava as pastilhas de freio quando este travasse.

No mercado americano, a Chrysler em parceria com a Bendix desenvolveu o sistema de freios ABS de 4 canais que tinha bom funcionamento e confiabilidade. O chamado Sure Brake, foi utilizado primeiramente no Chrysler Imperial de 1971. A Ford desenvolveu, para sua linha de luxo Lincoln, o sistema de freios ABS Sure Trak, que foi implementado no Linconl Continental Mark III e mais tarde, no Ford LTD Station Wagon.

Mas foi com o avanço da eletrônica, que o ABS foi ainda mais aprimorado a ponto de poder ter sua produção seriada. O ano de 1978 marcou o início da produção de sistemas antibloqueio que efetivamente funcionavam. Em 1985 o ABS passou a ser padrão no Ford Granada Mark III, tornando-se então o primeiro carro mundial a ter ABS como equipamento padrão. Os avanços no ABS resultaram na redução das dimensões do sistema como um todo, além da melhora no seu desempenho. O peso do sistema, do início de sua implementação ao dias de hoje, caiu cerca de 5-6 Kg, além de ter sua capacidade de processamento maior em relação ao ABS antigo.

Função

Basicamente, o ABS evita o travamento das rodas durante a frenagem. Através do monitoramento destas, o sistema procede o controle individual da pressão de freio das rodas, mesmo em situações nas quais ocorre mudança de aderência entre os pneus, seja ela devido a superfície ou a transferência de carga (leia mais). Além disso, o ABS deve ser capaz de resistir as vibrações nas rodas e árvores, que levam o freio a trepidar junto com estas, consequentemente tendendo a travar. Sabendo que os freios possuem componentes que se desgastam, além dos pneus que ao se desgastarem reduzem seu diâmetro, o sistema deve estar apto a operar mesmo em condições de desgaste dos componentes e se adequar as variações de pressão imposta pelo motorista. Portanto, um ABS minimamente eficaz deve evitar o travamento das rodas em situações de contorno de curvas, reagir rapidamente a variações de atrito entre pneu e pista, ou seja, às condições das rodovias, reduzir a distância de frenagem em relação a um sistema similar sem ABS. Tudo isso deve ser feito transmitindo o mínimo de ruídos e vibrações para o motorista, não confundir com sua vibração característica, que indica o correto funcionamento do sistema.

Componentes

Os principais componentes de um sistema de freios ABS básico são destacados nos subtópicos abaixo.

Sensor de velocidade

São os componentes responsáveis por informar a ECU (do ABS) qual o estado da roda. Essa informação é passada em forma de pulso elétrico para ECU, que efetua os cálculos para determinar quando acionar os atuadores (válvulas solenoides). O sensor de velocidade está, geralmente, localizado nas mangas de eixo ou nos cubos de roda. É instalado na parte fixa destes componentes, enquanto na parte móvel, é fixado uma roda fônica.

A roda fônica possui 40-50 dentes, com a roda girando, os dentes da roda fônica passam na frente do sensor. Cada passagem do dente é um sinal elétrico enviado para ECU, ou seja, esta recebe de 40-50 pulsos elétrico por rotação da roda. Os sinais enviados pelo sensor são informações base para a ECU calcular a desaceleração da roda, bem como determinar o quanto a pressão de frenagem será mantida, reduzida ou aumentada. O sinal elétrico é gerado através do campo magnético produzido pelo imã do sensor e sua reação sobre a roda fônica. Dois tipos de sensores de velocidade são aplicados em automóveis:

• Indutivo;
• Efeito hall.

Sensor de velocidade de tipo indutivo

Assim como nos sensores de rotação, os sensores de velocidade do tipo indutivo são compostos por imã, núcleo ferro magnético e uma bobina de indução. O sensor recebe da ECU sinais elétricos de 5 ou 12v e retorna para a mesma pulsos negativos. É composto por 3 fios em seu chicote elétrico, sendo um referente ao pulso positivo e o segundo ao pulso negativo produzido pela bobina de indução, o terceiro fio é o fio de aterramento do sensor na massa do veículo, além disso funciona também como blindagem eletromagnética.

O sensor sofre influência do campo magnético da roda fônica que gira em frente ao mesmo, o campo magnético produzido por indução na bobina varia de máximo a mínimo quando um dente da roda fônica passa pelo sensor. No momento que o dente encontra-se na frente no sensor, a tensão é máxima e após passar por este, a tensão é mínima. A variação de tensão é lida pela ECU, que interpreta como sendo o estado da roda. Quanto maior a velocidade da roda, menor o intervalo entre o valor máximo e mínimo de tensão.

Sensor de velocidade do tipo Efeito Hall

É o sensor que se tornou amplamente utilizado no ABS, menos sensível que o indutivo em relação a interferências, este sensor utiliza um circuito integrado que está constantemente sofrendo a ação do campo magnético de um imã ligado a este. A medida que a roda gira, o campo magnético do imã é perturbado, a tensão produzida no sensor integrado varia, sendo máxima com o dente na frente do sensor e mínima com o espaço na frente do sensor. O sensor de velocidade de efeito hall utiliza um conector de 3 pinos, sendo estes um para sinal positivo (5 ou 12V), outro para sinal negativo produzido pela variação do campo do imã e o aterramento com blindagem eletromagnética. Ambos os tipos de sensores devem ser montados corretamente em seus alojamentos, pois a distância do sensor para a roda fônica é um fator influente na intensidade do campo magnético sobre o sensor. Além disso, são sensíveis a qualquer movimento da roda, podendo reconhecer se está girando ou não, bem como a direção da rotação. O sinal do sensor de velocidade é utilizado pela ECU como forma de identificar o estado da roda, sua velocidade, aceleração e desaceleração, para então acionar os atuadores.

Unidade hidráulica (HCU – Hydraulic Control Unit)

É o grande atuador do ABS, dentro da unidade estão alojados bombas, válvulas solenoides e motores elétricos. A função da unidade hidráulica é manter, aumentar ou reduzir a pressão de frenagem de acordo com os comandos da ECU do ABS.

Os principais componentes da unidade hidráulica de um ABS padrão são:

• Bomba de retorno;
• Câmara acumuladora;
• Válvulas solenoides.

Também chamada de unidade moduladora, está localizada no compartimento do motor, montada entre o cilindro mestre e os cilindros de roda (não fisicamente, mas em relação as tubulações que canalizam o fluído de freio para os cilindros de roda). Cada circuito que sai do cilindro mestre, passa pela unidade hidráulica, onde é modulado ou não. Em um sistema de 4 canais, cada roda possui um par de válvulas solenoides, sendo uma de entrada e outra de saída. As válvulas de entrada são do tipo normalmente aberta, pois são responsáveis pelo aumento de pressão de frenagem nas rodas, devem estar abertas quando não energizadas. As válvulas de saída são encarregadas de reduzir a pressão de frenagem, portando devem estar fechadas enquanto não forem energizadas. Duas bombas de retorno controladas por um motor elétrico são responsáveis por trazer o fluído de freio de volta para o cilindro mestre, mas antes disso, este permanece em acumuladores, até que a bomba seja ativada. Em sistemas mais antigos, o fluído de freio, antes de retornar para o cilindro mestre, permanecia em câmaras amortecedoras, para depois passarem por estranguladores. O objetivo era reduzir a pressão de retorno e a vibração. Atualmente, este trajeto do fluído foi substituído por estratégias de controle da ECU. Os componentes da central hidráulica, em especial as válvulas solenoides, evoluíram desde a primeira especificação do ABS. Originalmente, o ABS foi concebido com válvulas 3/3 (3 vias e 3 posições), que permitiam com apenas esta, as ações de aumento, manutenção e redução de pressão. Entretanto, na busca pela redução de peso e tamanho do sistema, foram introduzidas as válvulas 2/2, que embora executassem apenas o aumento e manutenção da pressão do fluído de freio, em conjunto são capazes de controlar a pressão de frenagem totalmente. Dessa forma, a ECU é capaz de fazer um controle preciso, regulando a pressão do fluído de freio como se as duas válvulas (de entrada e saída) fossem uma válvula proporcional.

Unidade de controle eletrônico (ECU)

Nas primeiras especificações do ABS, a ECU não formava um conjunto único com a unidade hidráulica, aquela era alojada próximo desta ou dentro da cabine do veículo. Nas especificações mais atuais, ambos os módulos encontram-se acoplados um no outro, dessa forma, foi obtida a redução do chicote elétrico para os módulos, do espaço ocupado e do peso total do ABS.

A ECU do ABS conserva as mesmas estruturas da ECU utilizada no sistema de injeção eletrônica, ou seja, possui uma EEPROM, onde estão armazenados as falhas detectadas pelo sistema, possui microprocessadores responsáveis pelos cálculos e tomadas de decisões e circuitos de entrada e saída, que conduzem os dados dos sensores para a ECU e os comandos desta para os atuadores. Além disso, o software dentro da ECU engloba o controle do hardware, autodiagnóstico, comando do sistema e a interface via scanner. A troca de dados entre o módulo do ABS e dos demais sistemas do veículo, é realizada através da rede CAN.

Tipos

A variação de sistemas de freios antibloqueio passou a existir não apenas pela evolução destes, mas também para se adequar as limitações de determinados sistemas de freio, e as limitações de orçamento para projetos. Dessa forma, foram criados variantes de acordo com o número de canais e de sensores de velocidade.
Basicamente, as variantes de sistemas antibloqueio mais comuns possuem 4, 3 ou 2 canais, são:

• 4 Canais – Dianteiro/Traseiro;
• 4 Canais – Diagonal;
• 3 Canais – Dianteiro/Traseiro;
• 1/2 Canais – Dianteiro/Traseiro.

4 Canais / 4 Sensores

Este sistema é, de longe, o mais utilizado, tornou-se padrão pois se adequar totalmente a configuração diagonal do circuito de freio (leia mais) e dianteiro/traseiro. Configurações estas, que são tidas como padrões nas mais variadas categorias de veículos. Cada roda possui um sensor de velocidade e um canal, este é um ponto de fornecimento de fluído de freio para a roda. Dessa forma, cada roda tem seu circuito hidráulico próprio e o monitoramento e controle individual da pressão de freio.

3 Canais / 3 Sensores

Esta variação do ABS, atualmente, perdeu espaço para o sistema de 4 canais, mas sobrevive na aplicação em veículos utilitários. Nestes, o sistema de freio deve possuir circuito dianteiro/traseiro, mas com número limitado de canais. O eixo traseiro, fica limitado a 1 canal e 1 sensor de velocidade, este último é montado no diferencial. O sensor de velocidade é capaz de medir a diferença de rotação entre as rodas, e informa a ECU para que a mesma proceda a restrição de pressão para o circuito de freio do eixo traseiro. As rodas dianteiras são monitoradas individualmente, e por possuírem canais próprios, tem sua pressão controlada em separado.

1 ou 2 Canais

Trata-se de um ABS de desempenho muito aquém dos sistemas mais modernos, sua utilização foi restrita a pequenos caminhões e utilitários.
O ABS de 1 ou 2 canais pode ser equipado com 1, 2 ou 3 sensores de velocidade, sua configuração de circuito de freio é a dianteiro/traseiro. Neste sistema, o objetivo é fornecer um determinado nível de controle da pressão de freio com um sistema simples, por vezes, apenas no eixo traseiro, dispensando a válvula de freio sensível a carga (leia mais). Entretanto, por seu desempenho, não satisfaz as exigências da categoria 1 de ABS.

Funcionamento

O ABS é um sistema eletro-hidráulico coordenado por uma ECU, assim como no sistema de injeção eletrônica. Entretanto, a ECU nesta aplicação gerencia, com base nos dados de diversos sensores, atuadores que controlam a pressão do fluído de freio sobre os pistões das pinças e cilindros de roda de forma a impedir o travamento das rodas.

ABS de 4 canais / 4 sensores

Exemplificando o sistema de freio antibloqueio de 4 canais e 4 sensores, cada roda dispõe de um sensor, que mede a velocidade de cada uma, e de um canal de controle para cada roda. Assim, cada roda pode ser controlada individualmente pelo sistema.
A ECU controla os atuadores, que são válvulas eletrônicas de 2 ou 3 vias. Um ABS de 4 canais e 4 sensores padrão é fabricado com 2 válvulas de 2 vias para cada circuito de roda. O sistema trabalha executando três procedimentos básicos: aumento, manutenção e redução de pressão do fluído de freio. No ato da frenagem, a carga sobre os pneus e o atrito com a pista vão determinar o quão facilmente o sistema irá bloquear as rodas. Ao frear, aumenta-se a pressão nos circuitos de freios, ou seja, a válvula de entrada permanece aberta e a de saída, fechada. Quando a roda começa a apresentar uma desaceleração abrupta (iminência de travagem), os sensores detectam este comportamento e enviam essa informação para ECU. Após detectar que as rodas estão na iminência de bloquear, a ECU procede o fechamento da válvula de entrada e mantém fechada a válvula de saída. A pressão no circuito de freio é, então, mantida constante. Nesse momento, a ECU, através dos sensores de velocidade, monitora o estado da roda, de acordo com este, a ECU irá proceder da forma adequada. Caso a roda aumente sua velocidade (atrito estático, risco reduzido de travamento), a ECU abre novamente a válvula de entrada, liberando mais fluído de freio e aumentando a pressão no circuito. Por outro lado, se a roda continua a reduzir sua velocidade (atrito dinâmico, rodas travando), a ECU procede a abertura da válvula de entrada e de saída. O fluído então é bombeado pela bomba de retorno de volta para o cilindro mestre, procedimento este que reduz a pressão no circuito da roda, esta sai da iminência de travamento e aumenta sua velocidade. Quando esta recupera sua condição de atrito estático, a ECU fecha a válvula de saída e desativa a bomba de retorno, logo, a pressão volta a aumentar, consequentemente a força de frenagem.

Curva de aderência/deslizamento

Durante o processo de frenagem o deslizamento da roda (λ) é iminente, ele aumenta conforme a pressão de frenagem aumenta. O deslizamento é a relação da diferença entre a velocidade do veículo e da roda sobre a velocidade do veículo (λ = (VV – VR)/VV). Relacionando o deslizamento da roda e o atrito dos pneus com a pista, seja este em retas ou curvas (μHF e μS) é possível analisar até que ponto os pneus devem deslizar. É essa análise que a ECU faz, ela procura manter o pneus no limiar entre deslizamento e travagem. Quando um veículo é brecado, o coeficiente de atrito e o deslizamento aumentam até certo ponto, no qual um veículo sem ABS bloquearia facilmente as rodas a partir desse ponto. O bloqueio é caracterizado por uma abrupta desaceleração da roda, que no gráfico aderência/deslizamento é representado por uma queda da curva e posterior estabilização em um valor de coeficiente de atrito inferior (dinâmico). Essa queda é ainda mais acentuada quando a curva analisada é referente ao coeficiente de força lateral. Pois nessa situação (curvas), diferentes cargas estão sobre as rodas, logo as forças laterais também variam. O gráfico de aderência/deslizamento é a demonstração da relação entre o coeficiente de atrito e o deslizamento. O deslizamento é um estado da roda, no gráfico é representado em porcentagem, a detecção é feita pelos sensores. Quando uma das rodas tende a bloquear, a desaceleração desta não se dá de forma natural, e sim, súbita. Ao atingir níveis nos quais os deslizamento supera 20%, a ECU comanda as eletroválvulas de forma a manter a pressão constante até que o risco de travamento seja reduzido, de preferência, mantendo o deslizamento entre 0 e 20%, faixa considerada estável. Entretanto, se a desaceleração e o deslizamento continuam a aumentar de forma descontrolada, a ECU procede a redução da pressão no circuito de freio, sempre buscando manter a roda dentro faixa estável, ou seja, na iminência de travar. Embora o controle seja realizado em cada roda, a manutenção da faixa de deslizamento desta é realizada de forma diferente nas rodas dianteiras e traseiras. Nas rodas dianteiras o controle é realizado de forma individual, ambas são controladas de forma independente, seja nas retas ou nas curvas. Para as rodas traseiras esse controle leva em consideração que o eixo traseiro irá suportar cargas variáveis e consideráveis em curvas, principalmente na roda traseira externa ao lado da curva, que é a roda de apoio. Dessa forma, a ECU busca manter as rodas traseiras com baixo deslizamento, garantindo a estabilidade do eixo traseiro em curvas.

Ciclo de controle

O funcionamento do ABS também pode ser avaliado em relação a variável tempo, esta pode ser relacionada a velocidade da roda, aceleração tangencial e pressão de frenagem (aplicada pelo sistema, não pelo motorista). O sensor de velocidade informa a velocidade angular das rodas, com essa informação a ECU calcula a desaceleração e compara com a velocidade do veículo, sabendo então, o deslizamento de cada roda.
A desaceleração da roda, quando freada, atinge valores críticos, o limiar é o ponto no qual a ECU intervém. Quando a desaceleração cai a ponto de ficar abaixo do limiar, a ECU comanda os atuadores de forma a manter a pressão constante. Até esse ponto a pressão no sistema era crescente e a desaceleração da roda acompanhava a desaceleração do veículo. O ponto limiar da desaceleração coincide com o ponto no qual a velocidade da roda atinge seu limiar de escorregamento (λ1), que é justamente o ponto no qual o deslizamento está na iminência de entrar na faixa instável.
Se mesmo assim, a roda continua a desacelerar, entrando na zona instável de deslizamento, a ECU comanda os atuadores para reduzir a pressão circuito de freio até que se perceba que a desaceleração voltou ao ponto limiar (- a), pelo menos. A partir de então, a velocidade da roda volta a aumentar, reduzindo o deslizamento. Nesse momento, a ECU mantém a pressão constante. Esta fase segue até que a desaceleração atinja seu limiar maior (+ A), ponto no qual a ECU detecta que a roda deve ser brecada com mais força novamente por dois motivos: não perder força de frenagem e retornar o quanto antes a faixa estável(zona mostrada anteriormente na curva de deslizamento). Naturalmente a desaceleração aumenta enquanto a velocidade da roda aproxima-se da velocidade do veículo, a pressão é mantida constante até que o ponto de aceleração +a seja superado. Para evitar que a força de frenagem na roda seja prejudicada, a pressão de frenagem é aumentada lentamente, em outras palavras, trazendo a roda para região de iminência de instabilidade, quando novamente a desaceleração cai para níveis inferiores ao limiar -a, e então um novo ciclo de trabalho começa. A ECU repete esse processo de 4 a 6 vezes por segundo, dependendo da capacidade do processador. Quanto mais rápido, melhor a qualidade da análise das leituras.

Manutenção

Nos sistemas de freios com ABS os procedimentos básicos de manutenção são diferentes devido a presença do módulo eletro-hidráulico.

Substituição do fluído de freio

Em termos gerais, o ABS requer uma manutenção tão cautelosa quanto o sistema de freios convencional, a diferença se encontra na presença da central hidráulica do ABS. Parte do processo de sangria em freios ABS é igual ao do sistema de freio convencional, ou seja, esta também tem seu início na roda mais distante do cilindro mestre, seguindo então para a próxima roda mais distante até chegar na roda mais próxima. O cuidado maior é efetuar a sangria do sistema evitando que o ar entre no módulo hidráulico, o que poderia causar problemas de funcionamento. A preocupação com a entrada de ar no módulo hidráulico do ABS é grande devido a dificuldade de expulsar o ar das câmaras internas do módulo, que de acordo com o sistema pode ser de 8 a 10 câmaras. Alguns módulos possuem um ou dois parafusos sangradores para auxiliar na expulsão do ar que ficar retido dentro do mesmo. Cada ABS possui um procedimento para sangria do fluído de freio, mas em termos gerais, quando não se dispõe de uma nota técnica ou scanner para auxiliar no processo de sangria, pode ser efetuado o desligamento da central hidráulica do ABS retirando o fusível e o relé desta. O nível de fluído de freio do reservatório deve ser completado com o fluído novo, e durante a sangria, em hipótese nenhuma o reservatório poderá ficar vazio, deve-se sempre completar com fluído de freio novo sempre que o nível deste alcançar o mínimo. O objetivo é garantir que o ar não entrará dentro do módulo hidráulico, e que este permaneça com suas válvulas em posição aberta.
Embora seja corriqueiro o procedimento de sangria iniciar-se na roda mais distante do cilindro mestre, esse procedimento é realizado em sistemas de freios em X (leia mais) e pode variar de acordo com a configuração do circuito de freio. A variedade de configurações do ABS também é sentida nos procedimentos de sangria, que também variam. Alguns veículos simplesmente podem ser sangrados sem a necessidade de scanner ou ferramenta específica, outro requerem o uso de scanner ou, pelo menos, o cumprimento procedimento estabelecido pelo fabricante.

Substituição das pastilhas de freio

Trata-se de um procedimento até mais crítico do que uma simples substituição do fluído de freio. A troca de pastilha de freios, em um sistema convencional, é realizada retornando os pistões das pinças de freio. Entretanto, isto faz com que o fluído retorne para o cilindro mestre, o que não seria um problema se o sistema fosse antibloqueio. Neste caso o retorno do fluído não iria diretamente para o cilindro mestre, e sim para o módulo eletro-hidráulico do abs, danificando-o permanentemente. No ABS, a troca de pastilha deve ser realizada abrindo o parafuso sangrador da pinça de freio, para que no momento de forçar o retorno do pistão, o fluído saia pelo parafuso sangrador e não retorne para o módulo.

Referências

• SENAI, Série Metódica Ocupacional;
• BOSCH, Robert, Manual de Tecnologia Automotiva. 25.ed. Edgard Blücher LTDA, 2004. 1231p.