FRENOS EN AUTOMOCIÓN (PARTE I)

MECÁNICA DEL AUTOMÓVIL (PARTE III)

Hola a todos

Pues vuelvo de nuevo con otra entrega de mecánica del automóvil, después de exponer los chasis y las suspensiones de vehículos, pasamos a los frenos, parte importantísima del automóvil.

La primera pregunta que siempre hacemos cuando estudiamos algún dispositivo o concepto ingenieril es, ¿qué es? Bien, un freno es un dispositivo que se utiliza para reducir la velocidad de desplazamiento del vehículo (en este caso), rentenerlo o pararlo completamente, aunque también los encontramos en muchos tipos de máquinas y con la misma función, disminuir o anular la velocidad de rotación o desplazamiento. El freno hace posible esto gracias a que transforma un tipo de energía en otro tipo de energía, es decir, transforma la energía cinética en rozamiento y calor. El freno debe hacer este trabajo en condiciones favorables, es decir, con eficacia, estabilidad, progresividad y confort.

Para el que no sepa lo que es la energía cinética, recordar que todo cuerpo que se desplaza o gira a una velocidad determinada contiene dicho tipo de energía. La energía cinética es la medida del trabajo (en física) que necesitaremos para acelerar (negativa o positivamente) un cuerpo de masa determinada hasta una velocidad determinada. Su ecuación es:

Ec = Energía cinética (J = Julio).

m = Masa (Kg).

v = Velocidad (m/s).

Dicho esto continuamos explicando que es un freno, y como actua. Hemos dicho que la energía cinética que contiene un cuerpo debido a su velocidad, el freno la transforma en calor y rozamiento para disminuir precisamente la Ec, y conseguir así, disminuir también su velocidad.

Si os habéis dado cuenta, he nombrado al rozamiento. Si, la fuerza de rozamiento es aquella que nos indica el grado de adherencia que hay entre dos cuerpos que rozan, dicho "mal y pronto" cuán "pegados" están dos cuerpos, los cuales tienen sus superficies en contacto y se desplazan una respecto de la otra. Ejemplo gráfico:

Observamos que la chica quiere desplazar la caja, pero tiene que hacer una fuerza que sea mínimamente superior a la fuerza de rozamiento para que la caja se desplace.

Esta fuerza de rozamiento en un automóvil la encontramos en muchos dispositivos, no sólo en frenos o neumáticos. Pero en este artículo me voy a centrar en el apartado de frenos, y en como afecta el rozamiento al funcionamiento de los mismos.

Como ya la hemos mentado, vamos a repasar el concepto de adherencia en la forma que afecta a la frenada, veámoslo:

Como podemos observar aquí, nuestro personaje tiene que ejercer muy poca fuerza para mover la masa de 10 Kg, ya que la adherencia es poca (la A es la adherencia). Para mover la de 100 Kg, hay que hacer mucha fuerza, pero podemos disminur esa adherencia utilizando algún elemento que reduzca la misma (en este caso aceite), y nuestro personaje ya mueve la masa de 100 Kg con mucho menos esfuerzo. ¿Y qué tiene que ver todo esto con la frenada? Muy sencillo, cuando frenamos muy bruscamente (es decir, aplicando la máxima fuerza de frenado) puede ocurrir que la rueda deje de girar, produciéndose un derrape. Esto ocurre porque hemos superado esa adherencia, hemos aplicado una fuerza mayor que la resultante de la adherencia del neumático con el firme. La adherencia es función del peso del cuerpo, cuyo valor será el resultante de multiplicar su masa por la aceleración gravitatoria. La adherencia se calcularía entonces así:

A = P x µ

P = Peso del cuerpo (m x g).

µ = Coef. de rozamiento.

Si el resultado de multiplicar los dos factores es menor que la adherencia, el cuerpo quedará inmóvil, sino se moverá. Los factores que modifican la adherencia son:

- El peso del vehículo.
- Características y estado de los neumáticos.
- Naturaleza y estado de la carretera.

Ejemplos de coef. de rozamiento entre neumático en buen estado y distintas superficies:

µ = 0,9 Alquitrán seco y gravilla empotrada.

µ = 0,8 Asfalto rugoso seco.

µ = 0,6 Macadán seco y adoquinado seco.

µ = 0,5 Asfalto rugoso húmedo.

µ = 0,4 Macadán húmedo.

µ = 0,3 Adoquinado húmedo.

µ = 0,1 Hielo.

Si las ruedas en frenada bloquean, el µ varia en alrededor de un 60%, y el frenado máximo se obtendrá cuando los neumáticos se encuentren en su límite de adherencia. Al bloquear el neumático disminuiremos la eficacia del frenado, la trayectoria del vehículo se verá modificada con un riesgo mayor de derrapaje y el neumático se desgastará irregularmente, con consecuencias nefastas para el confort y el guiado del vehículo.

Otros conceptos a tener en cuenta son:

- En el proceso de frenada el vehículo verá desplazado su c.g. hacía delante, esto es "cargará" más peso en el eje delantero que en el trasero. Como consecuencia, las ruedas traseras tienden a perder adherencia, y con ello a bloquearse, y por contra las delanteras ganan adherencia y bloquean menos. En la foto se observará mejor:

- Si las ruedas de un mismo eje no tienen la misma fuerza de frenado, como sabemos de física mecánica, provocarán un momento mayor las que mayor fuerza ejerzan. Esto es que a igualdad de brazo de palanca, la fuerza mayor produce un momento mayor y como consecuencia, en este caso, la rueda que frena más tirará del coche hacía su lado.

De aquí se deduce que el mayor poder de frenada se coloca siempre en el eje delantero, en detrimento del trasero, ya que haremos la frenada mucho más eficaz. También haremos que los frenos de un mismo eje tengan igual fuerza de frenado.

Ahora pasamos a explicar como se accionan los frenos de un automóvil, ya que necesitaremos ejercer la fuerza suficiente reducir la velocidad. Pero claro, un automóvil medio, en el que suele oscilar su masa en torno a los 1300-1400 Kgs, para reducir su velocidad necesitará aplicar mucha fuerza en sus frenos, y con la ejercida por el conductor no será suficiente. Digamos que hay que multiplicar esa fuerza de alguna manera. Aquí es donde entra nuestro amigo Pascal y su famoso principio:

“Toda presión ejercida en un punto cualquiera en la superficie de un líquido se transmite en todas direcciones y sentidos, sin pérdida de su intensidad”.

Luego ya tenemos el medio para transmitir esa fuerza por igual, un fluido (líquido) que transmitirá la fuerza ejercida por nosotros en el pedal de freno a los frenos.

 

En el gráfico, tan sólo fijáos en lo pequeñito que es el émbolo que accionamos, y lo grande que es el que empuja, de hecho, la fuerza ejercida por el grande es directamente proporcional a la diferencia de tamaños de los émbolos. Esto es así para aprovechar la característica de que el fluido transmite la presión por igual en todas direcciones. Ya tenemos la herramienta para transmitir la fuerza desde el pedal de freno hasta los frenos. 

A continuación los elementos de accionamiento comunes de un sistema hidráulico de frenos de un automóvil:

1.- Un depósito de líquido de frenos .
2.- Una bomba de mando del cilindro principal, esto es la bomba que distribuirá la presión de fluido a los frenos del vehículo.
3.- Un mando mecánico de esta bomba o pedal de freno.
4.- Cilindros receptores que hacen el papel de levas del mando mecánico, situados en cada freno del vehículo.
5.- Canalizaciones que unen los diferentes órganos.

Este sería el sistema más simple de frenada en un automóvil, pero en los modernos se colocan también compensadores de frenada, repartidores de frenada (eje delantero- eje trasero), servofrenos (el conductor no tiene que aplicar mucha fuerza al pedal) y su bomba de vacío para compensar la sobrepresión del servofreno. También recordaré que en los vehículos actuales, el circuito de frenos es doble, quiero decir que hay dos circuitos independientes, colocados en X. Esto es así para evitar quedarnos sin frenos porque haya una fuga y colocaremos los circuitos de tal forma que uno accionará rueda delantera derecha - rueda trasera izquierda; y el otro rueda delantera izquierda - rueda trasera derecha.
Como el objetivo de este blog es asentar conocimientos básicos sobre el automóvil, no me pararé a explicar los elementos, porque podríamos hacer otro artículo sólo y exclusivamente con cada elemento. Me remito a la bibliografía aportada por si queréis aprender más.
Si que pasaremos ahora a explicar los diferentes tipos de frenos que nos encontramos instalados en cada rueda de un vehículo automóvil. Los dos fundamentales son los siguentes:

Las dos imagenes corresponden a los dos tipos más comunes de frenos que encontraremos instalados, siendo el primero el llamado freno de tambor y el segundo el freno de disco. Los dos se basan en el rozamiento de una pieza contra la otra para lograr reducir la velocidad de giro de la rueda, y los dos tienen una pieza que gira solidaria con la rueda y otra que se mantiene "fija", es decir no rota y es la que hace de elemento frenante.

• Freno de tambor: Observemos el diagrama y a continuación la explicación:

 

En el diagrama se exponen los elementos que conforman un tambor de freno:

- Pistón hidráulico: Es lo que anteriormente denominamos "cilindro receptor", es decir, es el dispositivo que recibe la presión de fluido para que ejerza la fuerza de frenado.

- Zapata: Las zapatas son los elementos encargados de transformar la energía cinética en calorífica y fuerza de rozamiento, son las que reciben la presión mandada por el pistón a través de los muelles para que rocen con el cuerpo del tambor. Están hechas de un cuerpo o alma metálica y forradas de un material relativamente blando, para no rayar el cuerpo metálico del tambor. Cada cierto tiempo o número de kilómetros, dependiendo de su uso, habrá que sustituirlas.

- Resortes: Son los encargados de transmitir la presión del pistón a las zapatas, y el resorte de retorno será el encargado de devolver las zapatas a su posición original cuando el pistón no envíe presión, es decir, cuando el conductor deje de ejercer fuerza sobre el pedal de freno.

- Ancla: Como su nombre indica, es el elemento donde se anclarán los resortes de retorno de las zapata, para que dejen de presionar el tambor.

- Palanca ajustadora: Podemos ajustar, teniendo los conocimientos necesarios, la fuerza de frenado que ejercen las zapatas sobre el tambor gracias a la ruedecita de ajuste que tiene este elemento.

Para mayor comprensión de como es un tambor montado y cerrado, adjunto fotografía, no sin antes decir que el material suele ser fundición de hierro, ya que soporta mejor las dilatacones tan severas a las que le somete el calor generado por las zapatas:

El freno de tambor tiene las siguientes ventajas y desventajas:

- Freno muy sencillo de fabricar, y que lo hace muy económico.

- Muy resistente y de larga duración.

- Gran poder de frenada, debido a la gran superficie de rozamiento de la que dispone.

- El gran inconveniente es el calor generado, porque al ser un freno que está cerrado (para evitar la entrada de suciedad y agua) no refrigera lo suficiente y pierde eficacia rapidamente por este motivo.

• Freno de disco: Debido al gran inconveniente del calor generado en un freno de tambor, los ingenieros decidieron que habría que buscar otro sistema que ventilara de manera más eficaz el calor generado. Y el resultado fué la invención del disco de freno:

Este sistema sustituye el tambor por un disco (solidario a la rueda), y las zapatas por una mordaza con elementos frenantes que rozan las dos caras del disco. Los elementos frenantes, encargados de transmitir la presión de los pistones, se llaman pastillas, y están hechas de un material más blando que el disco, para no rayarlo. Las pastillas de freno hay que sustituirlas cada cierto número de kilómetros por desgaste. Los pistones hidráulicos van situados dentro de la mordaza para cerrarla y aprisionar al disco, a su vez la mordaza lleva elementos de retención (clavijas en este caso), para devolver la mordaza a su posición original cuando el pedal de freno no se acciona. La mordaza va montada rígidamente al portamangueta de la rueda para ejes directrices, así la mordaza acompaña a la rueda en un giro, or ejemplo en una curva.

El material del que está hecho el disco es acero forjado, de alta resistencia. También se hacían de fundición de hierro hace algún tiempo, pero el acero es más ligero e igual de resistente. También en la foto se observan unas perforaciones en el canto del disco, esto se hae para evacuar más rapidamente el calor generado (se les llama discos ventilados). Aunque las pastillas presionan menos superficie del disco que las zapatas del tambor (esto los hace menos potentes para la frenada), lo compensan con creces con su capacidad para evacuar el calor generado.

Hace poco tiempo han aparecido en la calle los famosos discos de freno de carbono, llegados de la competición automovilística. Aportan mucha más ligereza y una gran resistencia al desgaste, muchas veces mayor que un disco de acero, además de una mayor resistencia al calor (practicamente no sufren de fadding o fatiga por calor). Las pastillas de freno también son distintas en los discos carbo-cerámicos, ya que al ser un material mucho más duro, las pastillas también son más duras, para aguantar más. Al ser un disco mucho más resistente, se le suelen colocar más pistones a la pinza para generar más fuerza de frenado. El soporte de estos discos a la rueda no es de acero convencional, generalmente se realiza en inoxidable ya que es más resistente a la corrosión. La vida útil de un disco de carbono suele ser mayor de 300.000 kilómetros. A continuación unas fotos:

Si alguna vez os encontráis con discos (aunque sean de acero) con agujeros practicados en su superficie, estos se realizan para poder disipar aún mejor el calor, que es una de las grandes ventajas de los discos de freno frente a los de tambor. También otra medida del poder de frenado es observar o leer cuantos pistones hidráulicos contienen las pinzas (mordazas) del freno. Normalmente son 4 (dos en una cara, dos en otra), pero a veces encontramos pinzas con 6 u 8, estas últimas en vehículos de altas prestaciones.

Bueno creo que por ahora es suficiente, no sin recordar que hablaré de dispositivos de seguridad aplicados a los frenos como el ABS, el ASR y el ESP, ¿qué no sabéis como funcionan? No os preocupéis, en la próxima entrega se explicará el funcionamiento y como afecta a los frenos.

A continuación, la blibiografía consultada:

- http://www.autos-antiguos.com/blog/2011/03/frenos-de-disco/
- http://www.todomonografias.com/oficios/frenos-y-embragues-parte-1/
- http://www.sabelotodo.org/automovil/frenodisco.html
- http://www.diablomotor.com/2010/06/22/frenos-de-disco-frenos-de-tambor/
- http://www.diariomotor.com/2009/12/02/las-pruebas-de-frenado-de-auto-motor-und-sport/
- http://www.cdr.es/uploads/MFG/Los%20Frenos.pdf
- http://www.antoniofajardo.net/tecnica_conduccion/neumaticos/
- http://www.kalipedia.com/fisica-quimica/tema/graficos-fuerza-rozamiento-math.html?x1=20070924klpcnafyq_146.Ges&x=20070924klpcnafyq_199.Kes