Un retardador es un dispositivo que se utiliza para aumentar o reemplazar algunas de las funciones de los sistemas de frenado primarios basados en fricción , generalmente en vehículos pesados . Los retardadores sirven para reducir la velocidad de los vehículos o mantener una velocidad constante mientras se viaja cuesta abajo, y ayudan a evitar que el vehículo acelere de forma involuntaria o incontrolada cuando se viaja por una superficie de carretera con una pendiente irregular. Por lo general, no son capaces de detener los vehículos, ya que su eficacia disminuye a medida que disminuye la velocidad del vehículo. En cambio, se utilizan normalmente como una ayuda adicional para reducir la velocidad de los vehículos, y el frenado final se realiza mediante un sistema de frenado de fricción convencional. Un beneficio adicional que pueden proporcionar los retardadores es un aumento de la vida útil del freno de fricción, ya que posteriormente se utiliza con menos frecuencia, especialmente a velocidades más altas. Además, los frenos accionados por aire cumplen una doble función en la conservación de la presión del aire.
Los sistemas de frenado basados en fricción son susceptibles de sufrir desgaste de los frenos cuando se utilizan de forma prolongada durante períodos continuos, lo que puede resultar peligroso si el rendimiento de frenado cae por debajo del necesario para detener el vehículo: por ejemplo, si un camión o autobús está descendiendo por una pendiente larga y, de lo contrario, necesitaría algo como una rampa para camiones fuera de control para detenerse de forma segura. Por este motivo, estos vehículos pesados suelen estar equipados con un sistema complementario que no se basa en la fricción.
Los retardadores no se limitan a los vehículos de motor de carretera , sino que también pueden utilizarse en sistemas ferroviarios . El prototipo británico Advanced Passenger Train (APT) utilizaba retardadores hidráulicos para permitir que el tren de alta velocidad se detuviera en la misma distancia que los trenes estándar de menor velocidad, ya que un sistema basado únicamente en la fricción no era viable.
Los motores diésel regulan la potencia de salida únicamente mediante el volumen y el momento del combustible inyectado en las cámaras de combustión . El frenado del motor generado al crear un vacío parcial con el acelerador cerrado en cada carrera de admisión en los motores de gasolina no se aplica a los vehículos equipados con motores diésel, ya que estos motores son bastante "libres". Sin embargo, Clessie L. Cummins , fundador de Cummins Engine Company , se dio cuenta de que al abrir las válvulas de escape del cilindro cuando el pistón alcanzaba el punto muerto superior , en lugar de al final de la carrera de potencia, el aire comprimido acumulado en el cilindro podía ventilarse antes de que pudiera actuar como un "resorte" para hacer que el pistón volviera a bajar. Al hacer esto, el motor actúa como un compresor de aire , y la energía proveniente de la transmisión se utiliza para comprimir el aire, lo que reduce la velocidad del vehículo. La cantidad de potencia extraída de la transmisión puede ser de hasta el 90% de la potencia nominal del motor para ciertos motores. [ cita requerida ]
En un sistema de frenado de motor con liberación de compresión para un motor de combustión interna turboalimentado, la tensión excesiva asociada con la apertura de las válvulas de escape del motor cerca del punto muerto superior de las carreras de compresión del motor cuando el motor gira a alta velocidad se evita reduciendo la presión del colector de admisión con respecto a la que tendría a esa alta velocidad. Esto se logra retardando el turbocompresor para que su velocidad sea menor de la que tendría a alta velocidad del motor. [1]
Este tipo de retardador se conoce como freno de motor de liberación por compresión o " freno Jake ". Una desventaja de este sistema es que resulta muy ruidoso durante su funcionamiento, especialmente si el silenciador de escape está defectuoso; por lo tanto, su uso está prohibido en algunas localidades. Se requiere una prueba de tipo 2A para certificar la eficiencia del freno del motor.
Los frenos de escape son más sencillos de utilizar que los frenos de motor . Básicamente, el tubo de escape del vehículo está restringido por una válvula . Esto aumenta la presión en el sistema de escape, obligando al motor a trabajar más en la carrera de escape de sus cilindros , por lo que nuevamente el motor actúa como un compresor de aire, con la potencia necesaria para comprimir el aire retenida en el tubo de escape, lo que retarda el vehículo. Los retardadores del turbocompresor que restringen el flujo de gases de escape también pueden ayudar a aumentar la presión de escape para lograr el mismo objetivo. [2]
Los retardadores hidráulicos utilizan las fuerzas de arrastre viscosas entre las paletas dinámicas y estáticas en una cámara llena de fluido para lograr la desaceleración. Existen varios tipos diferentes que pueden utilizar fluido de transmisión estándar ( aceite para engranajes ), un suministro de aceite independiente, agua o una mezcla de aceite y desaceleración magnética. [3] Los retardadores magnéticos son similares al retardador eléctrico que se analiza a continuación.
Un retardador simple utiliza paletas unidas a un eje de transmisión entre el embrague y las ruedas dentadas . También pueden accionarse por separado a través de engranajes de un eje de transmisión. Las paletas están encerradas en una cámara estática con pequeñas holguras con respecto a las paredes de la cámara (que también estarán provistas de paletas), como en una transmisión automática. Cuando se requiere retardo, se bombea líquido (aceite o agua) a la cámara y la resistencia viscosa inducida reducirá la velocidad del vehículo. El fluido de trabajo se calentará y, por lo general, se hace circular a través de un sistema de refrigeración. El grado de retardo se puede variar ajustando el nivel de llenado de la cámara.
Los retardadores hidráulicos son extremadamente silenciosos, a menudo inaudibles por encima del sonido de un motor en marcha, y son especialmente silenciosos en su funcionamiento en comparación con los frenos de motor. [4]
Los retardadores eléctricos utilizan inducción electromagnética para proporcionar una fuerza de retardo. Una unidad de retardo eléctrico se puede colocar en un eje , transmisión o línea de transmisión y consta de un rotor unido al eje, transmisión o línea de transmisión, y un estator unido de forma segura al chasis del vehículo . No hay superficies de contacto entre el rotor y el estator, ni fluido de trabajo. Cuando se requiere retardo, los devanados eléctricos del estator reciben energía de la batería del vehículo, lo que produce un campo magnético a través del cual se mueve el rotor. Esto induce corrientes parásitas en el rotor, lo que produce un campo magnético opuesto al estator. Los campos magnéticos opuestos ralentizan el rotor y, por lo tanto, el eje, la transmisión o el eje de transmisión al que está unido. El rotor incorpora paletas internas (como un disco de freno ventilado) para proporcionar su propio enfriamiento por aire , por lo que no se coloca ninguna carga en el sistema de enfriamiento del motor del vehículo. El funcionamiento del sistema es extremadamente silencioso.
El sistema de propulsión de un vehículo híbrido utiliza la desaceleración eléctrica para ayudar a los frenos mecánicos, al tiempo que recicla la energía. El motor de tracción eléctrica actúa como generador para cargar la batería . La energía almacenada en la batería está disponible para ayudar al vehículo a acelerar.
El frenado regenerativo y el frenado por corrientes de Foucault son tipos distintos de frenado eléctrico. El frenado regenerativo no se puede clasificar como un retardador, ya que no utiliza ningún hardware físico adicional además del par rotor/estator existente del motor. Efectúa el frenado utilizando el campo eléctrico creado por la inercia rotacional en el rotor/estator que se transmite al rotor por el impulso del vehículo (ruedas). Se utilizan circuitos adicionales en el controlador para gestionar este flujo de corriente desde los devanados del estator hasta la batería, parte de la cual se disipa en forma de calor dentro de los circuitos del controlador.
Por el contrario, los frenos retardadores de corrientes de Foucault comprenden una armadura estática y un rotor específicos y construidos especialmente que se fabrican y agregan a un vehículo explícitamente para frenar y disipar el calor y no para generar fuerza motriz; es un sistema construido específicamente y distinto del motor.
Por último, el frenado "dinámico" es el uso complejo del frenado por controlador, en el que el controlador se puede utilizar para el frenado regenerativo o para conmutar el circuito para suministrar la corriente a las resistencias. De esta última forma se puede lograr el frenado "reostático". Mientras que un freno de Foucault se basa en corrientes de Foucault para crear resistencia magnética, parte de la cual se disipa incidentalmente en forma de calor, el frenado reostático se basa en resistencias del circuito del controlador que disipan directamente la energía eléctrica transmitida por la corriente en forma de calor. Algunos vehículos con frenado dinámico describen el frenado reostático como frenado "enchufable". En particular, el frenado dinámico de carretillas elevadoras se ha desarrollado para aprovechar la combinación de este tipo de frenado con controladores especializados para invertir rápidamente la dirección del vehículo.
El frenado dinámico y regenerativo, cuando se utiliza en locomotoras de ferrocarril eléctricas o diésel-eléctricas , significa que los motores eléctricos que normalmente se utilizan para impulsar las ruedas de la carretera se utilizan en cambio como generadores que son impulsados por las ruedas en una pendiente descendente . En el frenado regenerativo , la corriente eléctrica creada normalmente se devuelve a la fuente de alimentación (es decir, catenaria aérea , tercer carril ) y puede ser utilizada por otras locomotoras o almacenada para su uso posterior. De esta manera, una locomotora recibirá corriente mientras está en terreno llano o viajando cuesta arriba, pero actúa como una fuente de corriente cuando frena, transformando la energía cinética creada al viajar cuesta abajo (o con menos frecuencia, convirtiendo el impulso hacia adelante al viajar en terreno llano) en electricidad. En un diésel-eléctrico, en lugar de generarse de forma remota y recolectarse de una fuente de energía, la fuente de energía es generada directamente por el motor primario (motor) de a bordo y transmitida a los motores; Actualmente, rara vez hay forma de almacenar electricidad para su uso posterior , por lo que, en su lugar, los motores se utilizan como generadores, retardando la rotación de las ruedas, y la energía generada se envía a través de resistencias montadas en el techo de la locomotora, donde se transforma en energía térmica (como un elemento calefactor eléctrico ) y se disipa en la atmósfera con grandes ventiladores. Si bien esto tiene el inconveniente de no reutilizar la energía creada durante el viaje cuesta abajo, crea un sistema de retardo potente y seguro que no es propenso a debilitarse o desgastarse como los frenos mecánicos .