Frenos y Retardadores: Cuando necesita parar

El sistema de frenos de un camión de recogida se somete a un increíble trabajo cada semana en algunos de los entornos y circunstancias más severos. El camión tiene que mantener las funciones normales de frenado en condiciones de tráfico que van desde la autopista hasta el tráfico urbano pesado y las repetidas paradas de la ruta de recogida. Con cada parada, el peso del camión aumenta hasta que alcanza su carga útil, con la expectativa de que las características de frenado del camión se mantengan bastante constantes de vacío a lleno. Añada la necesidad de realizar esas paradas de pánico inesperadas para el automovilista que se cruza repentinamente delante del camión o el niño en un triciclo que se lanza sin ser visto de entre dos coches aparcados para ver el «gran camión», y tendrá que tener un sistema a prueba de fallos.

En pocas palabras, los sistemas de frenado y ralentización funcionan con el concepto de ofrecer una resistencia selectiva a un componente en movimiento, ya sea en una rueda que gira o en un eje giratorio en una fuerza de fricción igual y opuesta al movimiento hasta que el objeto se detenga. Como resultado de la función de frenado, la energía contenida en el objeto en movimiento se convierte en calor que posteriormente se disipa en la atmósfera. Los sistemas de frenado son principalmente de naturaleza mecánica, mientras que los sistemas de ralentización funcionan a través de la resistencia del fluido o de las fuerzas electromagnéticas. Los ralentizadores se utilizan para complementar el sistema de frenado principal reduciendo la cantidad de esfuerzo que el sistema de frenado primario debe hacer valer para detener un vehículo.

Una introducción a los sistemas de frenado

En un camión de recogida de basuras, el sistema de frenado consta de dos subsistemas: el freno de servicio, que está diseñado para funcionar a través del pedal y aplicarse durante el funcionamiento normal del vehículo; y el freno de estacionamiento, que es un sistema mecánico diseñado para mantener los frenos siempre que el vehículo esté estacionado y el motor esté apagado. En situaciones en las que el conductor debe salir repetidamente del vehículo mientras lo coloca en una situación de estacionamiento, se puede utilizar un sistema de freno de trabajo, que combina las características del freno de servicio y del freno de estacionamiento, sin generar un desgaste significativo en el freno de estacionamiento aplicado por resorte.

Los sistemas de frenado utilizan fluido hidráulico o aire para funcionar. Aunque ambos sistemas tienen aplicaciones apropiadas en diversos vehículos, los sistemas de frenado principales en los vehículos de recogida de basuras funcionan con aire. Para ello se necesita un compresor que genere aire a la presión adecuada y un depósito de almacenamiento para mantener el aire comprimido. A continuación, el aire se trata para eliminar la humedad, que puede reducir la eficacia de los sistemas de frenado. El sistema de frenado suele estar dividido en circuitos que están diseñados para proporcionar una redundancia al sistema. Esta redundancia está pensada para permitir que el vehículo conserve más del 50% de su función de frenado en caso de fallo del circuito. Cada circuito cuenta con un sistema de válvulas adecuado que distribuye el aire a los frenos de base de cada conjunto de ruedas.

Los sistemas de frenos de aire son la plataforma dominante por su fiabilidad y menor coste de mantenimiento. «Un sistema de frenos de aire es un sistema indulgente», afirma Ron Bailey, director técnico de ventas de Bendix Spicer Foundation Brake LLC de Elyria, OH. «Se puede operar un sistema de frenos de aire con alguna fuga en el sistema y no se pierde el sistema de frenos. Es decir, tanto los sistemas neumáticos como los hidráulicos tienen redundancia, en el sentido de que si se pierde parte del sistema, la otra mitad funciona. Sin embargo, un sistema de aire puede funcionar con una pequeña fuga en el sistema y seguir funcionando, y eso no se puede hacer con un sistema hidráulico. Si se produce una fuga en un sistema hidráulico, se pierde una parte del sistema».

Los componentes de los frenos de los camiones de recogida tienen que ser resistentes para detener a los vehículos pesados en sus recorridos diarios. En el sentido de las agujas del reloj, desde la parte superior izquierda, un freno de disco neumático; un actuador de válvula, que utiliza el aire de los frenos de estacionamiento para mantener el pedal aplicado durante las inspecciones; y un compresor, que se utiliza como fuente de energía para cargar el aire del sistema de frenos de aire. A la derecha, un técnico trabaja en un freno de disco neumático.

Los frenos de base pueden ser de disco o de tambor. La mayoría de los sistemas de frenado de los vehículos de recogida de basuras son frenos de tambor de leva en S, que consisten en una cámara de frenado y un regulador de holgura que hace girar una leva en forma de S que aplica las zapatas contra el tambor para crear la fuerza de frenado. Los frenos de disco utilizan una pinza para aplicar presión a través de las pastillas a un rotor. Los frenos de tambor empujan hacia fuera contra la superficie del tambor que se mueve en paralelo a la superficie de la carretera, mientras que los frenos de disco aplican presión a un disco que gira perpendicularmente a la superficie de la carretera.

Según Bailey, hay algunas diferencias distintivas entre los dos sistemas. «Menos del 2% de los vehículos pesados de Estados Unidos tienen frenos de disco de aire», dice. «Creo que la razón principal es la económica. Los frenos de disco suelen ser más caros de entrada, pero creemos que hay pagos por el ciclo de vida que lo reducen y hacen que sea una oportunidad más razonable para los frenos de disco de aire gracias a una mayor vida útil del forro y un mantenimiento más sencillo. En comparación, los frenos de tambor tienen un par de características que los frenos de disco superan. La primera es la estabilidad. Puede haber hasta un 30% de variación de derecha a izquierda. Los frenos de disco tienen intrínsecamente mucha más estabilidad, probablemente menos del 10% de variación de un freno a otro. La otra cosa con los frenos de disco sobre los frenos de tambor es lo que llamamos desvanecimiento de los frenos, que sería la pérdida de eficacia de los frenos. Con el aumento de la temperatura, los frenos de tambor tendrán ciertamente pérdidas de eficacia a medida que los frenos se calientan. Se puede producir un desvanecimiento del 30% al 40% en un freno de tambor de una situación fría a una situación caliente. Los frenos de disco probablemente tienen menos de un 10% de variación de frío a caliente. La basura se considera una operación de frenado en caliente de alta intensidad. Hemos visto hasta 60 paradas por milla en la basura. Los frenos de tambor se calientan, se desvanecen y se empieza a perder la eficacia de los frenos y a aumentar el desgaste de los forros con el aumento de las temperaturas. Los frenos de disco son mucho menos sensibles a esas condiciones y pueden ofrecer una mejora en el desgaste del forro y un tiempo de servicio mucho más rápido cuando se necesita reemplazar las pastillas».

Determinar qué tipo de sistema de frenado (disco o tambor) es apropiado para una aplicación específica depende de una variedad de factores, dice John Hall, vicepresidente de ingeniería de productos en Webb Wheel Products en Cullman, AL. Algunos de estos factores son el ciclo de trabajo, los hábitos del conductor, el tipo de carga, el peso y el coste.

Hoy en día, el coste de un freno de disco neumático es sustancialmente mayor que el de un freno de tambor. La razón principal de esto es que los componentes de un freno de tambor se fabrican en un volumen mucho mayor que los componentes de un freno de disco de aire. El coste de los componentes es extremadamente sensible al volumen. A medida que el volumen de los componentes para el freno de disco de aire aumenta, la diferencia entre el costo de un freno de disco de aire y el de un freno de tambor disminuirá.

Mejorar la vida útil del tambor de freno

La vida útil de los tambores de freno de reemplazo se puede aumentar al no seguir la práctica común de «trueque» de un nuevo tambor de freno antes de ponerlo en servicio. Hoy en día, la mayoría de los fabricantes de tambores mecanizan el tambor en un solo chasis. Esto permite minimizar la desviación entre el diámetro de la superficie de frenado y el diámetro piloto. La práctica de seguir mecanizando un tambor de freno reduce la vida útil de un tambor nuevo al aumentar el diámetro de su superficie de frenado. Además, esta práctica suele aumentar la excentricidad del diámetro de la superficie de frenado en relación con el diámetro de pilotaje, lo que puede contribuir a la formación de controles térmicos en la superficie de frenado. Esto puede, en última instancia, reducir la vida útil del tambor.

El uso de tambores ventilados junto con turbinas de freno puede reducir la temperatura de funcionamiento de los tambores de freno en servicio severo. Las temperaturas de funcionamiento más bajas se correlacionan con el aumento de la vida útil del tambor.

Añadir un freno de trabajo al sistema permite utilizar el sistema de frenado de forma más eficiente, dice Chuck Eberling, ingeniero senior de personal de Bendix Commercial Vehicle Systems. «Uno de los mayores enemigos de un sistema de frenado en un vehículo de basura es la aplicación del freno de estacionamiento en las paradas rutinarias casa por casa», observa. «A través de estudios con la industria, hemos aprendido que es literalmente imposible que los sistemas de carga que se utilizan normalmente en estos vehículos sigan el ritmo de una ruta de 800 a 1.200 paradas en la que el conductor aplica realmente los frenos de estacionamiento en cada parada. Es muy importante que tenga lo que se conoce como el freno de trabajo que realmente empleará el freno de servicio. Al hacerlo, se reducirá el consumo de aire tres veces y, por lo tanto, se dará la oportunidad de que el sistema de carga siga el ritmo de la demanda. Si el sistema de carga no puede seguir el ritmo de la demanda, va a saturar todo el sistema y tendrá problemas en el futuro con la corrosión interna y la congelación y ese tipo de cosas».

Los ralentizadores ayudan a frenar

Cualquier persona que haya estado en una rampa de salida de una autopista cuesta abajo mientras un camión pesado reduce la velocidad ha oído el familiar gemido de un sistema de ralentización del motor. Junto con los ralentizadores de la transmisión y la cadena cinemática, están diseñados para ayudar al sistema de frenado existente convirtiendo la energía generada por la cadena cinemática del vehículo en un sistema de frenado.

Cuando se pisa el acelerador de un camión de recogida, el motor se acelera a medida que el combustible pasa por los cilindros y se enciende, creando trabajo. Cuando se suelta el acelerador, el motor se frena. Un ralentizador del motor capta los gases de escape del motor y los comprime para que el motor tenga que trabajar más para empujar el gas fuera de los cilindros, por lo que ralentiza y frena el motor por resistencia. Esto hace que el vehículo disminuya su velocidad, requiriendo menos fuerza de frenado en los frenos de servicio para detener el vehículo.

Los ralentizadores de la transmisión realizan una función similar, ya que ralentizan las fuerzas de rotación de la línea motriz creando resistencia dentro de la transmisión. Steve Spurlin, ingeniero jefe de Allison Transmissions en Indianápolis, IN, describe cómo funciona el sistema: «El ralentizador consiste en un elemento giratorio abombado llamado rotor. A ambos lados del rotor, hay elementos con forma de paletas que no giran, llamados estatores. La cavidad entre el rotor y los estatores está presurizada con aceite. El rotor está acoplado al eje de salida de la transmisión. El aceite presurizado que trabaja entre el rotor y el estator frena el vehículo cuando el operador pide el ralentizador. El ralentizador bombea aceite hasta unos 60 galones por minuto y lo extrae del suministro normal de aceite de la transmisión»

Los ralentizadores de la línea de transmisión se instalan entre la transmisión y la parte trasera del camión, y utilizan energía electromagnética para contrarrestar la energía de la línea de transmisión en rotación, de forma similar a un motor eléctrico. «En el mercado de la basura, se compran principalmente para prolongar la vida útil de los frenos», dice Joe Gawlik, director regional de ventas de Telma Inc. de Elk Grove Village, IL, una filial del Grupo Valeo. «Dada la cantidad de trabajos de frenado que se realizan en el mercado de la basura, ahorrará en la vida de los frenos y en los gastos asociados a los mismos, así como en la vida de los neumáticos. dos rotores que están unidos a la línea motriz y que giran a la misma velocidad que ésta. El estator está atornillado al raíl del bastidor y es estacionario. Cuando se activa el ralentizador, se crea un campo electromagnético mediante corrientes de Foucault que ralentiza la rotación de esos rotores, lo que significa que se ralentiza el camión sin utilizar los frenos». Según John Gillespie, director general de Telma, «ninguna otra tecnología de frenado auxiliar se adapta tan bien al sector de la basura como la electromagnética. Hemos observado que la vida útil de los frenos se ha quintuplicado y que se han reducido los fallos de los neumáticos relacionados con el calor utilizando esta tecnología».

Según Spurlin, hay dos razones para tener cualquier tipo de sistema de ralentización en un vehículo de recogida. «Una de ellas es el control de la velocidad en las pendientes, que no es realmente para lo que lo querría un vehículo de recogida de basuras», dice. «El segundo propósito es proporcionar un frenado adicional al vehículo que podría, de hecho, ayudar a salvar los frenos de servicio normales, para así prolongar la vida de los frenos. El beneficio más frecuente es en una vocación de alta parada/arranque como un camión de basura. En la recogida de basura residencial normal, ya sea un cargador lateral, un cargador trasero, o incluso un cargador frontal, cuando están haciendo el trabajo de baja velocidad que no va a obtener mucho beneficio de cualquier tipo de un ralentizador porque se está ejecutando a baja velocidad. La energía de frenado que se pone en los frenos de servicio es muy pequeña porque la velocidad es baja. Pero cada uno de esos camiones sale del barrio. Van en el tráfico normal y, en la mayoría de los casos, salen a la autopista varias veces al día a altas velocidades a vertederos o estaciones de transferencia. Se beneficiarían del ralentizador en términos de ahorro en los frenos porque ahora van a velocidades más altas y hay más energía de frenado que va a los frenos de servicio. Si el ralentizador puede absorber esa energía frente a los frenos de servicio, entonces es así como se va a prolongar la vida útil de los frenos.»

La activación de los sistemas de ralentización puede configurarse en función de las necesidades del sistema operativo. «Los conductores y las empresas pueden elegir cómo quieren que se configure el sistema», dice Gawlik. «La mayoría de las unidades que salen al mercado de la basura son con control de pie, es decir, en cuanto el conductor pisa el freno, el ralentizador se activa en cuatro etapas diferentes con un 25% para cada etapa. Se activa con un interruptor de presión de aire y se activa a 3, 5, 7 y 10 libras de aire en las líneas de frenado. Esta es la opción más popular en el mercado de la basura. Sin embargo, hay otras opciones, como el control del acelerador. Algunas empresas de residuos eligen esta opción, en la que aproximadamente el 25% o el 50% de la potencia se activa en cuanto se suelta el acelerador, y las etapas adicionales se activan con el pedal del freno. En cuanto se suelta el acelerador, boom, tienes el 50% del ralentizador funcionando inmediatamente».

Sistemas futuros

Actualmente, todos los sistemas de frenado deben cumplir o superar los requisitos de la National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) para poder detener un vehículo de clase 8 en 355 pies desde 60 millas por hora. La NHTSA tiene actualmente un programa de nueve pasos para reducir en un 50% las muertes relacionadas con los vehículos pesados para el año 2010. «Uno de los principales esfuerzos consiste en reducir la distancia de frenado de los actuales 355 metros a 248», afirma Bailey. «Los frenos de tambor pueden llegar a ese nivel, pero ahí es donde entra en juego este factor de eficacia cuando se empiezan a poner frenos de tambor mucho más grandes en los ejes delanteros. Los frenos de disco pueden soportarlo. Tenemos información que muestra que la distancia de frenado en un tractor típico con frenos de disco en todo su recorrido es de 185 a 215 pies de distancia de frenado».

Dado que la activación de los sistemas de frenado puede causar problemas de estabilidad y manejo, especialmente en condiciones climáticas severas o aplicaciones de pánico, los sistemas futuros incorporarán características como controles de estabilidad y sistemas de frenado automatizados más avanzados. «Los sistemas avanzados de los que hablamos son en realidad los que se encontrarían más en un sistema de frenado electrónico completo, que es bastante común en Europa», dice Eberling. «Sin embargo, debido a la ausencia de una distancia de frenado más corta y al coste que supone tener un sistema de frenos totalmente electrónico con la redundancia neumática que exige la ley, lo que hemos hecho en realidad es incorporar las características avanzadas de un sistema de frenos totalmente electrónico a la plataforma del sistema de frenos antibloqueo actual. Creemos que nuestro sistema llega al punto, con estos conceptos avanzados de estabilidad de balanceo y estabilidad electrónica mejorada, de que no hay un valor real en un sistema de frenos totalmente electrónico.»