Sistemas de frenado: freno de estacionamiento, electromecánico y regenerativo en vehículos

1. Freno de estacionamiento en el sistema de freno de tambor

En este caso, el freno de estacionamiento suele ser mecánico, y actúa sobre ambos frenos traseros por medio de uno o dos cables de freno, un igualador o compensador y una varilla intermedia acoplada a la palanca del freno. Al tirar de la palanca del freno de estacionamiento, el movimiento es transmitido por la varilla intermedia y el igualador o compensador a los cables del freno de estacionamiento. Cada cable del freno tira de una palanca unida a la zapata de freno secundaria. La palanca gira contra el vástago de ajuste del freno, separando las zapatas y apoyando los forros de freno contra el tambor.

El sistema dispone de un mecanismo de bloqueo de la palanca que impide que el freno se suelte. Cuando se suelta la palanca del freno de estacionamiento, la palanca de accionamiento de la zapata de freno vuelve a la posición inicial. Las zapatas y los cables de freno también vuelven a la posición original mediante muelles de retorno. El ajuste de este sistema se suele realizar mediante un tornillo-tuerca que tensa el igualador o compensador del cable a la varilla intermedia.

2. Freno de estacionamiento electromecánico

El freno de estacionamiento electromecánico se puede considerar como un freno inteligente, pues realiza la función de freno de estacionamiento sin necesidad de cables, con una completa gestión electrónica de la función de freno. El sistema emplea la red de datos del vehículo para la gestión electrónica y los elementos del sistema de freno, a los que se le añade un motor de corriente continua, una reductora y un husillo para empujar el émbolo del freno.

El freno electromecánico está diseñado para realizar su principal misión, que es servir de estacionamiento. Se acciona a voluntad del conductor con un pulsador y, en situaciones en las que se podría olvidar accionarlo, se acciona automáticamente igual que el freno de cables. Cuando el conductor para el motor y quita la llave de contacto, el freno de estacionamiento electromecánico se acciona automáticamente.

2.1 Funcionamiento electromecánico

Para cerrar el freno de estacionamiento, la unidad de control excita el motor eléctrico que acciona el husillo a través de las reductoras de correa dentada y de piñón oscilante. El giro del husillo hace que la tuerca de presión se desplace en avance a lo largo de la rosca del husillo. La tuerca de presión apoya contra el émbolo de freno y lo oprime contra las pastillas. Por su parte, las pastillas presionan contra el disco de freno. Esto hace que el retén se deforme en dirección hacia las pastillas. La presión provoca un aumento de la corriente absorbida por el motor eléctrico. La unidad de control mide la absorción de corriente del motor eléctrico durante todo este ciclo operativo. Si la corriente absorbida sobrepasa un valor específico, la unidad de control interrumpe la alimentación de corriente hacia el motor eléctrico.

Para abrir el freno de estacionamiento, se gira la tuerca de presión y se hace retroceder el husillo. En el émbolo de freno se alivia la presión que tenía aplicada. Con la recuperación de la forma del retén y un eventual desequilibrio del disco de freno, se retrae el émbolo de freno. Las pastillas liberan el disco.

Funciones del freno de estacionamiento electromecánico

• Función de freno de aparcamiento.
• Función dinámica de frenada de emergencia.
• Asistente dinámico en arrancada.
• Función AUTO HOLD.
• Modo para ITV.
• Detección de desgaste de las pastillas y corrección del juego.
• Desbloqueo de emergencia.

3. El freno regenerativo

• Limitación del frenado convencional: En vehículos térmicos tradicionales, la reducción de velocidad mediante frenos o retención del motor disipa la energía cinética en forma de calor por rozamiento, resultando en una pérdida energética no aprovechada.

• Definición y propósito: Los sistemas de freno regenerativo o recuperativo —presentes en motores térmicos, híbridos y eléctricos— capturan parte de esa energía cinética, transformándola en energía eléctrica.

• Mecanismo de conversión: La recuperación se efectúa mediante una máquina eléctrica (motor eléctrico) o un alternador durante las fases de frenado o desaceleración.

• Almacenamiento y uso: La energía generada se acumula en el vehículo para su posterior reutilización, ya sea para la propulsión o para alimentar sistemas auxiliares.

• Limitaciones operativas:

  • Inoperancia a baja velocidad: No es efectivo en rangos de velocidad reducidos debido a que las inducciones generadas son insuficientes para detener el vehículo.

  • Dependencia del sistema convencional: No sustituye a los frenos de fricción, pues si las baterías alcanzan el 100 % de capacidad, el sistema no puede absorber más energía y pierde su capacidad de frenado.

3.1 Funcionamiento del freno regenerativo

El desplazamiento de un vehículo genera una inercia que demanda la aplicación de una fuerza opuesta para cualquier reducción de velocidad o detención. En los sistemas convencionales, esta resistencia se logra mediante la fricción mecánica entre componentes (discos/pastillas o tambores/zapatas), lo cual deriva en una pérdida energética masiva en forma de calor. El sistema regenerativo, aplicable a cualquier arquitectura de motorización, captura esa energía y la reconvierte en energía eléctrica, gestionando su depósito en baterías o acumuladores para un aprovechamiento futuro.

La ejecución técnica de este proceso recae en una máquina eléctrica que actúa como generador al funcionar de manera inversa, absorbiendo la energía cinética del vehículo para su transformación electromagnética. Sin embargo, esta capacidad operativa está condicionada por el estado del acumulador: ante una carga máxima de la batería, el sistema se inhabilita, haciendo imprescindible el uso de la frenada convencional. Finalmente, este mecanismo no reemplaza al freno de fricción debido a su ineficacia en rangos de baja velocidad y a su insuficiencia ante situaciones de emergencia, donde se requiere una respuesta más enérgica para minimizar la distancia de parada.

3.2 Destinos de la energía eléctrica obtenida

• En vehículos convencionales, para la recarga de la batería, alimentación de accesorios y, si el vehículo va equipado con el sistema start-stop, para la puesta en marcha del motor.
• En vehículos híbridos y eléctricos, para la recarga de la batería de alto voltaje y alimentación de consumidores eléctricos.

4. Frenada de emergencia en ciudad

La función de frenada de emergencia en ciudad puede vigilar el área delantera del vehículo con sensores de radar, sensores láser, cámara de vídeo, etc. Los diferentes sistemas de frenado ofrecen esta función para velocidades inferiores a 30 km/h. A esta velocidad, si el conductor no reacciona ante una posible colisión por alcance con un vehículo precedente o inmóvil, el sistema de frenos aumenta su predisposición a actuar, llegando incluso a realizar una frenada a fondo de forma automática para evitar o reducir la gravedad del accidente.

Generalmente, en la primera fase los diferentes sistemas advierten al conductor con señales ópticas y acústicas, y seguidamente con un breve tirón de frenada (entre 30–50 km/h). Asimismo, se realiza una presurización del sistema de freno para eliminar el juego entre las pastillas y los discos de freno, y se cambia el umbral de activación del asistente de frenado. Si el conductor no ejerce suficiente fuerza sobre el pedal de freno, el sistema automáticamente aporta la fuerza de frenado máxima para evitar una colisión. En este sistema, la función de frenada de emergencia en ciudad no puede sustituir la responsabilidad del conductor en su comportamiento al volante, ni garantizar que se evite el accidente en todas las circunstancias.

5. Sistemas de freno regenerativo en vehículos híbridos y eléctricos

En los vehículos híbridos y eléctricos, la recuperación de energía cinética se efectúa a través del motor eléctrico o generador integrado. Esta energía recuperada se destina primordialmente a la carga de la batería, la alimentación de consumidores eléctricos, el refuerzo del freno de servicio y el suministro del propio motor generador.

El sistema de freno de control electrónico (ECB) gestiona la detención del vehículo calculando la fuerza de frenado necesaria mediante la medición del esfuerzo y la presión ejercida por el conductor sobre el pedal. Su objetivo es combinar de manera eficiente la fuerza regenerativa de la máquina eléctrica con la fuerza del sistema de frenos hidráulicos.

El ECB integra y asume las siguientes funciones críticas:

• Control cooperativo de los frenos regenerativos: Gestiona los frenos hidráulicos para priorizar y maximizar la recuperación de energía eléctrica mediante el sistema regenerativo.
• Sistema de frenos antibloqueo (ABS): Impide el bloqueo de las ruedas durante frenadas intensas o sobre superficies con baja adherencia.
• Distribución electrónica de la fuerza de frenado (EBD): Optimiza, junto al ABS, el reparto de la fuerza de frenado entre los ejes delantero y trasero según la carga y condiciones de circulación; asimismo, regula el equilibrio entre las ruedas laterales durante el viraje para estabilizar el comportamiento del vehículo.
• Control de la estabilidad del vehículo (VSC): Previene el derrape lateral derivado del patinaje de las ruedas en curvas y asiste a la dirección según el estado dinámico del vehículo.
• Servofreno: Amplifica la presión de frenado cuando la acción sobre el pedal resulta insuficiente en situaciones de emergencia o cuando las condiciones exigen una potencia de detención superior.

5.1 Frenado recuperativo

El frenado recuperativo en vehículos híbridos complementa el sistema convencional para recargar la batería de alto voltaje mediante la máquina eléctrica en modo alternador. La unidad de control gestiona el par de frenado total solicitado, dividiéndolo en una fracción recuperativa (ejecutada por la cadena cinemática) y una parte hidráulica (ejecutada por los frenos de rueda). Si la demanda del conductor puede cubrirse íntegramente mediante la potencia del generador, se prescinde de la intervención hidráulica. Durante este proceso, la electrónica de potencia transforma la corriente alterna trifásica producida por la máquina eléctrica en corriente continua de alto voltaje para su almacenamiento en la batería.

6. Funcionamiento del ESP

El control de estabilidad (ESP) emplea los componentes del ABS pero integra una red de sensores más extensa para procesar mayor información. El sistema dispone de sensores para el ángulo y velocidad de giro del volante, aceleraciones y deceleraciones, momento de derrapaje y revoluciones de las ruedas. Mediante estos datos, la unidad de control calcula la trayectoria deseada y la aceleración transversal real en función de la velocidad y el giro.

Al comparar los valores reales con los preestablecidos, si existe una discrepancia significativa que indique inestabilidad, la unidad de control ABS/ESP interviene selectivamente sobre los frenos de las ruedas necesarias y actúa simultáneamente sobre el motor para reducir su potencia y par. Esta acción combinada permite corregir la trayectoria y estabilizar el vehículo de forma automática.