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Sistema de frenos del automóvil

El sistema de frenos es sin duda, el mas importante para la seguridad vial del automóvil. Por tal motivo las autoridades de los diferentes países establecen reglas y parámetros a cumplir por los automóviles en cuanto a distancia y estabilidad de la carrera de frenado. Por su parte los fabricantes y desarrolladores del automóvil, se esfuerzan cada día más en lograr sistemas de frenos seguros y duraderos.

En todos los vehículos el sistema de frenos incluye dos posibilidades:
  1. Frenos de marcha: Un sistema que puede manipular el conductor, generalmente con el uso de un pedal y que sirve para para disminuir la velocidad del vehículo o detenerlo y poder mantenerlo inmóvil. La fuerza de frenado de este sistema la puede establecer el conductor de acuerdo a la presión que ejerza sobre el pedal de accionamiento.
  2. Frenos de estacionamiento: Los que sirven para mantener el automóvil detenido cuando no está en movimiento o cuando se deja solo aparcado. Este sistema aplica una fuerza de frenado fija y suficientemente elevada como para bloquear la rueda. Normalmente en los vehículos ligeros se acciona a través de un pedal o con el uso de una palanca que se aplica manualmente. Para los grandes camiones y autobuses es común que sea de tipo neumático al retirar la presión de aire de las cámaras de frenado como se verá mas adelante.

Contenido del artículo
Mecanismos utilizados
Frenos de zapata
Frenos de disco
Frenos de banda
Modos de accionamiento
Accionamiento hidráulico
Accionamiento manual
Accionamiento neumático
Ambos sistemas pueden ser completamente independientes, no obstante, en la mayoría de los vehículos es común encontrar que los dos sistemas accionen los mismos elementos de frenado con diferente vía de accionamiento.


Salvo raras excepciones los sistemas de frenos producen una resistencia al movimiento de las ruedas por rozamiento entre una o varias piezas especialmente diseñadas para ello en cada rueda y su accionamiento puede ser de tres formas básicas:
  1. Hidráulico: el que se acciona con la ayuda de un líquido.
  2. Neumático: el que utiliza aire comprimido.

  3. Manual: se acciona a través de un cable de acero.
  4. Combinaciones de las anteriores.

Mecanismos utilizados para producir el rozamiento.

Con independencia del modo de accionamiento de los frenos, en la práctica se utilizan tres formas principales para producir la fuerza de rozamiento en la rueda que conduce al frenado:
  1. Frenos de zapata.
  2. Frenos de disco.

  3. Frenos de banda.
Hagamos una breve descripción de cada uno

Frenos de zapata

Los frenos de zapata son muy utilizados en la maquinaria en general y especialmente para los frenos de los automóviles y ferrocarriles.

En todos los casos estos frenos funcionan haciendo rozar con fuerza una zapata, o bien de hierro fundido, o bien de acero recubierta de un material especial de fricción, con un tambor metálico cilíndrico solidario a la rueda en movimiento con la intensión de detenerlo, o en caso tal, mantenerlo detenido. El tambor generalmente es de hierro fundido, especialmente tratado térmicamente y recibe el nombre de tambora. En algunas aplicaciones, como en los trenes la zapata roza directamente y sobre el exterior de la rueda de acero.
 
Estos frenos pueden ser de dos tipos según su construcción:
  1. Con zapatas exteriores que rozan con la superficie exterior del tambor.
  2. Con zapatas interiores que rozan en la superficie interior de tambor.

Veamos como funcionan.

figura 1
Figura 1

El esquema de la izquierda (figura 1) representa un freno de zapatas del tipo de zapatas interiores. El aro exterior de color negro es el tambor objeto del frenado, los dos semi-círculos rojos son las zapatas que pueden girar utilizando como centro de rotación los puntos azules inferiores, una leva representada con color azul en la parte superior colocada entre los extremos libres de las zapatas y por último un resorte de color negro, que mantiene a las zapatas apretadas contra la leva.

El mecanismo tal y como se representa en la figura 1 no está ejerciendo ninguna fuerza de frenado sobre el tambor que gira libremente ya que las zapatas están separadas del tambor atraídas por el resorte una a la otra a acercarse, debido a la posición de la leva separadora.
figura 2
Figura 2

Si a través de algún mecanismo, hacemos girar la leva un cierto ángulo, esta obligará a las zapatas a separarse, venciendo la fuerza del resorte, las que se apretarán con fuerza al tambor en movimiento, frenándolo.

El modo de separar las zapatas puede ser de diferente naturaleza, los mas comunes son:
  1. Con la utilización de una leva como en este caso, accionada por cilindro neumático y palanca utilizando aire comprimido.
  2. Utilizando una leva accionada por una palanca que a su vez se acciona manualmente a través de un cabe de acero.

  3. Utilizando un pequeño cilindro hidráulico de doble pistón colocado directamente entre las zapatas.
  4. Utilizando un juego de palancas entre una y otra zapata accionadas manualmente a través de un cable de acero.
Freno de zapata animado

Figura 3



En los frenos reales el movimiento de las zapatas es muy pequeño.

Para los frenos de zapatas sometidos a grandes esfuerzos de frenado, el tambor de frenos, puede tener aletas de enfriamiento para disipar el intenso calor generado durante el rozamiento.

El material de rozamiento que recubre en la mayor parte de los casos las zapatas de frenos, es comúnmente un polímero termoestable de tipo fenólico, relleno con fibras de refuerzo y en algunos casos, polvos metálicos o negro de humo para aumentar la conductividad de calor.

En la imagen a continuación (figura 4) se muestra la apariencia de zapatas típicas.

 Zapatas típicas
Figura 4. Zapatas típicas

Frenos de disco

Los frenos de disco no tienen una aplicación tan universal como los de zapata. Su principal campo de aplicación es en frenos de automóvils y motocicletas.

Este tipo de frenos necesita una mayor fuerza de accionamiento para obtener la misma fuerza de frenado, comparada con los otros tipos de frenos, por esta razón es muy poco utilizado en la industria.

Freno de disco
Figura 5

La capacidad de auto regulación para compensar el desgaste de los materiales de fricción, la simplicidad  de construcción,  el bajo costo de las piezas de fricción y su elevada durabilidad sin fallo, son, entre otras, las ventajas que lo han llevado a ser los frenos por excelencia de los vehículos.

En el esquema de la izquierda (figura 5) se representa de manera simplificada las partes del freno de disco.

Un cuerpo rígido conocido como pinzas y representado en azul, está montado entre dos topes pertenecientes a la estructura de la máquina que no se muestran, estos topes impiden que las pinzas puedan moverse en el sentido de rotación del disco, pero a su vez permiten que pueda desplazarse lateralmente entre ellos.
 
Un cilindro, al que se aplica presión con el líquido hidráulico, representado en amarillo, empuja un pistón interior el que a su vez empuja una de las piezas de fricción que se mueve entre dos guías, este efecto, hace que la pinza entera se desplace y apriete el disco entre las dos piezas de fricción, generando la fuerza de frenado.

Una animación de este proceso se muestra a continuación en la figura 6, mientras que a la derecha, en la figura 7 se muestra una vista real de un freno de disco del automóvil.
Freno de disco animado
Figura 6

foto

Figura 7

Frenos de banda

Freno de banda
Figura 8

El freno de banda es muy utilizado en la industria para frenar e inmovilizar partes en rotación, dada su simplicidad y seguridad, y se usan en variadas aplicaciones, desde pequeños frenos para dispositivos domésticos hasta en lugares de alta responsabilidad y tamaño como: elevadores tirados por cables, grúas, maquinaria de minas y otras muchas. Su aplicación en los frenos de automóviles es reducida pero se ha utilizado para frenos de estacionamiento.

El esquema de la izquierda (figura 8) representa un típico freno de banda simplificado. El objetivo es  frenar el tambor mostrado en amarillo que puede girar en ambas direcciones.

El elemento de trabajo es una banda metálica elástica, generalmente de acero, que rodea el tambor. Esta banda está recubierta con un material especial con alto coeficiente de fricción para aumentar la fuerza de frenado.

Cuando se aplica la fuerza P a la palanca, esta tenderá a girar en el pivote, y apretará la banda fuertemente contra el tambor para frenarlo.

En la esquina superior derecha de la figura 8 se muestra una sección de la banda, donde pueden apreciarse algunos detalles constructivos.

Unas bandas de freno reales lucen como sigue en la figura 9.

foto

Figura 9




Modos de accionamiento.

Accionamiento 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.
Frenos hidráulicos del automóvil
Figura 10


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

esquema
Figura 11

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 a continuación en la figura 12

figura 12
Figura 12

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 mas común es que se use para los frenos de estacionamiento.

Freno manual
Figura 13


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.

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 esta 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 cuanto 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 mas 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.

Para 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.
Freno de aire típico
Figura 14. Freno de aire típico


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