Publicado por Taller Actual

Composición y características de los frenos a disco

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El freno a disco requiere en la actualidad una precisión elevada para su fabricación. Disco de freno de alta tecnología – Audi A8.

Básicamente, el objetivo del freno en general es el de reducir, en forma gradual, la velocidad del vehículo, y de tenerlo frenado cuando está detenido. En este caso nos ocupamos del difundido freno a disco, aunque todavía existen los sistemas mixtos o combinados, es decir, a disco adelante y a campana o tambor atrás.

El sistema contempla un circuito principal para detener al vehículo durante la marcha, y uno secundario que asegure cierta funcionalidad, por lo general limitada, inclusive en caso de deterioro o rotura (circuito de freno desdoblado).

Desde hace varias décadas, los frenos de los automóviles son hidráulicos con accionamiento a través de un pedal, y la fuerza que ejerce el conductor –generalmente amplificada por un servofreno– coloca bajo presión al líquido o fluido de frenos que actúa sobre los componentes del sistema frenante. El freno de estacionamiento, denominado también freno de mano, que es el que permite bloquear al vehículo cuando está estacionado, es casi siempre de tipo mecánico.

En los últimos años, se están aplicando discos de freno especiales, entre los que se encuentran los discos autoventilados. Se trata de discos ahuecados internamente –formando conductos– en donde el giro provoca la succión del aire, que pasa desde el centro hacia la periferia, enfriando el disco, para reducir considerablemente el riesgo del “fading”, que es lo que compromete la eficacia del frenado.

Desde el nacimiento del disco hasta la fecha, desde el punto de vista del diseño, la forma del disco suele ser más compleja, ya que en un principio eran solo simples geometrías circulares y planas.

Sabemos que lo que se denomina banda o pista es la superficie en donde se produce la fricción de los materiales en contacto. La fijación se realiza en la parte central del disco, y está compuesta por un orificio circular de centrado, del eje de la rueda, y por orificios ubicados radialmente, para los espárragos de fijación de la rueda.

La sección de unión de la pista o banda, y de la fijación, está compuesta por un cilindro posicionado horizontalmente, denominado campana, debido a su forma. El interior de esta campana puede ser utilizado para montar un sistema de freno a tambor de estacionamiento, que es denominado Drum in Hat.

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Ensayo de choque térmico en banco dinamométrico – Brembo.

Con respecto al calor generado por las frenadas, el mismo pasa al disco de freno, y sin duda debe ser evacuado. Parla mantener la temperatura en valores tolerantes –por la integridad del disco– el diseño del mismo debe considerar una circulación de aire. Debido a las exigencias, producidas por su uso, el disco debe cumplir con dos objetivos claros:

• Inducir la circulación del aire, como si fuera el rotor de un ventilador centrífugo
• Actuar como intercambiador de calor, tipo radiador Cabe destacar que la forma circular de este componente es adecuada, y se presta perfectamente para esta función doble, ya que cuando gira el disco, mueve la capa laminar de aire, con la cual está en permanente contacto. La parte exterior del disco posee una velocidad lineal superior respecto de la parte central de la campana, es decir que en el extremo la presión dinámica que experimenta el aire es más elevada ya que esta varía con el cuadrado de la velocidad. Se produce entonces la aspiración del aire desde la parte central hacia la periferia.

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(1) La mayoría de los automóviles modernos son equipados con frenos de disco ventilados – Ford.
(2) Cuando el calor disperso al frenar aumenta, las superficies de un disco sólido no alcanzan; debido a ello se usan los discos ventilados.

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Con los frenos a disco, en el frenado del automóvil, la energía cinética se transforma totalmente en energía térmica entre las pastillas y los discos, y cuando el vehículo se detiene en forma total, toda esta energía se encuentra en forma de calor en los frenos – Porsche.

Cuando el calor dispersado al frenar aumenta, las superficies de un disco sólido ya no alcanzan; debido a ello se usan con frecuencia los discos ventilados. Estos son, en verdad, dobles discos formados por dos placas separadas, unidas por partes metálicas o aletas, que son las que aseguran su unión, dejando circular al aire. Este circula y el enfriamiento no solo se da en las superficies exteriores –como se da en el disco sólido– sino también en las superficies interiores.
La circulación entre las dos placas depende, en gran parte, de la forma de las partes metálicas denominadas aletas, como en una turbina. Los discos que reciben grandes cantidades de energía poseen aletas conformadas, las cuales, a cierta velocidad de giro o rotación, mejoran la velocidad de circulación. Sin embargo, hay un límite relacionado con la velocidad de transferencia del calor, del interior del metal hacia el aire exterior.
El disco sufre en servicio una sobrecarga, un estrés térmico y un estrés mecánico, ya que la energía que pierde el vehículo en el frenado se encuentra en forma de calor generado en el conjunto disco/pastilla. El caudal de calor aportado al comienzo del frenado es muy alto, y se trata de una potencia importante.
En cuanto al estrés mecánico, bajo el efecto de la fuerza centrífuga, debido a la rotación del disco, se crea un esfuerzo de tracción. Al frenar, el disco se ve solicitado por dos nuevas fuerzas. Ante todo, la fuerza de compresión, que se genera con el apoyo de las pastillas en forma perpendicular a la superficie del disco. Esta fuerza, a su vez, es el resultado de la aplicación de la presión del líquido de frenos en la superficie del pistón de la pinza. La fuerza frenante que genera el roce de la pastilla contra la superficie del disco se transforma en un esfuerzo de tracción. Estas sobrecargas producen microfisuración en los discos y, después de largos períodos de funcionamiento relacionados a este tipo de estrés repetido, el fenómeno que es denominado “fatiga”.

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El caudal de calor presente es evacuado en los modernos modelos a través de discos ventilados, en especial en las ruedas delanteras.

Hemos visto que, en el freno a disco, así como el mismo experimenta sobrecargas, tensiones o estrés mecánico, también sufre estrés térmico debido a la generación de calor que se produce cuando se concreta una frenada.

Con respecto al estrés mecánico –en el disco– la microfisuración que se produce a posterior de mucho tiempo de funcionamiento, es decir de estrés repetido, es denominado “fatiga”. Está claro entonces que el estrés mecánico puede generar roturas. Cabe puntualizar que el disco, además, recibe flexiones que se producen al frenar en las curvas, y un estrés dinámico cuando vibra el disco.

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A través de los años, los frenos experimentaron grandes avances gracias a la mejora de los materiales de fricción y al perfeccionamiento del diseño de las pinzas y del disco.

En cuanto a las sobrecargas térmicas, toda la energía que pierde el automóvil al frenar se encuentra en forma de “calor generado” en la parte disco/pastilla.
El caudal de calor presente al comienzo de la frenada es elevado, y se trata de una potencia (en kW) de importancia. Esta potencia –por ejemplo– disminuye hasta llegar a cero, cuando la desaceleración es constante.
El calor se genera cuando dos superficies entran en contacto, como es el caso de la pastilla y el disco, y, debido al gradiente de temperatura, el calor se difunde en los dos materiales que están en contacto.

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Los vehículos deportivos y de competición utilizan, desde hace un tiempo, discos de freno ventilados y perforados – Brembo.

La distribución del caudal de calor es función de las características físico- químicas de los materiales. En la mayoría de los casos, más del 80 por ciento del calor generado se concentra en el disco, y es debido a ello que debe ser enfriado.

De acuerdo a la máxima cantidad de calor a eliminar, se puede recurrir a otros medios que van a hacer más complicada la forma del disco. Es decir que se puede aumentar “la superficie de intercambio”, como ocurre en los discos ventilados. También se puede aumentar el caudal de aire, mejorando el rendimiento a través del diseño de las aletas.

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Pastilla de freno: modelo de elementos finitos en donde la parte roja muestra las presiones elevadas.

Se sabe que un aumento excesivo de temperatura de las pastillas genera un deterioro del material, y un aumento de la temperatura del pistón y, por lo tanto, del líquido de frenos. El excesivo aumento de la temperatura del disco tiene asimismo grandes consecuencias: puede darse una transformación de la fundición en la superficie o una deformación permanente del disco. Puede que también la pista del disco se curve y tome la forma de un cono, dificultándose el enfriamiento.

Vale considerar que los dos objetivos principales de un disco de freno son: La transmisión de una importante fuerza mecánica.

La dispersión del calor producido Este último punto supone un funcionamiento entre medianas y altas temperaturas. Sin embargo, desde la teoría, sabemos que hay muchos materiales que pueden cumplir o desempeñar estos dos puntos.

Por una parte, por estabilidad de las prestaciones, por el costo de las materias primas y las posibilidades de producción, la fundición gris es un material usado generalmente. Actualmente, también se utilizan materiales compuestos, con matriz de carbono para discos de freno de automóviles deportivos y de competición. Sus especiales prestaciones y su costo elevado no los hacen aptos para los autos de serie.

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Un aumento excesivo de la temperatura puede generar una deformación permanente del disco.

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