Pisa el freno (3): Tipos de freno

Carruaje con freno de piedra

Hasta ahora hemos repasado los motivos que obligan a los constructores de vehículos a incluir sistemas de frenado, y hemos deducido que la mayoría de dichos sistemas se basan en la fuerza de fricción entre dos piezas, una que gira solidariamente a las ruedas y otra que permanece fija en la carrocería (aunque en un artículo próximo veremos una excepción a esta regla). Este sencillo concepto se puede aplicar de muchas formas, hoy veremos las más importantes.

Lo primero que se nos puede ocurrir es una pieza que se mueva a voluntad del conductor hasta tocar directamente la rueda. Podemos ver en aplicación esta idea en la imagen que encabeza este artículo. En cada una de las ruedas del carruaje podemos apreciar sendos bloques de piedra montados sobre una estructura que, accionando una simple palanca, permite hacer rozar los bloques directamente sobre las bandas de rodadura.

Esta solución tan sencilla probablemente fue lo único que tuvimos durante milenios. Seguramente se utilizaban sobre todo como freno de estacionamiento, ya que el propio caballo podía ralentizar la marcha de forma estable. Pero con la aparición de vehículos automotrices cada vez más veloces, la necesidad de contar con sistemas de frenado más eficiente se hizo cada vez más acuciante.

El principal problema de ese sistema es que la fricción se produce en la banda de rodadura, lo cual puede acabar por dañarla. Cuando era de metal, como en el carro de la imagen, no era un grave problema. Pero hoy en día, parece bastante mala idea aplastar el neumático con un pedrusco, ¿verdad? Aún así, algunas bicicletas antiguas llegaron a usar sistemas similares, con el nombre de freno de cuchara.

Freno de llanta en una bicicleta

La solución más obvia a ese problema es realizar la fricción sobre otra parte de la propia rueda, que no esté hecha de caucho. Por ejemplo, la la estructura metálica que soporta la cubierta, dando lugar a lo que podemos llamar frenos de llanta.

Inicialmente, la palanca de mano estiraba una varilla hacia arriba, haciendo que una zapata friccionara de forma ascendente contra la cara interna de la llanta, a cada lado de los radios.

La invención de los cables Bowden, que permiten transmitir fuerzas en cualquier dirección, permitió la introducción de frenos de llanta laterales. Esta es una solución que hoy en día podemos ver en bicicletas de carretera, que dado su reducido peso y modesta velocidad, no exigen demasiado poder de frenado.

Sin embargo, se hace difícil imaginar este tipo de frenos en un vehículo de motor moderno. En primer lugar, porque la necesidad de mayor adherencia hace que las ruedas sean mucho más anchas. Las patillas que sujetan las zapatas deberían formar un arco muy pronunciado, lo que dificultaría el giro de las ruedas directrices en el interior de la carrocería.

Además, para obtener mejores resultados, sería necesario utilizar materiales de alto rendimiento, que soporten muy bien el calor. Por supuesto, estos materiales son más caros, así que fabricar toda la llanta así dispararía el precio del vehículo.

Frenos de disco en un tren

Una solución a estos problemas es enganchar a la llanta principal una especie de llanta más pequeña, y colocar las mordazas de fricción (que ahora llamamos pastillas) en ella. Esto es lo que hoy en día conocemos como frenos de disco, probablemente el mejor sistema de frenado inventado hasta la actualidad.

Sin embargo, pese a ser menos eficientes e históricamente posteriores (por apenas unos años), durante muchas décadas los frenos de tambor dominaron la automoción comercial. Principalmente, debido a que son más baratos, y para las velocidades de la época eran suficientes (teniendo en cuenta que la concienciación en seguridad vial era menor).

El fundamento es similar, en vez de utilizar toda la llanta como superficie de fricción, enganchamos en ella una pieza más pequeña, esta vez en forma de tambor (de ahí el nombre, claro). Al pisar el pedal, aumenta la presión del líquido de frenos, que llega hasta un cilindro situado en el interior del tambor.

Dicho aumento de presión en el cilindro empuja dos pistones, que a su vez azuzan sendas zapatas contra la pared interior del tambor, produciendo la fuerza de fricción necesaria para frenar el movimiento de rotación del mismo y, por ende, de la rueda. Cuando se libera el pedal del freno, unos simples muelles separan las mordazas, permitiendo que la rueda gire sin mayor oposición.

Una característica de los frenos de tambor es la auto-aplicación. Al girar, el tambor arrastra el aire. Cuando ese aire pasa entre las zapatas y el tambor, se crea una zona de baja presión, que aspira las zapatas, pegándolas aún con más fuerza hacia la superficie del tambor. Con lo cual aumenta la fuerza del frenado. Fue el primer sistema de ayuda al frenado que existió, evitando que toda la fuerza deba provenir del pie del conductor. Sin embargo, esto no siempre es una ventaja, ya que no permite al conductor controlar con precisión el frenado; no siempre queremos exprimir a tope la frenada, ¿verdad?

Freno de tambor, sin la llanta ni el tambor

La principal (por no decir única) ventaja de los frenos de tambor sobre los de disco, como ya hemos dicho, radica en su precio. Y no sólo porque sus piezas sean más baratas, sino porque los frenos de tambor permiten incorporar fácilmente el freno de mano.

Recordemos que el freno de mano ser independiente del de servicio. Es decir, además del cilindro hidráulico principal, debe existir un mecanismo secundario que presione las zapatas contra el tambor. En el caso de los frenos de tambor, esto es muy sencillo. Basta con pone un cable de acero que, estirado por la palanca de mano, mueva las zapatas.

En el caso de los frenos de disco, montar un sistema así resulta algo más complicado. En la práctica, no se ha encontrado una solución práctica y barata. Por ese motivo, a menudo los vehículos con frenos de disco en todas las ruedas también incluyen frenos de tambor en las ruedas traseras, para el freno de estacionamiento. Es más, es incluso posible montar los frenos de tambor en el interior de los discos, de forma que la misma unidad puede cumplir ambos propósitos.

Dejaremos para el quinto capítulo explicar con detalle los motivos por los que los frenos de disco son más eficientes. Por hoy, citaremos únicamente algunas desventajas de los tambores.

Debido a la fricción, el tambor se calienta al frenar. Como todo metal, al calentarse se dilata, y por lo tanto las zapatas necesitarán recorrer mayor distancia para entrar en contacto con él. Es decir, tras un uso repetido, cada vez necesitaremos apretar más y mas el pedal para lograr la misma fuerza de frenado.

Además, al pasar por un charco el agua puede entrar dentro del tambor, y básicamente quedar atrapada ahí. Al situarse entre el tambor y la zapata, hace las veces de lubricante, reduciendo la fricción. La mejor forma de deshacerse de dicho agua es frenar ligeramente, de forma que el calor liberado evapore el líquido elemento. En un freno de disco pueden ocurrir fenómenos similares, pero al estar abiertos, el agua sale disparada con mayor facilidad, como en una centrifugadora.

Por hoy, lo dejaremos aquí. Hemos visto que, en definitiva, todo se reduce en poner una pieza que gira con la rueda en contacto con otra que permanezca fija a la carrocería. Y cuanto más fuerte se presionen una contra la otra, más fuerza de fricción aparecerá, mejorando la frenada. Por lo tanto, es crucial contar con un buen método para transmitir la fuerza aplicada sobre el freno (ya sea de pedal, o de mano como en las bicicletas) al sistema de freno. En el siguiente artículo trataremos precisamente este tema, la transmisión de la fuerza.

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Fotos | tnarik, Andrew E. Larsen, Tennen-Gas, Wesk