Sistema de frenos

Solución guía numero 6

3.1 sistema de frenos

Un freno es un dispositivo utilizado para detener o disminuir el movimiento de algún cuerpo, generalmente, un eje, árbol o tambor. Los frenos son transformadores de energía, por lo cual pueden ser entendidos como una máquina per se, ya que transforman la energía cinética de un cuerpo en calor o trabajo y en este sentido pueden visualizarse como “extractores “de energía. A pesar de que los frenos son también máquinas, generalmente se les encuentra en la literatura del diseño como un elemento de máquina y en literaturas de teoría de control pueden encontrarse como actuadores.

FRENOS DE TAMBOR

Este tipo de freno está 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.

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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 perlática 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.

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FRENO DE DISCO

Este tipo de freno adoptado en la mayoría de los vehículos de turismo, tiene la ventaja sobre el freno de tambor de que su acción se frenado es más enérgica, obteniendo, por tanto, un menor tiempo de frenado que se traduce en una menor distancia de parada. Ello es debido a que elementos de fricción van montados al aire, al disponer de una mejor refrigeración, la absorción de energía y transformación en calor se puede realizar más rápidamente.

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El freno de disco está formado por un disco que se une al buje de la rueda o forma parte de él, girando con la rueda y constituyendo el elemento móvil de frenado. Sobre este disco, abarcando aproximadamente la quinta parte de la superficie del mismo, va montada una mordaza sujeta al puente o mangueta en cuyo interior se forman los cilindros por los que se desplazan los pistones. A estos pistones se unen las pastillas de freno de un material similar a los ferodos de las zapatas utilizadas en los frenos de tambor.

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SISTEMAS DE MORDAZAS O PINZA DE FRENO

FRENO DE PINZA FIJA

También llamada de doble acción, la mordaza va sujeta de forma que permanece fija en el frenado. La acción de frenado se realiza por medio de dos o cuatro pistones de doble acción, desplazables, que se ajustan a caja una de las caras del disco. En este tipo de pinzas, cada pistón se encuentra en cada mitad de la mordaza. Durante el proceso de frenado, actúa una presión hidráulica sobre los dos pistones y cada pistón aprieta la pastilla contra el disco.
Los frenos de pinza fija contra el disco de freno son muy sólidos, por lo que se emplea en vehículos rápidos y pesados

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FRENO HIDRÁULICO

La figura 10 muestra un esquema con los componentes básicos de un sistema de frenos típico con accionamiento hidráulico para un automóvil de dos ejes.

Al presionar el pedal se acciona el pistón de un cilindro hidráulico dentro de la bomba de frenos a través de una palanca. Este pistón obliga al líquido hidráulico a fluir por unos conductos a accionar los mecanismos de freno de las ruedas, que en este caso son de disco en el eje delantero y de zapata en el trasero.

Cuando se suelta el pedal la presión cesa y los frenos se relajan para permitir el movimiento del vehículo.

En el esquema que sigue (figura 11) pueden verse con más detalles las partes del sistema.

Observe que la bomba 1 es de doble pistón, y que cada uno de ellos alimenta de manera independiente los cilindros de frenos delanteros 2 y los traseros 3. La presión de los frenos traseros está regulada con la válvula 4.

Note como un interruptor 5, cuando se acciona el pedal, sirve para iluminar los faros traseros del vehículo indicadores de que se está frenando, representados como 6.

Otro interruptor accionado por una válvula comparadora de presión 7, cuyo pistón interior se desplaza si uno de los lados resulta con presión muy baja sirve para alertar el fallo al conductor a través de la señal lumínica 8. Un esquema del cilindro de freno con las zapatas se muestra en la figura 12.

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ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO

El accionamiento neumático de los frenos se usa casi exclusivamente para los frenos de zapata en los vehículos pesados y en general utiliza el sistema de leva de la figura 1. La leva es solidaria con una palanca que la hace girar y esta palanca a su vez está acoplada a través de un vástago a un diafragma o pistón que está dentro de una cámara neumática. La figura 14 muestra un dibujo de uno de estos tipos de frenos. En los vehículos con este tipo de frenos hay un compresor que llena con aire comprimido un recipiente o tanque acumulador y cuando se acciona el pedal de freno, que funciona como una válvula reguladora de presión, se alimenta con aire comprimido la cámara de frenos. La presión del aire depende de cuánto se apriete el pedal, a medida que se aprieta más la presión es mayor. En la cámara de aire hay un diafragma que está conectado a la varilla de empuje. El aire comprimido entra a la cámara y empuja con fuerza el diafragma desplazando la varilla de empuje, y esta varilla a su vez, acciona la palanca con la leva que abre las zapatas para producir el frenado, el que será mayor o menor en dependencia de la fuerza aplicada sobre el pedal de freno. Los frenos de aire más modernos funcionan de manera invertida, dentro de la cámara de aire hay un poderoso resorte que mantiene las zapatas abiertas y el automóvil detenido cuando no hay presión de aire, lo que a su vez sirve como freno de estacionamiento. Pará liberar las ruedas lo que se hace es aplicar la presión de aire sobre un pistón que vence la fuerza del resorte y con ello se produce la liberación de las zapatas. Cuando se aprieta el pedal del freno lo que pasa es que se reduce la presión de aire que está venciendo la fuerza del resorte, de modo que este comienza a producir el movimiento de la varilla de empuje y apretar las zapatas contra la tambora. A medida que se aprieta más el pedal, la presión de aire dedicada a vencer el resorte es cada vez menor y este, consecuentemente aumenta la fuerza de frenado. La ventaja principal de este método es que agrega un gran factor de seguridad a los frenos del vehículo pesado, si no hay aire comprimido el vehículo tiende a frenarse, contrariamente al otro sistema que lo que pasa es que el automóvil pierde los frenos.

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ACCIONAMIENTO MANUAL

En estos frenos, el accionamiento del elemento de frenado, ya sea de zapata, de banda, o de disco, se realiza actuando manualmente o bien con el pie, sobre una palanca o pedal. Un cable de acero transmite el movimiento hasta el elemento de frenado. Solo en vehículos muy ligeros, como motocicletas y similares, este sistema se usa para los frenos viales, lo más común es que se use para los frenos de estacionamiento. De manera muy simplificada, en el gráfico de la izquierda (figura 13), se representa el accionamiento manual de un freno de zapata. La palanca azul acoplada a una zapata en un extremo, a través de un centro de rotación, recibe por el extremo opuesto, la fuerza de frenado que viene por un cable representado con la flecha negra. Un empujador intermedio de color verde va desde la palanca hasta la otra zapata. Cuando se acciona el cable y se tira de la palanca azul se produce un movimiento relativo que tiende a abrir las zapatas y apretarlas contra el tambor para producir la fuerza de frenado. El muelle recuperador de las zapatas no se ha representado para simplificar. Note que puede incluirse un cilindro de frenos hidráulico entre los extremos superiores de las zapatas, de este modo las zapatas se pueden accionar hidráulicamente para los frenos de marcha y manualmente a través del cable para los frenos de estacionamiento.

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FRENO DE MOTOR

Freno de motor (Engine Brake), conocido comúnmente como retardador o sea que se frena con el propio motor.  El Freno de Motor y otros sistemas similares usan sistemas hidráulicos, accionados por las piezas del tren de válvulas existente, para convertir el motor diesel de su camión en un retardador que lo hace parar casi con la misma fuerza con la que se impulsa.

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FRENO DE AHOGO

El freno de ahogo es el acto de usar la fuerza de oposición al movimiento presente en un motor de combustión interna para disipar la energía que el mismo genera y detener así un vehículo Este sistema de frenado es vital para la operación de los vehículos de carga pesada, ya que es el más efectivo sistema de frenado que se puede utilizar a altas velocidades sin someter a la máquina a grandes esfuerzos, que, a la larga, resultan nocivos para ésta.

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