En la primera parte del reportaje sobre el sistema de frenos en el automóvil os contamos la historia de los frenos y en qué tipos se dividen, atendiendo al sistema de envío de la fuerza de frenado o el tipo de conjunto rotor/estátor. Ahora que ya estamos situados en contexto, vamos a entrar de lleno en describir un sistema de frenos hidráulico actual, desde el pedal de freno hasta los discos, enumerando sus componentes y contando cada detalle de cada uno.

¿Cómo funcionan los frenos?

Si recordáis de la entrega anterior, un sistema de frenos no es más que un sistema de control, otro de envío de la fuerza de frenado, un rotor y un estátor que, por rozamiento, frena al rotor.

En el caso de un automóvil medio como el que veremos hoy, el sistema de control es el pedal del freno y la palanca del freno de estacionamiento, mientras el sistema de envío de la fuerza de frenado es hidráulico, realizando la transmisión y amplificación de la fuerza a través de un cilindro maestro y un servofreno, conectados a través de unas tuberías que contienen un líquido incompresible, normalmente una especie de anticongelante o poliglicol, denominado líquido de frenos, aunque dependiendo del tipo puede tener una base de silicona o aceite.

Freno de disco ventilado con pinza flotante

El sistema ABS/ESP se intercala después, para poder realizar su función, y así transmitir la potencia de frenado a las pinzas de freno. Dentro de las pinzas -estátor- tenemos unos pistones que son los que reciben la fuerza de frenado y empujan las pastillas de freno contra el disco -rotor-. De este modo se ejerce la fricción necesaria para transformar la energía cinética en térmica, y así disminuir la velocidad.

Antes de describir cada parte en detalle, vamos a explicar con algo de física el fundamento de los sistemas de frenos hidráulicos, para comprenderlos mejor.

Ley de Pascal

Tranquilos, no vamos a dar una clase de física, solamente un pequeño fundamento para sentar las bases. Los sistemas de frenos hidráulicos aprovechan la ley de Pascal para transmitir la fuerza de frenado. Este principio se basa en que el líquido no se puede comprimir, por lo que si transmitimos una fuerza sobre un pistón en un circuito hidráulico, esta fuerza se transmitirá a otro pistón conectado al mismo circuito.

¿Dónde está la utilidad? En que, si variamos los diámetros de los tubos, podremos convertir una pequeña fuerza de largo recorrido en una gran fuerza de corto recorrido. Es decir, podemos multiplicar la fuerza aplicada. Esta fuerza también dependerá de la superficie de los pistones que tengamos.

Como vemos, y trasladándolo al sistema de frenos en un automóvil, aplicando una fuerza en el pedal, multiplicaremos esa fuerza que se transmitirá de manera hidráulica a las cuatro pinzas de freno. En el diagrama se puede ver con mayor claridad. Hemos incluido algunas fórmulas para los más curiosos, donde F es la fuerza, D la distancia y S la superficie.

Componentes de un sistema de frenos actual

Como todos los sistemas en los automóviles, el sistema de frenos continúa evolucionando y mejorando en cada nueva iteración. La idea para explicarlo de una manera sencilla es tomar un sistema de frenos típico de un coche medio, para ver qué partes lo componen. Para ello emplearemos como ejemplo un sistema de frenos hidráulico de discos con ABS.

Pedal de freno

Comenzamos por el sistema de control con algo que todos conocemos: el pedal de freno. Parece simplemente un accionamiento en el que la fuerza de frenado es proporcional a la fuerza que ejerzamos sobre él, pero su diseño tiene mucha importancia en el sistema. El pedal de freno actúa directamente sobre el cilindro maestro, empujando su pistón, y enviando la fuerza de frenado necesaria a las pinzas de freno.

Es importante que la fuerza a aplicar sea razonable para una persona media, y para ello, el pedal de freno actúa como una palanca: la distancia del eje de giro al actuador del pistón del cilindro maestro (L1) es menor que la distancia del eje de giro al propio pedal donde apoyamos el pie para frenar (L2). Por esto, tenemos un efecto multiplicador de la fuerza de frenado con un factor que sería L2 dividido entre L1, como en cualquier palanca. Esto es lo que se llama como ratio del pedal de freno. Por ejemplo, si aplicamos una fuerza de 100 N al pedal, y la ratio es de 5:1, la fuerza aplicada al cilindro maestro será de 500 N.

Antiguamente, antes de la llegada del servofreno, esta ratio era mayor, debido a que no teníamos asistencia en el freno. Si habéis probado a pisar el freno varias veces después de apagar el coche, veréis realmente cuanta fuerza es necesaria para frenar -es necesaria mucha fuerza sin servofreno-. Luego veremos este asistente con mayor detalle.

El pedal de freno no solo sirve para aplicar los frenos, debe transmitir al conductor la sensación directa del poder de frenado del vehículo

Pedales de un Ferrari F430 (anclaje superior)

Pedales de un Porsche Carrera GT (anclaje inferior)

En la actualidad, una ratio típica puede estar entre 4 y 6, dependiendo del fabricante y el diseño del sistema, pues debe ir en consonancia con el servofreno, el diámetro del cilindro maestro y diámetro de las tuberías. Luego veremos un ejemplo sencillo donde se incorporan todas las variables para realizar el diseño de un sistema de frenos.

En cuanto a tipos de pedales, podemos distinguir fundamentalmente dos: los pedales con anclaje superior (como los del Ferrari F430) o con anclaje inferior (como los del Porsche Carrera GT). En los de anclaje superior, instalados en la mayoría de turismos, el punto de giro está cerca de la columna de la dirección y se encuentran anclados al mamparo que separa el motor del habitáculo. Los de anclaje inferior van fijados al suelo del vehículo y su punto de giro está cerca del propio suelo. Se suelen encontrar en superdeportivos o coches de competición.

Ambos tipos cumplen con su función, pero los que tienen el anclaje al suelo poseen su punto de giro más cerca del talón, por lo que su accionamiento es más natural que los de anclaje superior, en los que debe existir un deslizamiento de la suela del zapato o un desplazamiento del pie para ser accionados.

Pinza de freno hidromecánica

Pinza de freno hidráulica y mecánica

Freno de estacionamiento

Como su propio nombre indica es un subsistema del sistema de frenos, actuando únicamente como frenado estático o de emergencia. Tradicionalmente consta de una palanca con un sistema de retención para aplicarlo, normalmente situada en la consola central, junto con unos cables de acero que conectan la palanca con las pinzas traseras de freno de estacionamiento.

Esta palanca, al igual que hemos visto con el pedal de freno, tiene una ratio que multiplica la fuerza de aplicación, que suele ser de 6:1. Así, se tensan unos cables de acero que llegan normalmente a unas pinzas traseras especiales, y, de manera mecánica, aplican presión sobre las pastillas de freno, bloqueando la rotación del disco.

Cabe destacar que existen varios tipos de pinzas traseras con freno de estacionamiento. En ocasiones se emplea una pinza exclusivamente para el freno de estacionamiento, pudiendo ser mecánica o eléctrica, pero para ahorrar componentes, suele haber pinzas traseras duales hidromecánicas, que pueden actuarse mediante el circuito hidráulico normal durante la marcha, o mediante un sistema mecánico para el freno de estacionamiento. En el pasado, y como sustituto de la palanca mecánica, hubo algunas soluciones con tensores eléctricos de cable, para accionar el freno de estacionamiento, aunque esta solución ya no se emplea.

Con el freno de estacionamiento electrónico se han ganado funcionalidades nuevas, como el arranque seguro en rampa

Pinza de freno electrohidráulica con freno de estacionamiento electrónico

Pinza de freno electrónica de estacionamiento

Los sistemas más actuales emplean ya un freno de estacionamiento eléctrónico -EPB o Electronic Parking Brake-, que se aplica con un botón y es una centralita la que controla su movimiento. Las pinzas traseras son electrohidráulicas, y poseen un pequeño motor eléctrico acoplado a ellas, que presiona las pinzas para bloquear el freno de estacionamiento cuando se activa. Este pequeño motor eléctrico sustituye a la antigua palanca mecánica y se pueden usar en marcha con el freno de servicio. Gracias al control electrónico se pueden programar otras funciones como el Auto-Hold, que frena el coche en pendiente y suelta los frenos al acelerar, o que se active automáticamente el freno de mano al parar el coche.

Algo más exótico ya es el sistema de frenado trasero enteramente electromecánico comandado por centralita, que no posee fluido hidráulico y es activado mediante actuadores eléctricos. ¿Es posible la frenada de emergencia con estos frenos electrónicos de estacionamiento? Chris Harris hizo la prueba en este vídeo.

Continuando con las excepciones, en ocasiones esta palanca para aplicar el freno de estacionamiento se sustituye por un pedal, situado a la izquierda del embrague, algo muy habitual en EEUU, y en otros casos puede ser incluso un tirador en la consola central, como el Citroën GS. También se puede aplicar a las ruedas delanteras en vez de a las traseras, como en muchos Citroën, el Saab 900 y en algún Subaru, por ejemplo.

Cililndro maestro simple de competición

Cilindro Maestro doble Jeep Grand Cherokee

Cilindro maestro

El cilindro maestro es el núcleo del sistema de frenos, pues conecta el sistema de control (pedal) con las pinzas (estátor), realizando la amplificación de la fuerza de frenado. Como ya hemos visto con la Ley de Pascal, realizará una amplificación de la fuerza de frenado, pues su diámetro es mayor que las tuberías de salida que llegan hasta los pistones alojados en las pinzas de freno. En función de cómo sea nuestro sistema de frenado, se seleccionará un determinado diámetro para que encaje en los parámetros de diseño.

Su funcionamiento es muy sencillo. El más básico posee en su interior un pistón, que por un lado recibe la fuerza que aplicamos al freno, y por otro empuja el líquido de frenos que envía por su salida. En su parte superior se encuentra el depósito del líquido de frenos, que impide que entre aire en el circuito.

En los sistemas más habituales el cilindro maestro es doble en tándem con dos salidas independientes. En la antigüedad esto se hacía para dividir el circuito entre los frenos delanteros y traseros, es decir, una salida se dirigía hacia las pinzas delanteras, mientras la otra se dirigía a las traseras. Pero en la actualidad se emplea como sistema redundante, enviando la fuerza de frenado a la unidad hidráulica del ABS/ESP.

Depósito con sensor y cilindro maestro (izq.), depósito con dos cámaras (der. sup.) y dos depósitos independientes (der. inf.)

Depósito de líquido de frenos

El depósito de líquido de frenos es tal vez la parte más visible del sistema de frenos, pues siempre se encuentra en la parte más elevada del capó motor, que suele ser lo más cerca del salpicadero. Suele llevar una tapa de color amarillo y el depósito suele ser de plástico translúcido, para que podamos ver el nivel de manera sencilla.

Suele tener dos salidas en su parte inferior, que conectan con cada uno de los cilindros que posee el cilindro maestro, así como un sensor para avisar de un nivel bajo del líquido de frenos que contiene. En su interior suele haber una división intermedia que compartimenta cada una de las salidas a los cilindros en tándem, pero no lo divide completamente, compartiendo ambas partes el mismo líquido de frenos.

Su función es doble. Por un lado, debe evitar que entre aire en el circuito, garantizando que siempre hay líquido disponible para el cilindro maestro, incluso en aceleraciones laterales o longitudinales intensas. Y por otro lado, actúa como aliviador de presión, pues al frenar desplazamos líquido hacia los pistones de las pinzas de freno, y al dejar de hacerlo, ese líquido debe regresar al depósito.

Líquido de frenos

El líquido de frenos es un producto que debe cumplir con bastantes características para que sea efectivo dentro del sistema de frenos. Entre ellas, cabe destacar que no debe ser compresible, debe tener baja viscosidad, también tiene que tener poder lubricante y anticorrosivo, alto punto de ebullición y no debe dañar los elastómeros o tuberías de goma.

Para ello, los diferentes organismos crearon estándares que especificaban las características que debería tener un determinado líquido de frenos. En 1958 la SAE –Society of Automobile Engineers– creaba la norma US SAE J70 R1 y R2, que especificaban las características que debería cumplir el líquido de frenos. A partir de 1972 el Departamento de Transporte de Estados Unidos (DoT) popularizó los estándares DOT 3, DOT 4 y DOT 5 en la especificación FMVSS 116. Típicamente los números superiores son más novedosos y con mejores características. Por su parte, ISO –International Standards Organisation– creaba el estándar 4925, que se basa en la norma SAE J1703, y que apareció en 1978.

Para automóviles se suelen emplear los DOT 3, DOT 4 y DOT 5.1, mientras que para la industria militar se emplea el DOT 5, a base de siliconas. Hay un líquido especial, el LHM que solamente empleaba Citroën en sus vehículos con suspensión hidroneumática, pues la suspensión compartía circuito con el líquido de frenos. Este líquido LHM que empleaba era un aceite de origen mineral.

En general, no se debe escatimar en los repuestos de cualquier sistema de seguridad activa de nuestro vehículo, incluidos los neumáticos. Cambiar el líquido de frenos cada dos años puede evitarnos algún que otro susto

Debido al calor que se genera por la presión, es muy importante que el líquido de frenos soporte temperaturas muy altas sin llegar a ebullición, pues eso generaría burbujas de gases que eliminarían efectividad al circuito de frenos.

Un punto importante es que el líquido de frenos es higroscópico, esto es, absorbe agua y humedad con el tiempo, lo que le resta efectividad, disminuyendo su punto de ebullición. Es por esto que hay que cambiarlo cuando el fabricante determina, siendo típicamente cada dos años, aunque percibamos que sigue frenando igual.

A continuación tenéis una tabla resumen con las características y los estándares de cada tipo de fluido de frenos.

Diagrama de presión de una válvula proporcional regulable

Valvula proporcional de frenos

Diagrama de una válvula proporcional

Depósito de líquido de frenos y válvula proporcional

Válvula proporcional

Aunque ya no se emplea en los automóviles con ABS, hemos creído necesario dedicarle un pequeño apartado para explicar qué es la válvula proporcional y por qué era tan importante en los coches del pasado. Se situaba a la salida del cilindro maestro y disponía de dos entradas y dos salidas.

La válvula proporcional era una mejora en el sistema de frenado de los coches que no tenían ABS. En ellos, el cilindro maestro proporcionaba dos circuitos de salida, típicamente uno para los frenos delanteros y otro para los traseros (o en “X” si el circuito era cruzado). Pero ocurría que cuando se producía una frenada, las ruedas de atrás se bloqueaban. ¿Por qué? Porque al frenar se transfiere peso al tren delantero, aligerando el trasero, y con ello, bajando su adherencia, por lo que el agarre con la carretera disminuye. Si el agarre disminuye, también debería disminuir la presión de frenado de manera proporcional. Por este motivo nacieron estas válvulas.

No son más que un cilindro con dos puertos de entrada y dos de salida, con sus válvulas de alivio de presión correspondientes. De este modo, ante una frenada, la presión de salida no aumentará proporcionalmente, sino que llegará a un máximo y su valor no aumentará, o aumentará bastante menos a partir de ahí. Si está bien tarada, las ruedas de atrás ya no se bloquearán en una frenada, mientras en los frenos delanteros, la presión será mayor que en los traseros.

Hay que señalar que las válvulas proporcionales son específicas de cada modelo, dependiendo de si lleva tambores o discos y de su distribución de pesos. En la actualidad ya no se montan en los vehículos, pues es el ABS el que se encarga de distribuir la presión correcta de frenado en cada momento.

Servofreno de vacío

Servofreno

Llegamos ahora al servofreno. Si abrís el capó y miráis justo detrás del depósito de líquido de frenos, probablemente veréis un cilindro grande y negro pegado al mamparo que separa el vano-motor del habitáculo. Eso es el servofreno de vacío, que ahora se emplea cada vez menos en los vehículos actuales.

Debido a que la presión ejercida en los frenos es muy alta, se haría difícil para una persona media emplear los frenos a fondo, a no ser que fueses tan fuerte como Lydia Valentín. Para evitar tales esfuerzos físicos, nació el servofreno de vacío.

El principio de funcionamiento es muy sencillo. Se trata de un diafragma de goma, conectado al pistón del cilindro maestro. En el lado más próximo al pedal de freno, hay una entrada de aire del ambiente con su filtro, por lo que se encuentra a la misma presión atmosférica. Pero en el otro, se encuentra conectado a la admisión del motor, por lo que siempre que esté funcionando el motor de combustión, habrá menos presión que la atmosférica. Este gradiente de presión en el diafragma genera una succión que compensa la gran fuerza de presión hidráulica que habría que hacer en caso de no tener servofreno.

El servofreno no parece algo fundamental, pero reduce la distancia de frenado, al facilitarnos poder pisar a fondo sin ejercer demasiada fuerza

Por eso, cuando pisamos el freno con el coche en marcha, está blando y cuesta muy poco pisarlo a fondo. En cambio, si tenemos el coche apagado, llegar al final del recorrido del pedal de freno se hace casi imposible, debido a la gran fuerza que hay que ejercer sobre los pistones de las pinzas de freno. Claro está, si lo probamos nada más apagar el motor, habrá algo de vacío en su interior, por lo que progresivamente se irá endureciendo a medida que se van equilibrando las presiones a ambos lados del diafragma.

Servofreno de vacío de un Tesla Model S

Bomba de vacío para servofreno

Sección del servofreno eléctrico iBooster

Servofreno eléctrico (Bosch iBooster)

Claro, y ahora me diréis: ¿Qué pasa si el coche es eléctrico/híbrido y no hay motor de combustión para generar ese vacío? Pues está claro que hay que encontrar otro sistema de ayuda al freno, porque el servofreno de vacío por sí solo no sirve.

El sistema más sencillo, y que se empleaba en los primeros Tesla Model S, era añadir una bomba de vacío de funcionamiento eléctrico. Esta bomba sería la que succionaría aire en el diafragma del servofreno, creando el mismo efecto que la admisión de un motor de combustión. Posee un sensor de presión que es el que activa o no la bomba, cuando sea necesario. En conjunción con la bomba, se suele instalar un pequeño acumulador de vacío, para que no esté funcionando permanentemente.

Para ahorrar peso y minimizar el número de componentes, en la actualidad se monta otra solución, muy similar a las direcciones asistidas eléctricas. Se trata de un servofreno eléctrico que es asistido por un pequeño motor. En el cilindro maestro hay una pequeña cremallera que encaja con el engranaje del motor eléctrico. Cuando pisamos el freno, un sensor de presión indica al motor de asistencia al freno con cuanta intensidad debe activarse, sumando su esfuerzo al de nuestra pierna, cuando pisamos el pedal. De este modo, obtenemos el mismo resultado que con el servofreno de vacío, pero funciona eléctricamente, por lo que es perfecto para vehículos híbridos y eléctricos.

Circuito de frenos Porsche 911 (parte trasera)

Circuito de frenos Porsche 911 (parte delantera)

Circuito de frenos

El circuito de frenos está compuesto por tuberías metálicas que van desde el cilindro maestro o bomba de ABS hasta cada pinza/tambor de nuestro vehículo. En la antigüedad había dos líneas principales, una para los frenos delanteros y otra para los traseros, aunque posteriormente por seguridad, se cruzaron las líneas en “X”, empleando una de ellas para el freno delantero derecho y trasero izquierdo, mientras la otra se ocupaba de los otros dos frenos. En el caso de nuestro vehículo medio con ABS, del cilindro maestro salen dos tuberías a la bomba de ABS, y desde aquí, una tubería para cada pinza/tambor de nuestro sistema de frenado.

Debe cumplir con unos requisitos mínimos de estanqueidad, resistencia e indeformabilidad, para que toda la fuerza hidráulica se transmita correctamente. También debe estar protegido contra la corrosión y lejos de fuentes de calor, dentro de lo posible. Por ello, normalmente discurre por los laterales de los bajos, para evitar estar cerca del escape.

En definitiva, no son mas que tuberías llenas de líquido de frenos que transmiten la fuerza hidráulica desde el cilindro maestro hasta las pinzas/tambores de freno.

Latiguillos

Ya hemos visto el circuito de frenos con sus tuberías metálicas, pero claro, debemos llegar a la pinza de freno, que se encuentra suspendida en la rueda, y por tanto, sujeta al movimiento vertical natural de la suspensión. Por este motivo, en el último tramo se emplean los latiguillos flexibles.

Su función no es otra que conectar el circuito hidráulico de frenos a las pinzas. Deben ser flexibles pues los movimientos verticales de la suspensión, y horizontales de la dirección, hacen que la pinza de freno se mueva respecto al chasis.

Normalmente son de varias capas, con núcleo de PTFE -politetrafluoroetileno-, posteriormente recubierto por una capa de tejido de refuerzo, como por ejemplo kevlar, y después por una última capa de goma que actúa de protección. Este sandwich se puede repetir para aumentar el refuerzo y disminuir la deformabilidad. De este modo el latiguillo es flexible, pero no se dilata, soportando las enormes presiones que existen en el circuito de frenado y transmitiéndolas al otro extremo. Si el latiguillo o las tuberías del circuito se deformasen, perderíamos fuerza de frenado, pues parte de la misma se “gastaría” en esta deformación.

Los latiguillos con exterior metálico no producen ninguna mejora real en el sistema de frenos, salvo la estética

Latiguillo metálico

Latiguillo metálico Tesla Model S

En prácticamente todos los vehículos encontramos este tipo de latiguillos, aunque también existen los latiguillos mal llamados metálicos. Y digo mal llamados porque la única diferencia que tienen respecto a los negros que vemos en los coches de serie, es una cubierta exterior de una malla de acero inoxidable. En su interior las capas son las mismas, con una tubería de PTFE recubierta en tejido, y con una capa de goma encima.

El argumento para vendernos este tipo de latiguillos juega con nuestra percepción, y es que, como son de acero (la parte visible) no se deforman y transmiten mejor la fuerza de frenado. Esto se contrapone con los negros, que aparentemente son de goma, y claro, la goma se deforma. Falso de toda falsedad.

Puede existir alguna mejora marginal, si el núcleo posee una construcción de mejor calidad o de más capas de tejido-goma, pero la única diferencia es la capa metálica exterior, que lo único que consigue es protegerlo mejor frente a algún rozamiento externo o las inclemencias del tiempo, a la par que le da mejor aspecto. El frenado va a ser exactamente igual que con los latiguillos negros de goma, pues están diseñados y homologados para aguantar las extremas presiones del circuito de frenos, y su núcleo fundamentalmente es el mismo.

Hasta aquí nuestra segunda parte del sistema de frenos. En el siguiente capítulo veremos los cuatro componentes fundamentales que nos quedan y tal vez los más visibles: el ABS, las pinzas de freno, las pastillas y los discos. También daremos algunas pautas sobre el diseño del sistema de frenos y veremos cómo funciona este sistema en un coche eléctrico, algo fundamental en la seguridad activa de cualquier automóvil.