—  Tutorial nº 183  —

Tipos de frenos en vehículos

 

Publicado: 11.FEB.2025

 

Los frenos en los vehículos son, sin duda, uno de los componentes que resultan críticos para la seguridad de cualquier tipo de vehículo y sus ocupantes. En este tutorial se van a describir los tipos de frenos que se instalan comúnmente en los vehículos de carretera.

Cuando un vehículo circula con una determinada velocidad, entonces ocurre que éste adquiere una cierta energía cinética (Ec), cuyo valor es proporcional a la masa (m) del vehículo y a su velocidad (v) al cuadrado, de acuerdo con la siguiente fórmula: Ec = ½·m·v².

Pero cuando accionamos el pedal del freno para detener nuestro vehículo, toda esa energía cinética debemos ser capaces de disiparla, y una vez que el vehículo esté ya parado, entonces su energía cinética valdrá cero.

Pero según uno de los principios fundamentales de la física, conocido como la ley de conservación de la energía, en un sistema aislado la energía total permanece constante, es decir, que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Entonces, la energía cinética que tiene un vehículo cuando está en movimiento no desaparece cuando se activa el sistema de frenado. Lo que ocurre es que se produce una transformación de esa energía cinética acumulada en energía calorífica provocado por el rozamiento entre superficies de ciertas piezas, con el consiguiente aumento de la temperatura global del sistema.

Este es el principio general que rige para la mayoría de los sistemas de frenado en vehículos, es decir, los componentes del sistema deben ser capaces de absorber toda esa energía cinética y de disiparla en forma de calor hasta hacerla cero, con objeto que el vehículo quede finalmente parado.

A continuación, vamos a pasar a describir los tipos de frenos que se pueden encontrar en los vehículos automóviles.

 

 

Freno de tambor

Los frenos de tambor son un tipo de sistema de frenado que fueron muy populares hace años, pero que en la actualidad se han ido relegando en aplicaciones muy escasas. En concreto, para las ruedas traseras de algunos modelos de vehículos pequeños o para el freno de estacionamiento.

Los componentes principales de los frenos de tambor son:

•  Tambor: Un cilindro hueco que gira solidario con la rueda.

•  Zapatas: Dos piezas semicirculares recubiertas con material de fricción que se expanden para presionar contra el interior del tambor.

•  Cilindro hidráulico: Un pequeño cilindro hidráulico de rueda, también llamado bombín, es el encargado de empujar las zapatas contra el tambor.

•  Muelle de retorno: Un resorte que retrae las zapatas a su posición inicial cuando no se esté accionando el sistema de frenando.

 

El fundamento de los frenos de tambor se basa en la fricción que se produce entre dos superficies que entran en contacto para reducir la velocidad de las ruedas y detener el vehículo.

El funcionamiento de los frenos de tambor es muy simple. Al pisar el pedal del freno, se bombea líquido de frenos hacia el cilindro hidráulico de rueda. La presión del líquido hace que el cilindro de rueda empuje las zapatas hacia afuera, contra la superficie interior del tambor. El contacto entre las zapatas y el tambor genera fricción, lo que reduce la velocidad de la rueda.

La fricción continua convierte la energía cinética del vehículo en calor, hasta lograr detener el vehículo. Al soltar el pedal del freno, la presión del líquido disminuye y el muelle de retorno retrae las zapatas a su posición original.

Los frenos de tambor se han ido sustituyendo con el tiempo por los frenos de disco, conforme los vehículos se hacían cada vez más potentes y las exigencias en las frenadas eran mayores.

Entre las mayores desventajas de los frenos de tambor es que tienen una menor capacidad de disipación del enorme calor que se produce durante la frenada, lo que puede llevar a la pérdida de eficacia ("fading") en situaciones de frenadas exigentes o repetitivas.

El "fading" es uno de los fenómenos más peligroso que se puede presentar en un sistema de frenado, ya que consiste en la pérdida de eficacia de la frenada cuando se calienta el sistema. Este fenómeno suele ocurrir, por ejemplo, en un frenado enérgico o en una situación con frenadas sucesivas, como ocurre cuando se baja una pendiente pronunciada con el pedal de freno accionado. En este caso, la temperatura entre las superficies en fricción se eleva en gran medida (incluso, por encima de los 650 ºC).

En estas circunstancias, los frenos de tambor no dan abastos para evacuar con rapidez todo este calor que se genera. Como resultado, el tambor se dilata alejando la superficie de adherencia del contacto con las zapatas, por lo que el vehículo podría quedar por momentos sin freno.

Por si fuera poco, los frenos de tambor son más propensos a bloquearse, lo que puede resultar en una frenada menos controlada. Por otro lado, los frenos de tambor requieren de un mantenimiento más laborioso, ya que el ajuste de las zapatas al tambor puede ser necesario con el tiempo.

En la actualidad los frenos de disco, que veremos a continuación, son los más comunes en la mayoría de los vehículos modernos. Sin embargo, los frenos de tambor todavía se utilizan en algunas aplicaciones, como son, en los frenos de las ruedas traseras de vehículos pequeños o de poca potencia, donde la exigencia de frenado son menores, o para el freno de estacionamiento, dado que su diseño se adapta bien a su función.

 

Freno de disco

Los frenos de disco en los vehículos automóviles son otro de los tipos de sistema de frenado más utilizados en vehículos y, posiblemente, el más popular, sobre todo en turismos, motocicletas y vehículos comerciales pequeños.

Se componen de un disco que gira solidario con la rueda, y otra parte fija anclada a la mangueta que soporta la rueda, que es el cuerpo de la pinza o "caliper" que contiene las pastillas de freno.

El disco está montado en el buje de la rueda y gira junto con ella de manera solidaria, como se ha indicado. Por otro lado, la pinza que contiene las pastillas de freno, son las que hacen fricción con el disco para detener el vehículo.

El fundamento de los frenos de disco se basa, como en los frenos de tambor, en la fricción. Cuando se pisa el pedal del freno, se bombea líquido de frenos a través de un conducto hacia la pinza que contiene las pastillas de freno. La presión del líquido hace que las pastillas de freno se aprieten contra el disco, lo que genera fricción. La fricción convierte la energía cinética del vehículo en calor hasta hacer cero la energía cinética, lo que se traduce en una reducción de la velocidad de giro de las ruedas y el frenado del vehículo.

Los frenos de disco son más eficaces que los frenos de tambor, especialmente en condiciones de frenado exigentes. Esto se debe a que los frenos de disco disipan mejor el calor, lo que evita que se sobrecalienten y pierdan eficacia ("fading"). Además, los frenos de disco son menos propensos a bloquearse, lo que permite una frenada más controlada.

Es por ello, que los frenos de disco se utilizan actualmente en la mayoría de los vehículos modernos, tanto en las ruedas delanteras como traseras. En algunos casos, se utilizan discos de freno ventilados para mejorar aún más la capacidad de disipación del calor, consiguiendo mejorar la eficacia de la frenada.

 

 

Freno eléctrico

Los frenos eléctricos, también llamado ralentizador o freno de inducción, tienen una larga historia de aplicación en la automoción, sobre todo en vehículos pesados, como camiones, autobuses y vehículos comerciales.

Para su accionamiento el conductor dispone de una palanca de comando en el tablero de instrumentación del vehículo con diferentes posiciones, además del pedal de freno. Estos frenos no reemplazan a los que trae el vehículo de fábrica, sino que sirven de apoyo al sistema de frenos principal para mejorar la eficacia de la frenada.

Los frenos eléctricos de inducción no contienen piezas de fricción (pastillas o zapatas) que se apliquen rozando contra superficies (discos o tambores) y su acción se basa en otro principio, como posteriormente veremos. Esto supone una gran ventaja porque, al no existir rozamiento entre partes mecánicas, el desgaste y el mantenimiento serán mínimos, y sin apenas consumo de energía.

Además, es un tipo de freno auxiliar totalmente silencioso y particularmente útil en los vehículos con motores alimentados a gas natural comprimido (GNC) los que, al disponer de un menor efecto del freno motor que los que pueden desarrollar los vehículos con motores Diesel, necesitan de una ayuda complementaria de frenado, que se los puede suministrar el freno eléctrico.

Los frenos de inducción eléctricos disipan la energía de frenado mediante la generación de corrientes de Foucault y se instalan, bien en la línea del eje cardán en los vehículos de tracción trasera (modelo Axial), o bien, a continuación de la caja de velocidades o junto al diferencial (modelo Focal).

 

Es importante recordar que los frenos eléctricos de inducción no reemplazan a los que trae el vehículo de fábrica, sino que los complementan. Esto es especialmente útil bajo difíciles condiciones de conducción, por ejemplo, en largas bajadas por carreteras de montaña donde los frenos tradicionales sufren muchas veces el efecto de "fading" o fatiga por sobrecalentamiento, lo que les hace perder eficacia.

Estos frenos de inducción constan de un estator fijo y de un par de rotores unidos al eje de transmisión que los hace girar. El estator, unido rígidamente al chasis, a la caja de velocidades o al diferencial, junto a los rotores están montados coaxialmente uno frente al otro. Un espacio llamado entrehierro separa los rotores del estator, lo que evita cualquier fricción.

El estator tiene la función de inductor y está constituido por un número par de electroimanes que, cuando son atravesados por una corriente eléctrica continua, generan los campos magnéticos necesarios para producir corrientes de Foucault en la masa de los rotores.

Los rotores tienen la función de inducido. Construidos en un material conductor elaborado especialmente, los rotores son sometidos a las corrientes de Foucault sólo cuando los atraviesan los campos magnéticos que genera el estator, a la vez que giran impulsados por el eje de transmisión (eje cardán).

Recordemos que las corrientes de Foucault, por definición, se originan en una masa metálica conductora cuando ésta se coloca en un campo magnético variable. En el caso de los frenos de inducción, la variabilidad del campo magnético al que son sometidos los rotores se consigue mediante la rotación de estos últimos.

La generación de corrientes de Foucault en la masa del rotor causa la aparición de fuerzas de Laplace que se oponen a la rotación del rotor. El par de frenado, generado de esta forma y aplicado al árbol de transmisión, permite reducir la velocidad del vehículo.

Las corrientes de Foucault producen un aumento gradual de la temperatura de los rotores, que liberan al aire este calor generado por ventilación.

Gracias a los frenos de inducción, se puede conseguir desacelerar con eficiencia un eje en rotación sin fricción y, por lo tanto, sin desgaste. Y lo que es sumamente importante, sin emisión al medio ambiente de partículas procedentes del material de fricción de los frenos.

Se ha demostrado científicamente que las partículas que se desprenden de las pastillas y cintas de frenos causan graves consecuencias en la salud de los seres humanos. Según el Instituto Francés de Ciencias Aplicadas (INSA), cada año se emiten en Francia 20.000 toneladas de polvo provenientes del roce de las pastillas de freno de los vehículos.

 

Freno de aire

Los frenos de aire se utilizan comúnmente en vehículos pesados, como autobuses o camiones, que requieren de un esfuerzo de frenado mucho más intenso del que puede ser aplicado por el pie del conductor.

Se denominan frenos de aire precisamente porque utilizan la presión del aire previamente comprimido para activar los frenos del vehículo, una vez que el conductor haya pisado el pedal del freno.

En realidad, el freno de aire está compuesto por tres sistemas: el freno de servicio, que se activa cuando se pisa el pedal de freno del vehículo, el freno de estacionamiento y el sistema de frenos de emergencia que utiliza partes del sistema de frenos de servicio y del freno de estacionamiento, activándose para detener el vehículo cuando se produce algún fallo en el sistema de frenos.

Los frenos de aire necesitan de los siguientes elementos con objeto de poder garantizar su correcto funcionamiento:

•  Compresor: Un compresor bombea aire a los tanques de almacenamiento. El compresor es accionado por el motor del vehículo a través de una transmisión de engranajes o por correa. La refrigeración del compresor puede hacerse por aire o por medio del propio sistema de refrigeración del motor. Para su lubricación, puede emplear su propio sistema de lubricación de aceite, que habrá que revisar periódicamente, o bien, utilizar el mismo aceite de lubricación del motor del vehículo.

•  Tanques de almacenamiento: El aire que comprime el compresor se almacena en unos tanques de acero, cuyo tamaño y número dependerá del modelo de camión. Los tanques de almacenamiento contendrán el suficiente aire de manera que permita utilizar varias veces los frenos sin que el compresor tenga que ponerse en funcionamiento cada vez que se pisa el pedal.

•  Unidad de control: El bombeo de aire desde el compresor hasta los tanques de almacenamiento estará controlado por una unidad de control, de manera que cuando la presión interior de los tanques baje por debajo de un cierto valor se activará el compresor. Éste se mantendrá funcionando hasta que la presión del aire en el interior de los tanques alcance un determinado valor límite, en cuyo caso la unidad de control parará de nuevo el compresor.

•  Drenaje de tanques: El aire comprimido que se almacena en los tanques contiene restos de agua y aceite proveniente del compresor, lo cual es muy perjudicial para el sistema dado que, por ejemplo, en climas fríos el agua puede congelarse y ocasionar una falla de los frenos. El agua y el aceite suele acumularse en el fondo de los tanques, por lo que se emplean válvulas de drenaje colocadas en la parte inferior para eliminar el contenido existente de agua y aceite de los tanques.

•  Evaporador de alcohol: Algunos sistemas de frenos de aire están equipados con un evaporador de alcohol que inyecta alcohol en el flujo de aire para disminuir el riesgo de producirse hielo en el sistema. Esto es muy útil en climas fríos, dado que la presencia de hielo puede resultar fatal para el correcto funcionamiento de los frenos.

•  Válvula de seguridad: En el primer tanque que recibe el aire directamente del compresor, se instala una válvula de seguridad que evita que se acumule aire a demasiada presión. Normalmente, esta válvula se tara para que se abra si la presión alcanza los 150 psi.

 

Como ya se ha indicado, los frenos de aire se activan al pisar el conductor el pedal de freno del vehículo. Si el conductor pisa con más fuerza, el compresor aplicará más presión de aire al sistema. Al levantar el pie del pedal de freno, parte del aire comprimido del sistema se liberará, con lo cual la presión de aire en los tanques disminuirá y se soltarán los frenos.

El compresor de aire se encargará de reponer el aire de los tanques si su presión baja por debajo de cierto límite. Pisar y soltar repetidamente el pedal del freno puede hacer escapar más masa de aire de los tanques que el compresor sea capaz de reponer, lo cual puede ser peligroso, porque si la presión del aire es demasiado baja los frenos del vehículo podrían no funcionar.

 

 

 

 

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Hermenegildo Rodríguez Galbarro

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