Sistemas de frenado
El fundamento del frenado es la fricción. No hay otras dimensiones físicas ni fuerzas. Es sencillamente fricción entre el forro del freno y el tambor, o la pastilla y el disco. Finalmente, las fuerzas de frenado dan como resultado la fricción entre el neumático y el pavimento. Hay dos materiales diferentes que se tocan entre sí y proporcionan un cierto coeficiente de fricción, produciendo una fuerza de frenado.
En general, la idea de control de freno consiste en intentar contener el deslizamiento de las ruedas para lograr un cierto nivel de control, de forma que se pueda dirigir el vehículo. Si las ruedas se bloquean, no se puede dirigir el vehículo. A fin de evitar esta situación, un sistema de control de freno intenta evitar el bloqueo completo de las ruedas para mantener la capacidad de dirigir, pero proporcionando una cierta fuerza de frenado y fricción entre la rueda y el pavimento. Este es el principio fundamental de los frenos, y se aplica a todo: turismos, camiones, remolques, motocicletas e incluso bicicletas. Bosch ha desarrollado un sistema ABS para frenos de disco en la rueda delantera de bicicletas eléctricas.
En una bicicleta o en un coche, es el conductor quien aplica los frenos (algunos vehículos ofrecen un cierto grado de asistencia). No obstante, como los camiones son mucho más pesados, hasta 40 t, es imposible para un ser humano generar tanta fuerza. Por esta razón, los camiones y los remolques utilizan un sistema neumático, impulsado por un compresor. Cuando el conductor presiona el pedal de freno, se genera una señal para frenar que se transmite por aire en pequeños tubos transversales a válvulas relé, pasando al actuador, empujando el pistón y accionando una palanca en la cámara de freno para aportar la fuerza que crea fricción en el disco de freno o el tambor. La palanca automática de freno conecta el tambor del freno a un mecanismo que expande automáticamente el forro contra el tambor conforme se desgasta.
En sistemas anteriores, si se aplicaban los frenos con demasiada fuerza, las ruedas se bloqueaban y el vehículo patinaba. La tasa de bloqueo depende en parte de la superficie de la carretera. En superficie seca, el 80 % de la fuerza normal de un frenado puede transferirse a fricción. En una superficie mojada, esta cifra se reduce al 20 %, y con hielo baja a menos del 1 %. Sigue habiendo fricción con bloqueo de las ruedas, pero el gran problema es la pérdida de capacidad para dirigir el vehículo; la inercia lleva el vehículo hacia delante. Se puede intentar girar el volante, pero el vehículo mantendrá la dirección del movimiento inicial.
Para prevenirlo, los sistemas de freno antibloqueo (ABS) llegaron a los camiones a mediados de los años 1970, y a los remolques en los años 1990 (Modal, 1991; Modular, 1998). El sistema compara la velocidad del vehículo con la velocidad de giro de la rueda. Si las ruedas se bloquean, o se mueven más despacio que el vehículo, el sistema ABS libera los frenos durante un momento –no aplica los frenos—hasta que las dos se sincronizan. Esta variable se denomina factor de deslizamiento. Un valor igual a cero significa que la rueda gira libremente, mientras que un valor del 100 % significa que la rueda está bloqueada. Un frenado óptimo y una dirección óptima requieren valores entre el 20 % y el 30 %. Para liberar los frenos, el sistema ABS libera aire de la cámara de frenos. Idealmente, el sistema ABS no se aplicaría. Si se conduce con suavidad observando atentamente lo que hay delante del vehículo, el ABS no entra en acción.
Pasados unos años, surgieron los sistemas de freno electrónicos para remolques, como el EB+ Gen1 en 2001. Comparados con los ABS, los sistemas EBS para remolque pueden aplicar los frenos, y lo hacen. En cada aplicación de los frenos, el sistema EBS está a cargo. Esto funciona mediante la recepción de una señal eléctrica para la aplicación de los frenos por parte de la unidad tractora. La gran mejora es que no hay un desfase entre el momento en el que los frenos reciben una señal y se aplican. Mientras que las señales de presión se propagan por el aire a la velocidad del sonido, las señales eléctricas viajan a la velocidad de la luz. Por ello, el sistema EBS reduce significativamente la distancia de frenado. Para ello se utiliza un solenoide adicional. Sigue habiendo un relé conectado al reservorio de aire, que actúa como almacenamiento de energía de frenado.
Dado que el EBS de los remolques no sólo libera los frenos, sino que también los aplica, puede realizar aplicaciones estratégicas para el control de la estabilidad. El sistema comprueba las velocidades y hay un acelerómetro incorporado en el EBS. Dependiendo de los movimientos, puede aplicar los frenos rápidamente sólo en un lado o en todas las ruedas del remolque. Esto puede ayudar a estabilizar el remolque cuando va más deprisa de lo que debiera.
Las normativas europeas solamente requieren que los camiones y las unidades tractoras estén equipados con sistemas ABS y control de estabilidad. De hecho, no se menciona el sistema EBS. No obstante, las mejoras que este sistema aporta para el rendimiento son tan grandes que nadie en Europa utiliza ABS con control de estabilidad, sino que se utiliza EBS con señales eléctricas de demanda de freno y control de bucle cerrado. Esto implica que el sistema EBS aplica los frenos, y percibe la demanda y el resultado en términos de presión en la cámara de frenos. El sistema ABS es un control de bucle abierto; solamente comprueba la velocidad del vehículo y libera los frenos. El control de estabilidad de ABS también aplica los frenos, pero es de bucle abierto; no comprueba el resultado.
El EBS Gen2 de Haldex para remolques salió en 2008, EB+ Gen3 en 2014 y Gen4 (EB+ 4.0) en 2020 (aunque a causa de la COVID llegó al mercado en 2022). El primer cuerpo del sistema se fabricó inicialmente a partir de un bloque sólido de aluminio, en parte por el bajo volumen de demanda en el mercado destinatario. Más adelante, se pasó a un cuerpo fabricado con plástico de calidad industrial. Con EB+ Gen2, se mejoró el número de entradas con control eléctrico al igual que la CPU. Volvió a fabricarse en fundición de aluminio para lograr más flexibilidad en la producción.
Actualmente, EB+ 4.0 intenta cubrir el mayor número de productos en una única plataforma. Está diseñado de forma modular de manera que se puedan utilizar tantos módulos como se requieran. Una gran ventaja es la reducción en el peso: 2 kg, comparado con EB+ Gen3. Además. tiene más funciones auxiliares, incluyendo subida y bajada, válvulas del eje elevable y estacionamiento. Cuenta con una ECU compleja con mayor capacidad computacional. En Gen3 había un máximo de cinco elementos auxiliares diferentes y en EB+ 4.0 se ha aumentado hasta ocho. La capacidad computacional ha ido incrementándose consistentemente con las nuevas generaciones.
Otra tendencia es el aumento de la conectividad. El sistema EBS es la única fuente de energía normalizada en un remolque. Alimenta funciones auxiliares como el Soft Docking o funciones telemáticas, y conecta todos los sistemas eléctricos que le rodean, pues los remolques a temperatura ambiente no están equipados con una fuente de alimentación. De hecho, ahora las conexiones de datos y la alimentación están unidas. Anteriormente, cuando se trataba sólo de ABS, había un conector de cinco clavijas. Una vez que los remolques pasaron al sistema EBS en 2001, el cable de alimentación estándar se amplió a siete clavijas, agregando CAN-Low y CAN-High. Aquí es donde el sistema EBS recibe la demanda de freno, de acuerdo con la norma ISO 11992 de comunicación digital por CAN-Bus.
Con vistas al futuro nos dirigimos hacia un freno electromecánico a fin de ahorrar energía. Cada vez que se aplica el freno se pierde energía al soltar aire que se ha comprimido previamente. Esa presión se regenera mediante un compresor que está conectado al motor, que consume combustible. El aire es una fuente de energía costosa, por lo que la tendencia general es prescindir de esta fuente en los camiones. Los frenos electromecánicos, que Haldex está desarrollando actualmente, incluyen un sistema de control completamente eléctrico del frenado que elimina los conductos de aire y los actuadores neumáticos, y los remplaza con cableado eléctrico y un motor eléctrico en la rueda que aplica fuerza a un disco de freno. A pesar de su complejidad técnica, el sistema sigue utilizando la fricción para frenar, en la pinza de freno y el tambor, y entre el neumático y el pavimento.
