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Cuando se ha de reducir la velocidad e incluso parar el automóvil se hace necesario recurrir a un sistema específico, los frenos.
La idea es aplicar elementos estáticos sobre las ruedas para que reduzcan su velocidad y se puedan parar rápidamente si la situación lo requiere.
En las bicicletas las implantaciones de frenos son exactamente tal como se ha expuesto, unos elementos estáticos, zapatas, friccionan sobre los bordes de la llanta por la presión del cable o varilla accionado por el mando que controla el conductor.
En el automóvil no es así, los elementos estáticos rozan sobre otros que giran con las ruedas, para lo que se dispone de un sistema que acciona el conductor al pisar el pedal de freno.
Concepto de frenos
La idea original de los frenos en el automóvil es la traslación del sistema que se utilizaba en los carruajes.
Es solamente la idea pero no la aplicación:
- Junto a cada rueda del automóvil se coloca un elemento estático muy próximo, pero sin que lleguen a estar en contacto con las ruedas
- Unos sistemas de accionamiento pueden desplazar estos elementos estáticos para que contacten con las ruedas, los delanteros y traseros
- El pedal de freno está diseñado para que, al pisarle empuje a los sistemas de accionamiento delantero y trasero y hagan friccionar los elementos estáticos sobre las ruedas, reduciendo la velocidad e incluso deteniéndolas si la presión es lo suficientemente elevada, hasta el punto que se pueden bloquear, dejar de girar, patinado sobre el suelo hasta que se detenga el automóvil
Este sistema de frenos es conceptual, pero ya anticipa una particularidad, además de disminuir la velocidad de las ruedas al frenar, estas se pueden llegar a bloquear en frenadas intensas, lo que supone inconvenientes que se han de solevantar, como se irá explicando en los sucesivos capítulos de frenos y de ABS y sus derivados.
Ya se ha comentado que en el sistema de frenos del automóvil no friccionan los elementos estáticos sobre las ruedas, pero se parte de esta idea por su simplicidad didáctica para llegar a los elementos reales de implantación de frenos.
- En las imágenes superiores se ven unos elementos estáticos curvados en el interior de las ruedas, son las zapatas
- En las inferiores los elementos estáticos son planos y están a cada uno de los lados de la rueda, por el exterior, son las pastillas
- El efecto de frenada se logra haciendo que las zapatas se expandan friccionando con el interior de la rueda, y las pastillas se aprieten sobre los lados de la rueda
- En realidad, como ya se ha adelantado, las zapatas y pastillas no friccionan directamente sobre las ruedas
- Las zapatas están en el interior del tambor que gira con la rueda, es un cilindro hueco
- Las pastillas acoplan por el exterior de unos discos que giran con la rueda
- Al actuar los frenos las zapatas se expanden contra la superficie interior del tambor y las pastillas se comprimen sobre los lados de los discos, en ambos casos la fricción produce el efecto de frenada, generando calor por el rozamiento
Con este esquema de funcionamiento se ve que el calor generado por los frenos es en el interior de los tambores y en el exterior de los discos, por lo que los tambores tardan más en enfriarse que los discos tras un uso intensivo.
Sistemas de frenos de tambor y disco
Para generar los desplazamientos de las zapatas y pastillas sobre tambores y discos se requieren más elementos, vamos a ir viéndolos:
- El tambor de freno gira con la rueda
- En su interior pivotan las zapatas
- Unos empujadores en los extremos de las zapatas opuestos a los puntos de pivotamiento las pueden desplazar hacia el exterior, sobre la superficie interna del tambor
- Un muelle hace que las zapatas retornen a la posición de reposo al dejar de actuar los empujadores, separándolas del tambor
- El disco de freno gira con la rueda
- Las pastillas están a cada lado de las superficies del disco
- Un empujador apoyado en cada pastilla las puede comprimir sobre el disco
- Funcionamiento; al actuar los empujadores expanden las zapatas sobre las superficies internas de los tambores y comprimen las pastillas sobre las superficies de los discos, la fricción resultante produce el efecto de frenada
- La zapata se compone de una placa o soporte metálico sobre el que acopla el material de fricción
- La pastilla es un soporte o placa sobre el que asienta el material de fricción
- Con el uso el material de fricción de zapatas y pastillas se va desgastando reduciendo su espesor, son los elementos fusibles de los frenos que requieren ser sustituidos
La sustitución de pastillas y zapatas se ha de hacer antes de que se desgaste completamente el material de ficción y llegue a rozar el soporte metálico con el tambor o disco, pues les dañaría irreversiblemente.
Los tambores y discos también se desgasten y han de ser cambiados cuando llegan al mínimo espesor admitido.
Accionamiento mecánico de los frenos
La eficacia del sistema de frenos del automóvil durante sus inicios iba por detrás de las prestaciones que aportaban los motores, con los riesgos que esto implica.
Para tener una idea de las tecnologías originales se explican dos de estos sistemas iniciales:
- Los primeros elementos de frenada en el automóvil han sido los tambores y zapatas
- El sistema de accionamiento desde el pedal se hacía mediante varillas de acero, que precisaban constantes reglajes para mantener cierta eficacia y equilibrio de frenada
- La evolución fue sustituir las varillas de acero por cables flexibles del mismo material, se mejoraba algo la calidad de frenada, pero seguían siendo ineficaces para la potencia y prestaciones que ya ofrecían los motores y automóviles
- El siguiente paso ha sido el circuito hidráulico de frenos, transmitiendo la fuerza de frenada por líquido lo que permitió disponer de frenos a la altura de las prestaciones, al menos en los coches de calle
Los frenos de accionamiento mecánico, por varillas o cables flexibles de acero eran adecuados a baja velocidad, pero requerían distancias de parada amplias.
Al aumentar la velocidad la eficacia de los frenos disminuía sensiblemente, a la vez que la simetría de frenada entre ruedas se iba deteriorando, eran automóviles que se debían conducir con extrema prevención para evitar posibles situaciones de riesgo.
Circuito hidráulico simple; elementos y funcionamiento
El circuito hidráulico de frenos supuso una gran evolución en la eficacia de frenada.
En el resumen de este capítulo se presenta como anticipo una de estas evoluciones:
- Se ve en este automóvil el pedal de freno
- Delante tiene discos y detrás tambores
- Como sistemas de accionamiento en los discos están las pinzas u horquillas y en los tambores los bombines
- Las pastillas están a cada lado de los discos y las zapatas en el interior de los tambores
- La bomba de frenos tiene un pistón en su interior asociado al pedal de freno
- Depósito de líquido de frenos que alimenta a la bomba
- Desde la bomba de frenos salen los conductos del circuito hidráulico hasta cada una de las pinzas de los discos y bombines de los tambores
- Los tramos finales del circuito hidráulico son flexibles, latiguillos, para adaptarse a los desplazamientos de las ruedas por la suspensión y dirección
- Funcionamiento; al pisar el pedal de freno, el pistón interno de la bomba tapa la entrada de líquido desde el depósito, comprimiendo el líquido que transmite la presión por el circuito hidráulico a las pinzas y bombines, comprimiendo las pastillas sobre los discos y expandiendo las zapatas dentro de los tambores, frenando las ruedas
- Se aprecia cómo se encienden las luces de freno al pisar el pedal, accionadas por un circuito eléctrico desde el pedal de freno o en la bomba
- En el depósito de líquido de frenos hay un control de nivel que enciende un testigo si desciende al mínimo admisible, si el nivel es superior el testigo permanece apagado
- El circuito hidráulico de esta automóvil es simple “I”, común para las cuatro ruedas, en caso de que se produzca pérdida de líquido se vacía el circuito y no funcionan los frenos
- Las evoluciones del circuito hidráulico de frenos dan solución a estas situaciones
Para que sea operativo el circuito hidráulico y se adapte la frenada de las ruedas lo mejor posible a las diferentes condiciones de marcha, se requieren complementos que se van a ir explicando en este y sucesivos capítulos.
Esquema y detalles
Para esta explicación se ve solamente el lado izquierdo del sistema de frenos del automóvil, dando por supuesto que el derecho está al otro lado:
- Discos delante y tambores detrás, a los que se acoplan las ruedas mediante tornillos o tuercas
- Los discos y tambores giran con las ruedas
- En los discos están las pinzas y en los tambores los bombines
- Las pastillas se sitúan a los dos lados de los discos y las zapatas dentro de los tambores
- En el interior de las pinzas y de los bombines están los pistones de empuje, que accionan las pastillas y zapatas
- Bomba de frenos con un muelle de retorno en su interior
- Tras el muelle está el pistón accionado por el pedal de freno
- El depósito de líquido de frenos comunica con la bomba en reposo, pedal de freno suelto
- Desde la bomba parte el circuito hidráulico hasta las pinzas y bombines
- Al llenarse el depósito de líquido de frenos, este llega desde la bomba a las pinzas y bombines
- Funcionamiento; cuando al pisar el pedal de freno se obstruye el paso que viene del depósito a la bomba, el líquido va aumentado de presión que se transmite a las pinzas y bombines, haciendo que los pistones empujen a las pastillas sobre la superficie de los discos y expandan las zapatas sobre el interior de los tambores
- A continuación, se identifican los elementos; depósito de líquido de frenos, bomba de frenos, circuito hidráulico, pinzas, bombines, pistones, pastillas, zapatas, discos y tambores
Un aspecto trascendental para el circuito hidráulico de frenos en su estanqueidad en todos los tramos del circuito, a continuación se ven algunas de estas zonas.
Testigo de nivel de líquido, Testigo de desgaste de pastillas
Esta imagen en planta es similar a la anterior, se ve el lado izquierdo del sistema de frenos con más contenido y detalles:
- En el depósito de líquido de frenos resaltan las indicaciones de nivel máximo y mínimo
- Se parte de que está vacío el circuito hidráulico, por lo tanto el flotador del nivel está abajo haciendo que se encienda el testigo de nivel mínimo
- En una pastilla se incorpora un cable que llega hasta cierto espesor del material de fricción, este cable está conectado a un testigo de desgaste de pastillas
- Se resaltan los conjuntos de estanqueidad; en las pinzas, en los bombines y en la bomba de frenos
- Seguidamente identifican los elementos de frenos que se han citado
- Al pisar el pedal de freno la fuerza se transmite por el circuito hidráulico para frenar las ruedas
- Las juntas de estanqueidad en los pistones de las pinzas tienen dos funciones, evitar fugas de líquido y auto aproximar las pastillas según se van desgastando a los discos, como se verá a continuación
El testigo de desgaste de pastillas no se ha encendido al no estar reducido al mínimo espesor el material de fricción, no llegando a entrar en contacto el cable sensor de desgaste con el disco de freno.
