El sistema de frenos y principios de accionamiento: fricción pura

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El perfeccionamiento experimentado por el sistema de frenos en los últimos veinte años es fundamental.

Nos hemos dedicado en varias oportunidades, al opasionante tema de los frenos, y si nos ocupamos basicamente a sus principios de accionamiento, puede decirse que; un vehículo en movimiento posee cierta energía proporcional a su masa y al cuadrado de su velocidad.
Esta es la energía cinética, y para detener a ese vehículo o aminorar su marcha se debera disipar esta energía. Esta función corresponde al sistema de frenado, que transforma la energía cinética en energía calórica. Sabemos que el sistema de frenos está compuesto de la siguiente manera; – una parte que gira, ya sea disco o campana – tambien llamado tambor – solidaria o fijo, con la rueda. – Una parte fija, ya sea pinza o zapata fijas al chasis. – Un sistema de accionamiento o de commando.
Cuando la rueda gira libremente, la denominada “Fuerza de Resistencia” depende de la fuerza de apoyo, es decir del peso del auto, y el del coeficiente de razonamiento, por lo tanto dicha “Fuerza de Resistencia” es de poco valor. Pero cuando el giro de la rueda disminuye por la acción del freno, el coeficiente de razonamiento aumenta, por lo tanto aumenta la “Fuerza de resistencia”.

Existe un límite, más alla del cual, esta fuerza disminuye a pesar que existia un “par o una cupla elevada de frenado”. El bloqueo de la rueda produce un fenómeno físico, por el cual “el coeficiente de razonamiento” se reduce a la mitad, agravado por el calentamiento excesivo del neumático.
Respecto a los discos, hay varias posibilidades de ser montados, y va a depender de los perfomances requeridos y a los costos. Existe el montaje rígido, en donde el soporte que sostiene a la pinza es solidario, y está fijo con relación al chasis. Son necesarios dos pistones, es decir uno de cada lado. En el montaje flotante, la pinza está libre en el soporte, y es necesario solo un pistón.

Las caracteristicas y particularidades de los discos son las siguientes:

• Muy buen enfriamiento y en consecuencia, eficiencia prolongada.
• No son sensibles al agua (evacuación por fuerza centrífuga).
• Los discos pueden ser auto ventilados.
• Hay un fácil reemplazo de las pastillas.
• Gran eficacia a la Resistencia, es decir la fuerza de frenado es aplicada en el centro de las pastillas.
• Se hace necesario la servo asistencia.
• No son sensibles a la dilatación.

LOS FRENOS COMPUESTOS CERAMICA-CARBONO

Las fábricas automotrices, de automóviles deportivos, están desde hace algunos años, utilizando los denominados frenos compuestos de cerámica-carbono. Esto se produce, como resultado de una evolución de las grandes experiencias en el campo de las competencias deportivas, y de innumerables horas de investigación y desarrollo. Por ejemplo, la firma Porsche presentó a fines de 2.000, dichos frenos, que fueron montados en el modelo 911 Turbo, y los progresos obtenidos en el perfeccionamiento técnico de estos frenos, se debe en gran parte al trabajo de colaboración con la firma italiana Brembo. Como lo mencionáramos en su oportunidad, estos frenos se llamaron PCCB. es decir, Porsche Ceramic. Composite Brakes, y en su momento se trataba de reemplazar al disco clásico de acero, por discos que son como sigue;
• De superiores prestaciones.
• De menor peso.
• De mayor Resistencia a la corrosion.

En lo referente al proceso de fabricación de los mismos, se sabe que la fabricación es bien comleja, y los materiales deben ser muy probados y altamente resistentes a las temperaturas.

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El diseño de los componentes de los sistemas modernos de frenos, requiere el aporte de múltiples recursos técnicos- Audi.

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(1) Los frenos cerámicos son; de menor peso, de mayor vida útil, y de mayor resistencia a las altas temperaturas.
(2) En el año 1975, el gran Enzo Ferrari concreta un acuerdo con la firma Brembo, para sus automóviles de F1.

La vida útil de estos modernos frenos es mayor, en tanto que las pastillas, más grandes que las convecionales, poseen un mayor coeficiente de fricción.
Respecto a la potencia de frenado, con los años, se ha logrado a través del desarrollo, reunir las condiciones suficientes para que cada vez, sean más utilizados en más modelos de más marcas. Los frenos cerámicos, son de menor peso, de mayor vida útil, y de mayor resistencia a las altas temperaturas, el polvo de carbono y la resina son modelados a elevada presión.
Esta mezcla es cocida a elevadas temperaturas (más de 1.000 graados C.), seguida de un tratamiento en silicio líquido, que produce una reacción que finaliza con la formación de la cerámica. En cuanto a la pérdida de efectividad, se dice que las temperauras de trabajo que pueden alcanzar estos dicos son mucho más altas, con lo que las pérdidas de efectividad por uso intensivo se ven reducidas.

LA FIRMA ITALIANA BREMBO

Los primeros discos de frenos producidos en Italia por Brembo, se concretaron en el año 1964 -tres años después del nacimiento de la prestigiosa empresa- y eran enviados directamente al mercado de reposición. Hasta ese momento, los discos eran importados desde Gran Bretaña.
A la producción de discos de freno, fue agregada la fabricación de otros componentes del sistema frenante. Desde 1972, fueron proveedores de la famosa Moto Guzzi, y aquí comienza el suministro de componentes de frenos, para las motocicletas fabricadas en Europa.
La consagración de la calidad Brembo a nivel tecnológico, se efectúa en el año 1975, cuando el gran Enzo Ferrari, confía al cuidado de dicha firma, sus automóviles de Fórmula 1. En poco tiempo, se convierte en líder en las aplicaciones del sistema de frenos para las competiciones de autos y motos.
Respecto a la innovación y a la estrategia, la empresa se dedica a la fabricación de piezas de freno en aluminio. En el ámbito de una politica de expansión en un mercado especializado, Brembo apunta en la década del ‘80, al desarrollo de productos y procesos tecnológicos innovadores.
A la gama de productos de 1980, se agrega una pinza de frenos para automóviles, novedosa en diseño y en materiales, construída en aluminio. La nueva pinza es adaptada por productores de automóviles de altas prestaciones como Porsche (en un 100 por ciento), Mercedes Benz, Lancia, BMW, Nissan y Chrysler.
A mediados de los ‘80, Brembo compite también en el segmento de los frenos a disco para vehículos comerciales e industriales, y así se convierte en un proveedor estratégico para Iveco, Renault Vehículos Industriales y Mercedes Benz.
Cabe señalar que en 2011, la empresa refuerza sus relaciones con Sudamérica, firmando un acuerdo para adquirir Perdriel en Argentina. Por otra parte, en el mismo año, inaugura su nuevo centro de producción en Polonia, que le permitirá a la firma, el suministro eficiente a los establecimientos de Alemania, Francia e Inglaterra, y a toda Europa Centro Oriental.
En 2012, inaugura un nuevo centro productivo en China, para proveer a los clientes europeos que producen automóviles y vehículos comerciales en Asia.
También en 2012, la firma italiana contaba con más de 7.000 empleados, de los cuales, más del 10 por ciento estaba compuesto por ingenieros y técnicos especialistas en el producto, que trabajan en la investigación y el desarrollo. Brembo pone su propia experiencia al servicio de un segmento muy exigente respecto a las performances, realizando profundo estudios en relación a las formas y a los materiales usados.

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(1) En la frenada, se produce en ocasiones por diferentes causas, el bloqueo de la rueda, un fenómeno físico en donde el “coeficiente de rozamiento” se reduce a la mitad.
(2) Los frenos compuestos cerámica -carbono, son montados por lo general en automóviles deportivos - Porsche.

FERRARI: LA FERRARI Y LA PINZA “EXTREMA”

La firma italiana Brembo, suministra el sistema completo de frenos para Ferrari, sin embargo se considera que la pinza de frenos es lo más importante de este sistema. Esta pinza es denominada “extrema”, y está aplicada al modelo top de Ferrari. No podía ser de otra manera, ya que hablamos del primer modelo de Maranello que es equipado con tecnología híbrida Hy-kers. (salvo los automóviles de F1). Esta técnica, combina al motor de 12 cilindros en V -capáz de entregar una potencia de 800 CV.- a un motor eléctrico de 120 kW, que permite la recuperación de energía durante la frenada. Este resultado es sin duda, debido a la experiencia adquirida en la F1.
Con esta nueva pinza “extrema”, se ha logrado reducir las masas no suspendidas en más de 3 kg. Debido al esmerado diseño de la pinza, la ventilación ha sido optimizada de tal manera que, la temperatura máxima de trabajo del líquido de frenos, se ha disminuído en 30 grados C. Este valor muestra una importante reducción, y el msimo es comprobado a través de ensayos realizados en la pista de Fiorano. Las pinzas delantera y trasera, son diferentes respecto a la cantidad de pistones; 6 pistones para la delantera, de distinto diámetro, y 4 en la trasera. Cabe señalar que las pinzas traseras, integran el sistema de freno de estacionamiento eléctrico.

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La pinza “extrema” delantera -a la izquierda- posee seis pistones de diferentes diámetro. La pinza trasera tiene cuatro pistones de distinto diámetro, y los pistones son aislados termicamente para contener la transmisión de calor al fluído de frenos.

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El sistema de frenado, tiene la función de transformar la energía cinética -de movimiento- en energía calórica.

Hemos mencionado oportunamente, que un vehículo en funcionamiento posee cierta energía proporcional a su masa, y al cuadrado de su velocidad. Esta es la denominada energía cinética, y la función del sistema de frenado, es transformar dicha energía cinética en energía calórica.

Sabemos que en la evolución de la tecnología del automóvil, los frenos tuvieron siempre una gran importancia, y el perfeccionamiento que han experimentado en estos últimos veinte años es fundamental.

Basta pensar en el sistema ABS., por ejemplo, o el Brake Assist, un dispositivo electrónico que pefecciona la frenada en caso de emergencia. Actualmente existen marcas que desarrollaron importantes aportes, como ser los discos de carbocerámica, más livianos que los discos clásicos, y muy resistentes al calor, con capacidad de reducir considerablemente, las distancias de frenado.

Pero hay algo más, también existe el sistema Sensotronic Brake Control (SBC), experimentado por Mercedes Benz, en donde los comandos o controles que acciona el conductor sobr e los frenos, son transmitidos con impulsos electrónicos a un microprocesador, que en función de las señales recibidas realiza - siempre a través de impulsos electrónicos- la presión óptima, ofreciendo una seguridad activa en frenadas al límite, de muy alta eficacia.

Cabe señalar que el progreso de los sistemas de frenos, ha alcanzado un nivel notable, en lo referente a sus distintos componentes como ser; los dispositivos de comando, las pinzas, los discos, los materiales de fricción, etc.

Además, siempre con el tiempo, los dispositivos electrónicos son más sofisticados, y hablamos de aquellos que gestionan la frenada, como el ABS. Sin embargo los automóviles, han aumentado de peso (entre un 15 y un 20 por ciento), y esta situación redimensionó en parte el resultado final, es decir; las distancias de frenado.

Los vehículos que no disponen de ABS, que cada vez son menos, obligan a sus conductores, a buscar de compensar su ausencia con una “frenada modulada”. Las frenadas rápidas y bruscas, en especial en caso de lluvia, llevan al bloqueo de las ruedas con el consiguiente descontrol.

Para evitar esta situación, el conductor apenas percibe el bloqueo de las ruedas y la pérdida de adherencia, debe disminuir levemente la presión sobre el pedal.

Apenas las ruedas retoman la adherencia, es decir vuelven a girar; se puede presionar el pedal con fuerza, y así hasta por completo. Frenar y soltar en una rápida secuencia, simula de alguna manera la acción del ABS acortando así las distancias de frenado y, otro aspecto de importancia, las ruedas delanteras mantiene la direccionalidad, y no se arriesga en una curva de salir por la tangente. Como sabemos el ABS., es el sistema electrónico que impide que las ruedas se bloqueen, cuando se frena con violencia o sobre un suelo con poca adherencia. La modulación de la frenada se efectúa en forma automática, y el conductor debe mantener la presión sobre el pedal lo más elevada posible y constante, para lograr los mejores resultados.

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El sistema ABS. desde sus comienzos, recurre a la electrónica para lograr frenadas más que eficientes. (Antilock Brake System).

El sistema ABS y las 4 ruedas motrices

El ABS. es aplicado en los vehículos 4x4 que utilizan sistemas de transmisión de diseño diferente. Las principales diferencias para el ABS. entre dos ruedas motrices, y las tracciones integrales, son como sigue:

• El par motor actúa sobre las cuatro ruedas.
• Para el bloque o del diferencial trasero, las dos ruedas giran a la misma velocidad.
• Para el bloqueo del diferencial inter-puentes, las ruedas delanteras y traseras giran a la misma velocidad.
• El cálculo de la velocidad de referencia, para dos ruedas motrices está basado sobre la velocidad de dos ruedas en diagonal, es decir una sola rueda motríz.

En efecto, para los vehículos a “tracción integral”, no es posible hacer la diferencia entre dos ejes uno con tracción y otro sin tracción, ya que la transmisión actúa sobre los dos ejes. En la situación de frenado en un vehículo 4x4, la transmisión presenta un momento de inercia muy importante.

En el caso de bloqueo del diferencial trasero, las dos ruedas son conectadas entre sí, unidas una con la otra.

En el caso de un suelo asimétrico (parte firme y parte deslizante), la tendencia al bloqueo de una rueda no será reconocida, hasta que las dos ruedas tengan tendencia a bloquearse. Para controlar estas situaciones se utiliza un sensor de aceleración gestionado por computadora, se necesita un especial procesamiento de señales, ya que el bloqueo se realiza automaticamente, en el momento que se accionan los frenos. Normalmente, no son necesarias otras mediciones suplementarias, para que el sistema ABS. (Antilock Braking System), pueda operar eficientemente.

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Las pastillas de freno, son actualmente elaboradas con gran precisión, y son importante en el sistema.

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El sistema ABS. y las 4 ruedas motrices, actúa de acuerdo a las necesidades de la tracción integral y su diseño. El ABS. y las 4 ruedas motrices, sistemas de transmisión integral; ABC: transmisiones integrales; 1- Motor. 2- Caja de velocidades. 3- Rueda libre y visco-acoplamiento. 4 al 7 - Diferenciales coon: Bloqueo manual conmutable, o bloqueo por visco - acoplador. 5- Bloqueo en porcentaje. 6 - Acople y bloqueo. 7 - Bloqueo automático.

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Los denominados “pinzas” de freno, contienen un pistón o más, y se definen como “pinzas fijas o flotantes”, con distintos rendimientos.

Los componentes del sistema Sabemos que el principio de funcionamiento del sistema, se centra en la acción del disco de freno que es muy simple. Se trata generalmente de un disco metálico que tiene un diámetro menor al de la rueda, fijo a la misma que gira a la misma velocidad.

Las pastillas son componentes planos, fijas al eje y por lo tanto al chasis, que presionan al disco, el roce que se produce es lo que reduce la velocidad. Dichas “pastillas”, se montan dentro de una denominada “pinza”, que posee un pistón o más, que trasforma la presión en fuerza. Este par de fuerzas ejercidas en el disco, se transmite por completo a las ruedas.

En el caso del freno a disco, el rendimiento del mismo es proporcional al “coeficiente de fricción. En lo referente a las pinzas y el circuito, las más desarrolladas son:

- Las pinzas fijas
- Las pinzas flotantes

Las “pinzas fijas” van fijas rigidamente al eje, poseen al menos dos pistones enfrentados accionados por el mismo sistema hidráulico. Las “pinzas flotantes” son una especie de mordaza, es decir cuando una de las caras se apoya sobre el disco, el lado opuesto por reacción entra en contacto con la otra cara.

Las pastillas de freno Generalmente, los fabricantes de este importante componente, trabajan en colaboración con las casas automovilísticas, para poner a disposición de las mismas la tecnología desarrollada. El nivel de calidad, tanto en el montaje en las terminales como en el sector aftermarket es fundamental, y su fabricación debe contener todo el bagaje de competividad y experiencia. Los fabricantes deben brindar el nivel de confiabilidad exigido, incluyendo en este los kits de accesorios, estudiados para realizar una reparación o reemplazo de manera rápida y segura.

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AyB. Los fabricantes deben brindar un nivel de calidad óptimo, tanto para las terminales, como para el aftermarket - TRW.

La materia prima El material de fricción es el elemento más importante de una pastilla de freno, generalmente sin el aporte de cobre. La mezcla óptima de material prima utilizada, desde la goma al grafito, asegura un coeficiente de fricción estable, y la seguridad máxima de frenado, en toda la gama de temperaturas y en todas las condiciones de servicio.

El “Scorching”: Tratamiento térmico de alta temperatura. Este tratamiento es un proceso fundamental, que consiste en la cocción del material con que estan compuestas las pastillas, a una temperatura de 600-700 grados C. El “Scorching” ofrece notables ventajas en las siguientes áreas:

• Comportamiento en la etapa de rodaje: eliminando los gases y la resina atrapados en el material de fricción, este tratamiento permite reducir el tiempo de rodaje.
• En combinación con el revestimiento: a base de silicatos, el “scorching” garantiza prestaciones óptimas desde la primera frenada.

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Componentes de una pinza de freno básica, del tipo flotante: 1- Horquilla. 2- Resortes de las pastillas. 3- Láminas del resorte. 4- Pastillas de freno. 5- Anillo de estanquidad. 6- Pistón de freno. 7- Guardapolvo. 8- Cuerpo de la pinza. 9 y 10 - Pasadores. 11- Capuchón. 12- Tornillo de purga.

• Reducción de la extensión: de la primera frenada, que a su vez determina un aumento de fuerza sobre el pedal de freno, para mantener la desceleración del vehículo.

El “Scorching” con placa de calentamiento

En este caso y más recientemente, se ha pasado del proceso común de “scorching” a un sistema térmico de avanzada. Durante este tratamiento, el material de fricción de la pastilla es prensado contra una placa calentada.

El proceso de fundición a presión (pressofusione)

Aquí las pastillas son fabricadas por fundición a presión (deep Moulding Technology), o tecnología del moldeo profundo. Un proceso desarrollado con prensas automáticas. La mayor ventaja de este proceso, se da en la mayor uniformidad de la densidad y parosidad del material, que significa una importante reducción de las vibraciones, y de los ruidos o chirridos, y por lo tanto un notable mejoramiento del confort de conducción.

En la actualidad, y regidos desde hace años por la ECE. Europea, los fabricantes tienen en función un programa “ecológico” destinado a los vehículos, en donde están eliminados los siguientes materiales: Cobre, plomo, mercurio, cadmio, antimonio, molibdeno y latón.

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Gama completa de pinzas, para vehículos europeos y asiáticos- Bendix.

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