Pisa el freno (7): Otros tipos de freno; motor, electromagnético y regenerativo

Freno regenerativo usando en un coche de Fórmula 1, conocido como KERS

Estamos llegando ya al final del paseo por el mundo del freno. Hasta ahora siempre hemos hablado de frenos mecánicos, en que la fuerza que nuestro pie aplica sobre el pedal se utiliza para generar fricción entre una pieza que gira solidaria a las ruedas, y otra que está fija en la carrocería. Pero no siempre es así, y hoy veremos unos cuantos ejemplos.

En general, podemos decir que cualquier fenómeno que se oponga al movimiento del coche puede ser considerado un freno. Independientemente de que ello se produzca a voluntad del conductor, o no.

Como decíamos al principio de este serial, el hecho que las ruedas sean redondas hace que la fricción con el suelo no se oponga al movimiento. Por eso, siempre se dice que la rueda es uno de los mayores inventos de la humanidad. Sin embargo, hay muchas otras fuentes de fricción que siguen estando ahí, y siguen frenando el movimiento.

Cuando queremos incrementar o mantener la velocidad, todas estas fuentes de fricción nos fastidian. Sin ellas, los coches consumirían muchísimo menos. De hecho, una vez alcanzada la velocidad crucero podríamos apagar el motor tan tranquilamente. Pero cuando queremos reducir la marcha, nos ayudan. Podríamos llamarlo el freno involuntario.

La forma más conocida de frenar sin frenar, por decirlo así, es el freno motor. En parte, el freno del motor también se beneficia de las fricciones internas que acabamos de comentar, pero la componente principal proviene del trabajo que los cilindros deben hacer para comprimir el aire y mover el aire. Como habremos dejado de acelerar, ya no entrará combustible que propulse de nuevo al cilindro en la fase de explosión, así que básicamente el motor pasa a ser una mera bomba de aire.

Las corrientes de aire generadas, junto con la fricción involuntaria, se llevan parte de la energía cinética del vehículo, que por lo tanto se frenará. Esto pasará siempre que no estemos acelerando, claro, pero si tenemos el embrague pisado la pérdida de energía no se transmitirá a las ruedas. Para evitar que se detenga el motor, el ralentí entrará en juego proporcionando la gasolina necesaria, pero eso es otra historia.

Como hemos dicho, durante la mayor parte del trayecto el freno motor y la fricción interna actúan contra nosotros. Pero al detenernos, nos ayuda, y seríamos unos necios si no lo aprovechamos. Simplemente dejando una marcha corta engranada, sin acelerar, el vehículo perderá parte de su velocidad sin tener que usar el freno de servicio. De esa forma, alargaremos la vida útil de los elementos de frenado y, sobre todo, reduciremos en gran medida el riesgo de fading. Si lo mantenemos fresco, el freno seguirá estando ahí cuando necesitemos frenar de verdad.

Como ventaja añadida, al reducir con el motor engranado, la propia inercia del vehículo se encarga de mantener el motor en movimiento, sin necesidad de utilizar tanta gasolina. Incluso en algunas circunstancias, la centralita del sistema llega a cortar la inyección de carburante mientras reducimos.

El propio motor puede ayudarnos a frenar el vehículo

Llegados a este punto alguien podría preguntar «es que todos los sistemas de freno están basados en la fricción». La respuesta es que no. Muchos vehículos pesados incluyen un freno electromagnético (aunque a menudo se conoce como freno eléctrico, pero prefiero llamarlo electromagnético ya que, como veremos, el campo magnético juega un papel importante).

De una forma algo sui generis, el freno electromagnético viene a ser un motor eléctrico funcionando al revés. Básicamente, tenemos un electroimán fijado en la carrocería del vehículo, y un disco metálico que gira solidario a la rueda (llamado rotor).

Cuando el conductor activa el freno electromagnético, el electroimán genera un campo magnético, que ejerce una fuerza a los electrones del rotor. En consecuencia, dentro del rotor se crean unas corrientes eléctricas espúreas, conocidas como corrientes de Foucault (o corrientes de Eddy en el mundo anglosajón, que no les gusta dar crédito a los franceses).

Esas corrientes inducidas crean, a su vez, otro campo eléctrico que se opone al primero (esto es lo que los físicos conocemos como ley de Lenz). Ese segundo campo magnético, creado por las corrientes en el rotor, ejerce una fuerza sobre el electroimán. Por el principio de acción y reacción, también aparece una fuerza opuesta sobre el rotor. Esta es la fuerza que intenta frenar el movimiento del rotor, y por lo tanto de la rueda.

Hay que notar que la fuerza que un campo magnético ejerce sobre una carga es proporcional a la velocidad de dicha carga. Es decir, cuanto más rápido gire el rotor, mayor fuerza de frenado aparecerá. Sin embargo, eso también significa que cuando la rueda gira muy despacio apenas hay fuerza de frenado, así que seguiremos necesitando los frenos mecánicos de toda la vida. El freno electromagnético es un complemento, no un substitutivo.

Por ese motivo, el freno electromagnético es ideal para ralentizar el vehículo, para evitar que se acelere demasiado sin tener que usar el freno de servicio. Si las ruedas empiezan a girar más rápido de lo deseado, la fuerza de frenado aumentará. Pero si la velocidad no es suficiente, la fuerza de frenado automáticamente disminuye, sin que tengamos que hacer nada, permitiendo volver a la velocidad deseada.

Sin este sistema de retención, los conductores de vehículos pesados se verían obligados a usar constantemente el freno mecánico en un descenso prolongado. Como dijimos en el anterior capítulo, dicho uso continuado puede llegar a propiciar una bajada de rendimiento, el temido fading, dejando un mastodonte sin control en la carretera.

Este tipo de frenos no sólo se usan en la carretera, sino también en el transporte sobre raíles… y en las atracciones de feria, aunque en este caso suelen ser frenos lineales, como los de la fotografía a continuación.

Freno electromagnético en una atracción de feria

¿Qué pasa con la energía? Pues, como siempre, se acaba empleando en calentar el freno. Cuando las corrientes eléctricas se encuentran con resistencia, lo que hacen es calentar el medio por el que circulan. Lo podemos notar fácilmente tocando una bombilla encendida. Por ese motivo, el rotor suele estar refrigerado, igual que los discos de freno usuales. Sin embargo, la temperatura no afecta demasiado a la resistencia eléctrica, así que este tipo de frenado es bastante resistente al fading (valga la redundancia).

Sin embargo, es una lástima que las corrientes generadas de esta forma se pierdan. ¿No sería posible reconducirlas y almacenarlas en una batería? Pues sí. Esta es, básicamente, la idea que hay detrás de los frenos regenerativos de los que tanto oímos, que sin duda habréis escuchado en los anuncios de coches, y en la Fórmula 1 (el sistema KERS, que podéis ver en la imagen de cabecera del artículo, que tan polémico fue el año 2009).

Básicamente, simplificándolo mucho, se basan en poner un dinamo como freno, que convierte la energía cinética de la rueda en energía eléctrica. Es, esencialmente, un sistema similar al freno electrodinámico que acabamos de describir, pero el rotor, en vez de ser una mole metálica y ya está, contiene bobinas de hilo eléctrico que canalizan las corrientes de Foucault.

Como veis, en el mundo del freno no todo es pisar un pedal para generar fricción. A veces, esa fricción ya está ahí para que la aprovechemos cuando nos sea útil. Y, otras veces, se puede frenar sin generar fricción, ya sea moviendo gases o generando corrientes eléctricas.

Con esto, prácticamente hemos acabado nuestro largo y arduo viaje al rededor del mundo del freno. Pero sería una lástima terminar sin mencionar sistemas como el ABS y el EPS, que se aprovechan de todo lo que hemos hablado sobre los frenos para accionarlos, o desactivarlos, automáticamente ayudándonos a controlar el vehículo. Eso es lo que haremos en la siguiente, y última, entrega de esta serie.

En Circula Seguro | Pisa el freno

Foto | Geni, mercuryvapour, Stefan Scheer

  • Virus

    Puntualizar que en los trenes, la energía de frenado obtenida por el “freno” electrico (se llama “regeneración”) vuelve a la catenária, de forma que nó genera calor en el vehiculo y se reutiliza.

    Cuando me saqué el “B”, el camión de la autoescuela tenia un freno que no me acuerdo como se llama, pero basicamente lo que hacia era bloquear parcialmente, mediante una valvula, el colector de escape de forma que aumentaba la compresión del motor y su retención.

    Buen artículo.

    • jaume

      Bueno, creo que los frenos regenerativos ya están explicados en el artículo, ¿o crees que no es suficiente?

      Lo que comentas sobre el camión es el “freno de escape”, directamente (exhaust brake, en inglés). Es básicamente el mismo concepto que hemos comentado del freno motor para motores diésel. Como éstos no tienen válvula de admisión en el cilindro, sino un inyector, utilizan los gases del escape en vez de los de la admisión.

  • amparo19

    Buenas.

    Insistiendo en lo del fading, comentas que los frenos hay que mantenerlos frescos. Pero cuanto? No necesitan una temperatura óptima (calentarlos, ejem. cuando estan húmedos) para que no pierdan eficacia.

    • jaume

      Esto no es la Fórmula 1, hombre. Los frenos de competición se diseñan sabiendo que absorberán mucho calor, y se tiene en cuenta para que funcionen óptimamente cuando están algo calientes.

      En los frenos de la vida cotidiana, la cosa no va así, no están diseñados para ir a tope todo el rato, así que se supone que están a una temperatura no muy diferente del ambiente.

      Si se mojan, la cuestión no es calentarlos, sino secarlos.