FRENOS

UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUIFRENOS

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FRENOS

En cualquier máquina que utilice energía cinética para ejecutar alguna función, se requiere contar con un sistema de frenos adecuado al tipo de maquinaria y a los riesgos que pudiese significar permitir que el movimiento continúe. No basta con detener la marcha de un motor para detener el movimiento, un sistema de frenos contrarresta la inercia (tendencia de los cuerpos a mantener el estado de movimiento o reposo) del objeto en movimiento.

SISTEMA DE FRENOS

Se llama freno a todo dispositivo capaz de modificar el estado de movimiento de un sistema mecánico mediante fricción, pudiendo incluso detenerlo completamente, absorbiendo la energía cinética de sus componentes y transformándola en energía térmica. El freno está revestido con un material resistente al calor que no se desgasta con facilidad, no se alisa y no se vuelve resbaladizo.

Figura Nº 1. Freno

CLASIFICACIÓN GENERAL

1. DE ADHERENCIA:

1.1. CLÁSICOS

1.1.1. El frenado con zapatas:

Este dispositivo está constituido por una zapata que se obliga a entrar en contacto con un cilindro solidario al eje cuya velocidad se pretende controlar, la zapata se construye de forma tal que su superficie útil, recubierta de un material de fricción, calza perfectamente sobre el tambor. Una vez más, al forzarse el contacto entre zapata y tambor, las fuerzas de fricción generadas por el deslizamiento entre ambas superficies producen el par de frenado.


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Figura Nº 2. Freno de Zapata

Tipos de zapatas:

Son bloques de madera o metal que presiona contra la llanta de una rueda mediante un sistema de palancas, existen dos tipos que son:

a) De fundición

b) Compuestas

Algunas configuraciones frecuentes de los frenos de zapatas son las siguientes:

• Frenos de zapatas de expansión interna (de tambor):

Los frenos de tambor tienen dos zapatas semicirculares que presionan contra la superficie interna de un tambor metálico que gira con la rueda. Las zapatas están montadas en un plato de anclaje; este plato está sujeto en la funda del eje trasero en la suspensión para que no gire.


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Cuando el conductor pisa el pedal del freno, la presión hidráulica aumenta en el cilindro maestro y pasa a cada cilindro de rueda. Los cilindros de rueda empujan un extremo de cada zapata contra el tambor, y un pivote, llamado ancla, soporta el otro extremo de la zapata.

En el ancla, generalmente hay un ajustador de freno. Cuando las balatas, que van unidas a las zapatas, se desgastan, hay que acercar más las zapatas al tambor con un ajustador de rosca para mantener la máxima fuerza de frenado. En algunos automóviles se debe hacer un ajuste manual a intervalos de 5,000 a 10,000 kilómetros.

Figura Nº 3. Freno de Tambor

1.1.2. El frenado con discos:

El freno de disco consiste en un disco de hierro fundido o rotor que gira con la rueda, y una pinza o mordaza (caliper) montada en la suspensión delantera, que presiona las pastillas de fricción (balatas) contra el disco.


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La mayoría de los frenos de disco tienen pinzas corredizas. Se montan de modo que se puedan correr unos milímetros hacia ambos lados. Al pisar el pedal del freno, la presión hidráulica empuja un pistón dentro de la pinza y presiona una pastilla contra el rotor. Esta presión mueve toda la pinza en su montaje y jala también la otra pastilla contra el rotor.

Figura Nº 4. Freno de Disco

Este sistema de frenado tiene las siguientes ventajas:

1. No se cristalizan, ya que se enfrían rápidamente.

2. Cuando el rotor se calienta y se dilata, se hace más grueso, aumentando la presión contra las pastillas.

3. Tiene un mejor frenado en condiciones adversas, cuando el rotor desecha agua y el polvo por acción centrífuga.


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Por otra parte, las desventajas de los frenos de disco, comparados con los de tambor, son que no tienen la llamada acción de servo o de aumento de potencia, y sus pastillas son más pequeñas que las zapatas de los frenos de tambor, y se gastan más pronto.

Algunas configuraciones frecuentes de los frenos de disco son las siguientes:

• Frenos de disco cerrado:

El disco se aloja se aloja en un cárter solidario a la rueda. El apriete se efectúa sobre varios sectores regularmente repartidos sobre la periferia, el frenado se obtiene por la separación de dos discos, cada uno de los cuales se aplica contra la cara interna correspondiente del cárter giratorio.

• Freno de disco exterior:

El disco es solidario del árbol o de la rueda. El apriete se efectúa mediante un sector limitado y rodeado por unos estribos, en el interior de los cuales se desplazan unos topes de fricción.

El frenado con discos se puede realizar mediante:

1) Discos: Inicialmente fueron de acero, ahora suelen ser de fundición.

2) Pastillas: Suelen ser de aleaciones de cobre, estos elementos de frenado se colocan en la rueda directamente o en el cuerpo del eje.

1. Tipos de pastillas de freno

Cerámicas: Este tipo de pastillas están compuestas por cerámica y fibra de cobre, lo que permite que las pastillas de este tipo controlen la tendencia del freno a perder potencia a temperaturas más altas y se recuperen de manera más rápida luego de detener el vehículo o móvil. del disco.

Orgánicas: Están compuestas por materiales comunes y algunos con el grafito, resinas y fibras, estas son de una inmejorable calidad y adherencia al frenar, generan menos calor que las metálicas y este tipo de pastillas necesita un rodaje en los primeros kilómetros

Semi metálicas o metálicas: Están compuestas por materiales de fricción como el hierro, la fricción en condiciones de seco y mojado no varian demasiado, por lo que tiene mejor frenada en condiciones de mojado que los otros tipos de pastilla. La duración es muy elevada, llegando a alcanzar los 15.000 kilómetros. El calor desprendido es mucho mayor que los otros tipos.

Las ventajas e inconvenientes, frente al frenado con zapatas de este tipo de frenado son:

Ventajas:


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- Frenado poco ruidoso.

- Menores gastos de conservación.

- Mayor periodo de vida.

- La mayor parte del calor desprendido durante el frenado la absorben los discos, a los cuales se les proviene de un sistema de ventilación.

- Materiales protegidos de agentes externos.

- Se comportan bien hasta los 230 Km/h; a partir de esta velocidad el desgaste aumenta considerablemente.

Inconvenientes:

- Menor aprovechamiento de la adherencia. Para solucionar este problema se suelen utilizar sistemas mixtos de zapatas y discos junto con sistemas de antipatinaje.

- Mayor distancia de parada.

1.1.3. El frenado de cinta:

Posiblemente el dispositivo de freno más sencillo de concebir es el llamado freno de cinta o freno de banda, el cual consiste fundamentalmente de una cinta flexible, estacionaria, que se tensa alrededor de un cilindro solidario al eje cuya velocidad se pretende modificar, la fricción existente entre la cinta y el tambor es responsable de la acción del frenado.

Se usa en las máquinas de vapor, en los vehículos a motor y en algunos tipos de bicicletas, pero sobre todo en aparatos elevadores.

Figura Nº 5. Freno de Cinta


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2. SIN ADHERENCIA:

Hay otros sistemas de frenado menos importantes tales como:

2.1. Patín electromagnético frotante:

Debido a su gran desgaste sólo se utiliza como freno de urgencia.

2.2. Frenos de Foucault:

Basado en crear corrientes parásitas que a su vez crean esfuerzos de frenado.

2.3. Frenos aerodinámicos:

En un avión en vuelo, disminuyen rápidamente la velocidad por un fuerte aumento de la resistencia al avance, dispuestos en las alas o a lo largo del fuselaje, están constituidos por elementos móviles, que se pueden levantar en el aumento deseado, se utilizan sobre todo durante los picados y en ciertas acrobacias.

2.4. Frenos neumáticos:

Su funcionamiento se basa en que el esfuerzo de frenado aplicado por las zapatas o discos proviene indirectamente del hecho de mover el pistón de un cilindro. Su esquema es el siguiente:

Figura Nº 6


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Según el tipo de frenado que se quiera hacer éste puede ser:

1) Frenado continuo: el que realiza normalmente el maquinista o un viajero en caso de parada de emergencia.

2) Frenado automático: el que ocurre si hay una avería en el propio sistema de frenado.

3) Frenado de apriete y aflojamiento graduados: si se realiza de una forma escalonada.

Tipos de frenos neumáticos:

1- De aire comprimido.

2- De vacío.

3- Una combinación de los dos.

• Frenado por aire comprimido:

Figuras aclarativas de cómo funciona este tipo de frenado:

Figura Nº 7


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Figura Nº 8

Figura Nº 9

Figuras Nº 7, 8 y 9. Llave de mando del freno y sus diferentes posiciones


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Inconvenientes en este sistema de freno:

- Retraso en el frenado de los vagones de cola.

- Es difícil obtener aflojamientos graduados.

Solución a estos inconvenientes:

Utilizar un sistema mezcla del automático y directo:

Figura Nº 10

Figura Nº 11

Dentro del frenado por aire comprimido hay que incluir también el freno de mano, indispensable para el estacionamiento del tren:


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Figura Nº 12. Freno de mano en los vagones

2.5. Frenos Hidráulicos:

En función de las exigencias y tipo de vehículo se emplean sistemas con distintas fuerzas de transmisión. En vehículos de turismo se emplean casi siempre sistemas de frenos hidráulicos (“frenos de pedal”) y frenos de estacionamiento (“frenos de mano”).

Este sistema se basa en que los líquidos son prácticamente incompresibles y además de acuerdo con el Principio de Pascal, la presión ejercida sobre un punto cualquiera de una masa líquida se transmite íntegramente en todas direcciones. Al ejercer una fuerza con el pie en un émbolo pequeño el fluido la transmite y, según la relación entre las secciones de los émbolos, la amplifica. También cambia la dirección y el sentido la fuerza aplicada

Los frenos hidráulicos utilizan un fluido para transmitir la acción de frenado. El sistema requiere de:

• Dispositivo de actuación: medio que permite al conductor generar y controlar la fuerza de frenado deseada.

• Dispositivo de transmisión: transmite la fuerza de frenado del conductor a los frenos de rueda. Para reducir a un mínimo los riesgos de que falle este dispositivo de seguridad, el sistema de frenos de servicio se divide en dos circuitos independientes. De esta manera cuando falla uno de los circuitos de freno, se mantiene la efectividad del segundo

• Disposición diagonal: cada circuito frena una rueda delantera y la rueda trasera diagonalmente opuesta. Esta división se emplea principalmente en vehículos de tracción delantera

• Disposición paralela: con cada circuito se frena un eje. El diseño de este tipo de división es lo más sencillo. Este se emplea preferentemente en vehículos con tracción trasera.

• Frenos de rueda: son los que ejercen la acción de frenado al hacer fricción con la rueda y retardan el movimiento de las ruedas del vehículo, logrando reducir la velocidad o frenar el vehículo hasta que se detenga completamente.


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Debajo se muestra imagen de un sistema de frenos hidráulico:

Los frenos hidráulicos están divididos en dos tipos de sistemas fundamentales: los sistemas hidráulicos, propiamente dichos y los basados en materiales de fricción. En los sistemas hidráulicos, cuando el freno del vehículo es presionado, un cilindro conocido como “maestro” dentro del motor, se encarga de impulsar líquido de frenos a través de una tubería hasta los frenos situados en las ruedas, la presión ejercida por el líquido produce la fuerza necesaria para detener el vehículo.

Las pastillas ó materiales de fricción, suelen ser piezas metálicas o de cerámica capaces de soportar altas temperaturas. Estas piezas son las encargadas de crear fricción contra una superficie fija (que pueden ser tambores ó discos), logrando así el frenado del vehículo.

Figura B. Componentes del sistema de freno hidráulico.

1. Fuerza De Frenado

La fuerza de frenado debe de estar repartida entre los ejes con relación al peso soportado por los mismos, dependiendo de la distribución de los distintos mecanismos, como motor, caja de velocidades, depósito de combustible, etc., y de la transferencia de peso al frenar (que depende fundamentalmente de la altura del centro de gravedad), peso total del vehículo y distancia entre ejes.

En cuanto a la eficacia del frenado, deben de ser exactamente iguales en las dos ruedas de un mismo eje, para evitar “tiros” hacia uno de los lados, que provocarían la inestabilidad del vehículo en las frenadas.

Cuando se frena un vehículo, parte de su peso se transfiere hacia el eje delantero, quedando el trasero deslastrado; por esto, la fuerza de frenado aplicada a ambos ejes no debe de ser igual y aunque se disponen en las ruedas delanteras unos cilindros receptores mayores, para obtener más fuerza de frenado sobre ellas, sigue siendo necesario utilizar un mecanismo corrector de frenada que corrija la presión aplicada a las ruedas traseras en función de las circunstancias en que se produzca el frenado. Además el bloqueo de las ruedas durante el frenado, es más peligroso cuando se produce


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en las traseras, por eso los correctores de frenado, adecuan las fuerzas de frenado de las ruedas traseras, lográndose una mayor estabilidad en el frenado.

También deben corregir la presión hidráulica en función de la carga y repartir la fuerza de frenado entre los ejes delantero y trasero en función de la deceleración.

2. EL SISTEMA DE FRENOS Y CONSECUENCIAS

El sistema de frenos juega un papel muy importante tanto en la seguridad como en el rendimiento de un automóvil por ejemplo unos frenos demasiado ajustados podrían provocar:

• El sobrecalentamiento de las balatas

• Generar la cristalización de las mismas provocando una falla de frenado

• Calentamiento excesivo

• Daño a los sellos de los cilindros (“gomas”)

• Daño al neumático (generalmente en forma de pequeñas grietas “cuarteamiento de las caras”)

• Falla en los sellos de las ruedas (retenes) y por lo tanto fuga de aceite del diferencial o del transeje contaminando las balatas

• Reducción en la capacidad de frenado

• Sobre consumo de combustible (en un 10% o más).

Es importante hacer revisiones frecuentes (una vez a la semana) para determinar si no hay fugas de líquido de frenos, estas fugas se pueden detectar porque generalmente se bajan los niveles de los depósitos del líquido de frenos.

3. SISTEMAS DE ANTIBLOQUEO DE FRENOS (ABS)

Un sistema de frenado antibloqueo (ABS) controla automáticamente la presión del líquido de frenos, evitando que las ruedas se bloqueen cuando se ejerce excesiva presión sobre el pedal, generalmente en situaciones de alto riesgo, optimizando de tal manera el funcionamiento del sistema y permitiendo al conductor, al mismo tiempo, mantener la estabilidad y control del vehículo.

Las siglas que lo identifican provienen de su denominación en idioma ingles:

Antilock Breaking System: Algunos autores españoles han castellanizado la acepción, denominándolos SFA (Sistema de Frenos Antibloqueo). Se lo suele calificar como sistema reactivo, pues funciona reaccionando frente a una o más ruedas bloqueadas.


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4. ¿Por qué el sistema ABS es beneficioso?

La primera ventaja a destacar es que los sistemas antibloqueo permiten que el automotor se detenga en distancias más cortas. Esto se explica porque al mejorar el contacto neumático-suelo, se mantiene un mayor coeficiente de rozamiento y, como consecuencia, se logra una mayor eficiencia de frenado.

Sobre pavimento húmedo, el sistema permite que el agua drene por las estrías y no se forme la cuña de agua que caracteriza el hidroplano (acquaplanning).

La segunda mejora, pero no menos importante, se pone de manifiesto cuando, en situaciones extremas, los conductores ejercen la máxima presión posible sobre el pedal de freno.

En vehículos provistos de sistemas estándar de frenado, es común que durante una frenada de pánico, sobre pavimento seco, las ruedas delanteras se bloqueen. Cuando la calzada esta mojada o resbaladiza, ese riesgo aumenta significativamente, especialmente a velocidades altas o cuando el dibujo de los neumáticos se encuentra desgastado.

Cuando esto ocurre, el conductor pierde el control del vehículo, que no responde al giro del volante y se desliza en la dirección y sentido que llevaba al iniciarse el bloqueo.

Al evitar ese bloqueo, el sistema ABS permite que el conductor mantenga bajo control el direccionamiento del vehículo, al mismo tiempo que lo desacelera optimizando, de esa manera, la conducción en situaciones de riesgo.

5. SITUACIONES QUE EVIDENCIAN FALLOS EN EL SISTEMA DE FRENOS

• El aumento de la distancia de frenado.

• El aumento del recorrido del pedal de freno.

• Ruidos o vibraciones al momento de frenar.

• Disminución en el nivel del líquido de frenos.

“Cuando freno siento pulsaciones en el pedal.”

•Rotores o tambor de frenos deformados, deben ser rectificados en el torno (machine shop).

•Baleros o rodajes de rueda flojos o defectuosos.

•Tuercas de rueda flojos.

•Mordaza o caliper mal instalado.


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•En los vehículos con tracción trasera, es posible que tenga un eje deformado.

En los vehículos con tracción delantera, revisar los soportes de la transmisión y motor. (Entiéndase como soportes aquellas pequeñas partes compuestas de hule-goma-metal, que sirven para fijar el motor y la transmisión al puente de la carrocería y chasis, evitando vibraciones).

“Cuando piso el pedal, este se va al piso y el vehículo no se detiene.”

Problemas con el cilindro maestro, es posible que no tenga fluido o que internamente haya sufrido daños. Revise que no tenga fuga de fluidos por alguna conexión, manguera, cilindro de rueda o mordaza de freno.

Trate de purgar el sistema, si no encuentra fugas por ningún lado y si el depósito de fluido mantiene el nivel de fluido. Cambie el cilindro maestro y purgue el sistema. (O reconstrúyalo cambiándole los hules internos y limpiando con una lija suave, el interior del cilindro maestro)

“Cuando freno escucho un sonido de raspado metálico.”

Es posible que este escuchando el sonido del sensor, o de plano ya se está gastando el rotor, o tambor. Hágale un servicio a los frenos, que incluyan el remplazo de pastillas y balatas nuevas, así como rectificado (corte) de discos y tambores. Si los rotores o tambores están demasiado gastados, tallados o rayados, deberá cambiarlos por nuevos porque un rotor o tambor demasiado rayado al ser rectificado se sale de las especificaciones normales de uso.

6. Cuida tus frenos

Como ves, el sistema de frenos es fundamental para el correcto funcionamiento de tu vehículo. Por eso, es importante que tengas un cuidado especial para ellos y tener en cuenta:

• Cambiar el líquido de los frenos por lo menos cada 18 meses, ya que es un líquido que se degrada con el paso del tiempo.

• El freno de parqueo (o freno de mano) NO ES UN FRENO DE EMERGENCIA. Este freno se debe utilizar únicamente cuando se va a estacionar el vehículo, ya que no tiene la fuerza suficiente para garantizar que el vehículo se va a detener en movimiento.

• No utilizar cualquier tipo de líquido de frenos. Sólo utiliza los que indiquen el manual del propietario del automóvil.

• Verificar el estado de las pastas, discos, bandas y campanas cada año en lugares especializados.


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• El líquido de los frenos debe estar siempre sobre el nivel mínimo requerido, y no debe cambiar su nivel abruptamente de un día para otro. Si esto sucede debe revisarse inmediatamente porque puede existir una fuga en el sistema.

• Si detectas cualquier anormalidad en los frenos de tu carro, consúltala en un centro especializado de servicio.

7. ¿QUE SE ESPERA EN UN FUTURO RESPECTO A LOS FRENOS?

Algunos expertos señalan que los frenos de discos pronto pasarán a la historia ya que cada día los fabricantes anuncian nuevos mecanismos, fruto de incontables horas dedicadas al desarrollo de sistemas de frenado originales, siendo un caso notorio el de la marca alemana Porsche AG, pioneros en el diseño de los frenos de cerámica, los cuales fueron incorporados hace un año a su modelo 911 Turbo. Las ventajas de este nuevo sistema radican en su capacidad de repuesta sobre pavimentos húmedos o secos, la estabilidad en la frenada, el menor peso del conjunto y la larga vida de los discos. La eficiencia en el frenado, según los técnicos de Porsche, no podrá aprovecharse al máximo hasta tanto no se disponga de compuestos de caucho adecuados en los neumáticos y de un sistema ABS desarrollado específicamente para este tipo de discos. Los técnicos auguran un promisorio futuro para los frenos de cerámica, ya que pueden montarse en el sistema actual, sustituyendo los discos y las pastillas de freno, sin que sea necesario cambiar los pistones, el mecanismo de servo u otros componentes del equipo de frenos.


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CONCLUSIÓN

El freno en estudio presenta buenas características de diseño, la teoría de desgaste es similar a la de presión uniforme, según mi criterio el freno cumple satisfactoriamente con las funciones para las cuales fue diseñado, se tiene buena selección de materiales, el sistema no es complejo, se tiene baja probabilidad de que falle y en general es eficiente según el nivel de análisis que se esta realizando, si se quiere dar resultados más comprometedores como el caso de una evaluación de un accidente, se tiene que tener mucha más rigurosidad ya que se han descartado varias cosas y supuesto otras, lo que puede conllevar a errores en los cálculos.


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ANEXOS

BIBLIOGRAFIA

1. http://es.wikipedia.org/wiki/Freno

2. http://automecanico.com/auto2002/Frenos.html

3. http://html.rincondelvago.com/sistema-de-frenado.html

4. http://www.monografias.com/trabajos14/frenos/frenos.shtml

5. SHIGLEY. Joseph. Diseño en Ingenieria Mecanica. Mc Graw Hill. Pag. 609-629.

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