Cursos de mecanica - Sistema de Frenos - parte 1

*Introducción
*Elementos de frenado:
- Frenos de tambor
- Frenos de disco
- Freno de mano
- Circuito de frenos,
Sistema de mando de frenos,
Correctores de frenado.
- Servofreno
*Asistente de frenada con gestión electrónica



Introducción

El sistema de frenos en un vehículo tiene la misión de reducir la velocidad, hasta llegar a detenerlo si fuera preciso. El efecto de frenado consiste en absorber la energía cinética producida por el vehículo en movimiento, energía que es transformada en calor por el rozamiento mutuo entre los elementos de frenado, tales como zapatas de freno y tambor, pastillas de freno con su disco, etc., y disipado a la atmósfera.
En la acción de frenado intervienen otras fuerzas, además del sistema de frenos. De ellas destacan los rozamientos de los órganos de la transmisión, la resistencia opuesta por el aire al desplazamiento del vehículo y el mismo motor cuando actúa como freno por girar mas rápido las ruedas que el propio motor.


Fuerza de frenado

La fuerza de frenado (Ff) que hay que aplicar a un vehículo para disminuir su velocidad o detenerlo esta en función del peso del vehículo (P) y del coeficiente de adherencia en las ruedas (µ). Por lo tanto la Fuerza de frenado viene determinada por esta expresión.


El coeficiente de adherencia en las ruedas está en función del desgaste de los neumáticos y del estado del terreno sobre el que se desplaza el vehículo. A continuación se dan algunos valores del coeficiente de adherencia (µ).



Consecuencias del frenado
Si al vehículo en movimiento se le aplica una fuerza igual y de sentido contrario a la fuerza que produce el movimiento, se origina en él una aceleración negativa o deceleración que llega a anular el movimiento ya que, para detener el vehículo, hay que anular el trabajo desarrollado absorbiendo la energía cinética producida en el movimiento; es decir, se debe aplicar una fuerza de frenado (Ff) que anule la fuerza de impulsión (Fi).


Si la fuerza de frenado (Ff) aplicada a una rueda es menor que la fuerza de impulsión en la misma (Fi), la resultante es positiva y hace que el vehículo se desplace, aunque con menor intensidad. Por el contrario, si se aplica una mayor fuerza de frenado (Ff > Fi), la resultante es negativa, creandose un par de fuerzas contrario al giro motor que bloquea la rueda y produce el arrastre de la misma.

La fuerza de frenado tiene que ser la adecuada, un exceso de esta, no significa que el vehículo se detenga antes, ya que, para frenar, hay que transformar en calor la energía de la fuerza de impulsión (Fi). Si se bloquea la rueda, al no haber rozamiento entre sus elementos de frenado, deja de convertirse en calor la energía cinética del desplazamiento y, por tanto, el vehículo seguirá en movimiento hasta que la energía sea eliminada por otro medio, lo que ocurre por efecto del rozamiento del neumático contra el terreno.

El bloqueo de las ruedas provoca un efecto de frenado desequilibrado. El frenado desequilibrado trae consigo una perdida de control del vehículo. Si el bloqueo de las ruedas se produce en uno solo de los ejes se origina la perdida de control del vehículo, de forma que, si el bloqueo se produce sobre las ruedas traseras, el arrastre producido en ellas tiende a ponerlas por delante de las delanteras, ya que estas están frenadas, manifestandose el efecto por bandazos traseros en el vehículo. Si el bloqueo se produce sobre las ruedas delanteras, el arrastre en ellas, al no avanzar (por estar detenidas las traseras), se traduce en una desviación lateral del vehículo con la correspondiente perdida del control de la dirección.

De todo lo expuesto se deduce que la fuerza de frenado debe ser tal, que detenga rápidamente la rueda pero sin llegar a bloquearla. Como la fuerza de frenado (Ff) también está en función del peso del vehículo (P) y del coeficiente de adherencia en los neumáticos, se pone de relieve la importancia que tiene el estado de los mismos, así como las condiciones del terreno en el momento de frenado.
Un neumático desgastado disminuye el coeficiente de adherencia y, por tanto, la eficacia en los frenos. Lo mismo ocurre cuando el neumático pierde contacto con la calzada por el estado del suelo debido a la lluvia, barro, nieve, etc. Estas condiciones hacen disminuir el par resistente en las ruedas, de forma que la fuerza de frenado aplicada debe ser menor para que el vehículo no patine.



Reparto de frenada

Considerando que tenemos en las cuatro ruedas el mismo grado de adherencia, la fuerza de frenado se distribuye por igual entre las ruedas delanteras y las traseras en función del peso que soportan. En el reparto de la fuerza de frenado hay que tener en cuenta que, en el momento de frenado y por efecto de la inercia, aparece una fuerza (F) que aplicada al centro de gravedad del vehículo (C.G), desplaza el conjunto de elementos suspendidos (peso total del vehículo) hacia adelante. Este efecto obliga a modificar las cargas sobre los ejes, ya que parte del peso se desplaza de las ruedas traseras a las delanteras, con lo cual aumenta la adherencia de éstas al suelo, debiendose aplicar, por tanto, una mayor fuerza de frenado a las ruedas delanteras.
El peso transferido (Pt) en función de la fuerza (F), denominado carga dinámica, que depende del peso del vehículo y de la velocidad de desplazamiento, origina, en el momento de frenado, una inclinación del vehículo cuyo ángulo (ß) depende de la situación del centro de gravedad y de la distancia entre ejes, así como de las características de flexibilidad en la suspensión de sus ejes.


El valor del peso transferido al eje delantero suele ser aproximadamente el 20% del peso total del vehículo, calculándose en la mayoría de los casos por la formula:.


Al diseñar un vehículo, el fabricante tiene en cuenta este efecto, a fin de no sobrepasar la fuerza de frenado en cada una de las ruedas, obteniendose así una gran eficacia en los frenos. Esta llega al 100% cuando la fuerza de frenado es igual al peso real que descansa sobre cada rueda al frenar.
Generalmente nunca se alcanza ese grado de eficacia en los frenos, considerandose buenos frenos cuando la eficacia es igual o mayor al 80% y malos frenos cuando es igual o inferior al 50%.

Repartos de cargas en el vehículo
El reparto de cargas sobre los ejes del vehículo, según la posición del grupo motopropulsor, suele estar comprendido entre los siguientes valores:

*Motor delantero y propulsión trasera: el 50% para cada eje



*Motor y tracción delantera: el 60% en el eje delantero y 40% en el trasero



*Motor y propulsión traseros: el 40% en el eje delantero y el 60% en el trasero



La influencia del frenado en las ruedas también se manifiesta en las curvas. En ellas, junto a la fuerza de frenado aplicada a las ruedas, aparece una fuerza transversal consecuencia de la fuerza centrifuga, que hace aumentar o disminuir la adherencia del neumático con el suelo, en función del peso transferido en la curva hacia las ruedas exteriores, las cuales ganan adherencia, mientras la pierden las interiores. Si en estas circunstancias se frena, puede llegarse a bloquear prematuramente cualquiera de las ruedas interiores, en particular la trasera, con el consiguiente derrapado del vehículo y perdida de estabilidad.

Distancia de parada
Se llama distancia de parada, al espacio recorrido por el vehículo desde que se accionan los frenos hasta que se detiene por completo. Esta distancia depende de la fuerza de frenado, grado de adherencia al suelo en ese momento, velocidad del vehículo, fuerza y dirección del viento, etc., factores todos ellos variables y muy difíciles de determinar que no permitirán calcular con exactitud el valor de la distancia de parada.
La distancia de parada de los vehículos suele calcularse por medio de una fórmula simplificada; en esta fórmula no se tiene en cuenta la resistencia del viento, se considera que los neumáticos están en buen estado y se aplica la máxima fuerza de frenado.



D = distancia de parada en metros
V2 = velocidad en Km/h
e = porcentaje de eficacia de los frenos
254 = constante para que para que las distancias vengan expresadas en metros

Dando valores a esta formula, con una eficacia de frenada conocida, se puede representar en una gráfica como la siguiente, la distancia de parada en función de la velocidad del vehículo. Como se puede apreciar la distancia de parada no crece proporcionalmente a la velocidad, ya que, a 50 km/h le corresponderían 12 metros de distancia de parada y sin embargo al doble de velocidad (100 km/h) le corresponderían 47 m.



Como se puede apreciar, la distancia de parada (D) no depende para nada del peso del vehículo (a mayor peso hay más adherencia), sino del cuadrado de la velocidad y de la eficacia de los frenos. Por ello la distancia de parada es igual para un vehículo pesado que para un turismo, siempre que la velocidad y la eficacia de los frenos sea las mismas.

Disposiciones legales para la instalación de frenos en los vehículos
Estas disposiciones implantadas por decreto ley y tenidas en cuenta por los fabricantes de automóviles, son contrastadas por la Jefatura de Industria para poder dar de alta a los vehículos fabricados. Entre ellas se pueden destacar las siguientes:

1 Todo vehículo debe tener dos sistemas de frenos, independientes uno del otro, de forma que pueda funcionar uno de ellos cuando falle el otro.

2 Uno de los sistemas debe actuar mecánicamente y poderse fijar cuando el vehículo quede estacionado.

3 Los frenos de servicio deben actuar enérgicamente sobre el vehículo en movimiento, debiendo producir una deceleración mínima de 2,4 m/s2.

4 De tener que utilizar el freno auxiliar de estacionamiento como freno de emergencia, éste debe ser capaz de producir una deceleración mínima de 1,5 m/s2.

5 Los remolques con dos o mas ejes deben disponer de una instalación propia de frenado capaz de producir una deceleración mínima de 2,5 m/s2 y, al desconectarse del vehículo de arrastre, sus ruedas deben de quedar bloqueadas automáticamente.

6 Los remolques de un solo eje, no necesitan instalación de frenos propia cuando la carga por eje remolcado sea inferior a la mitad del peso en vacío del vehículo tractor.

7 Los vehículos cuyo peso total sea superior a las 5,5 t, deben ir equipados con un tercer freno de servicio.

8 Todos los frenos de servicio deben llevar, tanto en el vehículo tractor como en el remolque, una señalización luminosa de color rojo situada en la parte trasera de los mismos, de forma que indique a los demás conductores que está realizando esta maniobra.




Frenos de tambor


Este tipo de freno esta constituido por un tambor, que es el elemento móvil, montado sobre el buje de la rueda por medio de unos tornillos o espárragos y tuercas, del cual recibe movimiento, y un plato de freno, elemento fijo sujeto al puente o la mangueta. En este plato van instalados los elementos de fricción, llamados ferodos, y los mecanismos de accionamiento para el desplazamiento de las zapatas.



Tambor
El tambor es la pieza que constituye la parte giratoria del freno y que recibe la casi totalidad del calor desarrollado en el frenado.
Se fabrica en fundición gris perlitica con grafito esferoidal, material que se ha impuesto por su elevada resistencia al desgaste y menor costo de fabricación y que absorbe bien el calor producido por el rozamiento en el frenado. Cabe destacar también, para ciertas aplicaciones, las fundiciones aleadas, de gran dureza y capaces de soportar cargas térmicas muy elevadas.



El tambor va torneado interior y exteriormente para obtener un equilibrado dinámico del mismo, con un mecanizado fino en su zona interior o de fricción para facilitar el acoplamiento con los ferodos sin que se produzcan agarrotamientos. En la zona central lleva practicados unos taladros donde se acoplan los espárragos de sujeción a la rueda y otros orificios que sirven de guía para el centrado de la rueda al buje.
El diámetro de los tambores, según las características del vehículo, esta normalizado según la norma UNE 26 019.



Plato de freno
El plato de freno esta constituido por un plato portafrenos o soporte de chapa embutida y troquelada, sobre el que se monta el bombín o bombines de accionamiento hidráulico y las zapatas de freno y demás elementos de fijación y regulación.
Las zapatas se unen por un extremo al bombín y por el otro a un soporte fijo o regulable; a su vez, se mantienen unidas al plato por medio de un sistema elástico de pasador y muelle, que permite un desplazamiento de aproximación al tambor y las mantiene fijas en su desplazamiento axial. El muelle, que une las dos zapatas, permite el retroceso de las mismas a su posición de reposo cuando cesa la fuerza de desplazamiento efectuada por el bombín.



Forma y características de las zapatas
Las zapatas de freno están formadas por dos chapas de acero soldadas en forma de media luna y recubiertas un su zona exterior por los ferodos o forros de freno, que son los encargados de efectuar el frenado por fricción con el tambor.
Los forros de freno se unen a la zapata metálica por medio de remaches embutidos en el material hasta los 3/4 de espesor del forro para que no rocen con el tambor, o bien pegados con colas de contacto. El encolado favorece la amortiguación de vibraciones y, como consecuencia, disminuyen los ruidos que éstas ocasionan durante el frenado.



Tipos de freno de tambor
Según la forma de acoplamiento de las zapatas al tambor para ejercer el frenado, los frenos de tambor se clasifican en los siguiente tipos:

Freno de tambor Simplex
En este tipo de freno las zapatas van montadas en el plato, fijas por un lado al soporte de articulación y accionadas por medio de un solo bombín de doble pistón. Este tipo de frenos de tambor es de los mas utilizados sobre todo en las ruedas traseras.



Con esta disposición, durante el frenado, una de las zapatas llamada primaria se apoya sobre el tambor en contra del giro del mismo y efectúa una fuerte presión sobre la superficie del tambor. La otra zapata, llamada zapata secundaria, que apoya a favor del giro de la rueda, tiende a ser rechazada por efecto del giro del tambor, lo que hace que la presión de frenado en esta zapata sea inferior a la primaria.


Invirtiendo el sentido de giro, se produce el fenómeno contrario: la zapata primaria se convierte en secundaria y la secundaria en primaria.



Este tipo de freno de tambor se caracteriza por no ser el mas eficaz a la hora de frenar, debido a que las zapatas no apoyan en toda su superficie sobre el tambor, pero destaca por su estabilidad en el coeficiente de rozamiento, es decir, la temperatura que alcanza los frenos en su funcionamiento le afectan menos que a los otros frenos de tambor

Freno de tambor Duplex
En este freno, y con el fin de obtener una mayor fuerza de frenado, se disponen las zapatas en forma que ambas resulten primarias. Para ello se acopla un doble bombín de pistón único e independiente para cada zapata, los cuales reparten por igual las presiones en ambos lados del tambor.
Estos frenos provistos de bastidores con efecto unilateral son muy eficaces pero sensibles a las variaciones del coeficiente de rozamiento. Presentan la ventaja de que, con su empleo, no se ponen de manifiesto reacciones sobre los rodamientos del buje.




Freno de tambor Twinplex
Este tipo de freno de tambor es muy similar al Duplex salvo que los puntos de apoyo de las zapatas en vez de ir fijos se montan flotantes. En este freno las dos zapatas son secundarias, pero por un sistema de articulaciones, trabajando en posición flotante, se acoplan al tambor en toda su superficie, evitando el acuñamiento y ejerciendo una presión uniforme sobre el tambor. En un sentido de giro las dos zapatas actuarían como zapatas primarias y en el otro sentido como zapatas secundarias.

Freno de tambor Duo-servo
Está constituido por dos zapatas primarias en serie, con lo cual se aumenta el efecto de autobloqueo. En este freno, una zapata empuja a la otra mediante una biela de acoplamiento. Es un freno altamente eficaz, pero muy sensible a las variaciones del coeficiente de rozamiento. Se consiguen esfuerzos mas elevados de frenado y las zapatas ejercen en cada sentido de giro igual esfuerzo. Este tipo de freno se emplea mucho en frenos americanos.





Bombines o cilindros de freno de tambor
Estos elementos son los encargados de efectuar el desplazamiento lateral de las zapatas para el frenado del tambor.
Según la finalidad que tienen que cumplir y la clase de freno empleado, se construyen tres tipos principales de bombines:

*Bombín de doble pistón: esta formado por un cilindro (1) con los taladros (8) de amarre al plato portafrenos. En su interior van alojados los pistones (2) en oposición, sobre los que van roscados los tornillos (3) para el apoyo de las zapatas. Las cazoletas de goma (4) hacen de retén para mantener estanco el interior del cilindro y los pistones se mantienen separados por la acción del muelle (5) centrado sobre las dos cazoletas retén (4).
Por el orificio (A), donde se rosca el latiguillo de freno, tiene lugar la entrada de liquido a presión procedente de las canalizaciones del circuito; en el orificio (B) se monta el purgador (6) que sirve para extraer el aire de las canalizaciones. El conjunto va cerrado con los guardapolvos (7), que evitan la entrada de polvo y suciedad al interior del cilindro.





*Bombín de émbolo único: su constitución y funcionamiento es parecido al anterior, lleva un solo émbolo y se utiliza en los sistemas en que las dos zapatas son primarias.



*Bombín de cilindros escalonado: también llamado "bombín diferencial" este modelo tiene dos pistones o émbolos de diámetros diferentes. El pistón mas pequeño empujaría a la zapata primaria (la que mas frena) y el de mas diámetro empujaría a la zapata secundaria (la que menos frena).



Sistema de reglaje de los frenos de tambor
El desgaste que se produce en las frenadas como consecuencia del rozamiento de las zapatas contra el tambor, hace que aquellas queden cada vez mas separadas de este en posición de reposo, lo que supone un mayor recorrido muerto en la acción de frenado y el envió de mayor cantidad de liquido desde la bomba. Para solucionar este problema existen unos sistemas de reglaje que pueden ser manuales o automáticos.

Sistema de reglaje manual:

*Sistema Bendix: en este tipo de freno para aproximar las zapatas al tambor cuando se produce el desgaste de los ferodos, se dispone de un sistema mecánico de accionamiento manual, que consiste, en unas levas excéntricas sobre el plato de frenos que limitan el recorrido tope de las zapatas hacia su posición de retroceso. Las excéntricas forman cuerpo con un eje, cuyo extremo posterior sobresale por la parte trasera del plato de freno, resultando así accesible aun con las rueda montada, lo cual supone que la operación de reglaje pueda ser efectuada sin necesidad de desmontar ningún componente.



*Sistema Girling: en este tipo de freno el reglaje se efectúa sobre el mismo bombín, actuando desde el exterior del plato de freno sobre la corona dentada del émbolo y tornillo ajustador, o sobre el mecanismo ajustador situado en el soporte inferior de apoyo de las zapatas cuyo despiece puede verse en la figura.



Sistemas de reglaje automático
En la actualidad y desde hace bastantes años la mayor parte de los vehículos disponen de un sistema de reglaje automático para sus frenos de tambor. Existen tres tipos de sistemas de reglaje automático: el sistema Bendix, el Lucas Girling y el Teves.

Sistema Bendix
Esta constituido por una palanca (1), articulada en la parte superior de la zapata primaria, que su extremo inferior esta provista de muescas en forma de diente de sierra, con las cuales engrana el trinquete (w), empujado por el muelle (3) y acoplada a la primaria en la ventana (7) de la palanca (1). Ambas zapatas se mantienen en posición de reposo por la acción del muelle (6). La holgura de montaje (H) determina el juego ideal entre zapata y tambor.



Funcionamiento
Al frenar, cuando el juego entre zapatas y tambor es superior al juego (H): las zapatas se separan, la zapata secundaria mueve la bieleta, y mueve también la palanca (1) (después de recorrer el juego H). La palanca se desplaza y pasa un número de dientes sobre el trinquete (2) correspondientes al juego a aproximar.
Al desfrenar, la palanca no puede regresar por el trinquete dentado. El muelle hace que las zapatas hagan contacto sobre la bieleta por acción de la palanca y de la palanca del freno de mano. El juego determina entonces el juego ideal entre zapatas y tambor.



Sistema Girling
Este sistema hace variar la longitud de una biela situada entre las dos zapatas, primaria y secundaria. Esta constituido por una bieleta de longitud variable, merced a una rueda moleteada que hace tope entre las dos mitades que la forman, que encajan una en el interior de la otra, sin roscar. La bieleta apoya por un extremo en la zapata secundaria y por el otro en la palanca y zapata primaria conjuntamente. En los dientes de la rueda moleteada encaja la punta de la leva, que se articula en la zapata secundaria, fijandose a ella también mediante un muelle.



Funcionamiento
Al frenar, las zapatas se separan y liberan así la bieleta. La palanca pivota sobre su eje bajo la acción del muelle y hace girar la rueda del empujador con el dedo: la bieleta se alarga. Si la aproximación es buena (separación pequeña), el esfuerzo ejercido por el resorte es insuficiente para mover la rueda y la longitud de la biela no cambia.
Al desfrenar, las zapatas retornan, la palanca vuelve a su posición inicial, su dedo pasa hacia delante de los dientes de la rueda sin moverla. El alargamiento de la biela ha permitido reducir el juego entre zapatas y tambor.




Sistema Teves
El principio de funcionamiento es el mismo que los sistemas anteriores, por lo que no vamos a explicarlo.


Continúa en la 2da parte.