Auto-aproximación de pastillas por desgaste o ABS

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Video resumen Auto-aproximación de pastillas por desgaste o ABS

Nada más iniciar el automóvil su andadura los frenos se hicieron muy necesarios.

Alcanzaba más velocidad el automóvil que los carruajes por lo que era preciso poder pararlo con rapidez.

La potencia de los motores de gasolina de aquellos tiempos aumentaba progresivamente, pero no al mismo nivel los frenos, por lo que había accidentes al no poder parar a tiempo.

La evolución de los frenos ha sido extensa, desde los elementos encargados de frenar las ruedas a los sistemas de accionamiento desde el pedal de freno pasando por, entre otros aspectos, complementos para reducir la fuerza que ha de hacer el conductor sobre el pedal de freno.

Hay en el blog bastantes artículos relacionados con los frenos y su evolución, incluso sobre tecnologías que llegarán, de los que se indican su fecha de publicación y sección al final.

En este artículo nos centramos en los frenos de disco, y concretamente en la particularidad de que disponen de sistemas de auto-aproximación progresiva de las pastillas según se van desgastando, así se mantiene la altura de actuación del pedal de freno.

Para lograr esta aproximación de las zapatas en los tambores se requieren mecanismos que actúan habitualmente en escalones de desgaste, no en continuidad más o menos progresiva.

La llegada del sistema antibloqueo de frenos ABS supuso mejorar drásticamente la capacidad de frenada del automóvil manteniendo la direccionabilidad.

Con el paso del tiempo fueron aumentando las capacidades de actuación del ABS, y añadiendo complementos que permitían su intervención en muchas situaciones sin que llegase a frenar el conductor.

Tanto es así, que dedicaremos un artículo a explicar la cronología de evolución del ABS con la incorporación de más funciones, bastantes de las cuales tienen denominaciones específicas.

En este artículo nos vamos a centrar en las dos actuaciones de auto-aproximación de las pastillas a los discos, progresivamente por desgaste y en situaciones específicas y reversibles mediante el ABS.

Frenos de disco y auto-aproximación de pastillas por desgaste

Vamos a resaltar sobre este automóvil el sistema de frenos con cuatro discos, después de la descripción se ve el funcionamiento de los frenos:

Pedal de freno; sobre el que actúa el conductor
Servofreno; multiplica la fuerza que hace el conductor sobre el pedal al frenar. La multiplicación de fuerza se hace en el servofreno por depresión, generada por el motor al frenar y decelerar, si tiene mariposa de gases, o producida por una bomba de depresión arrastrada por el motor si no tiene mariposa o actúa de forma variable
Depósito de líquido de frenos; contiene cierta cantidad de líquido que suministra a la bomba de frenos. El líquido no circula, es transmisor de la fuerza de frenada por presión hidráulica
Bomba de frenos: en su interior está el líquido que recibe del depósito. Sobre la bomba actúa por un lado el empuje del pedal, multiplicado por el servofreno, y desde el interior de la bomba parten los conductos que llevan el líquido a presión a los elementos de freno de las ruedas, el circuito hidráulico
Circuito hidráulico; son conductos llenos de líquido de frenos entre la bomba y los elementos receptores de frenos del líquido en las ruedas, las pinzas
Pinzas; son los elementos receptores del líquido en las ruedas, tienen entrada desde el circuito hidráulico de frenos, y por canalizaciones en su interior llega el líquido hasta los empujadores de actuación de los frenos, bombines o pistones
Bombines o pistones; son los empujadores de actuación de los frenos, por un lado reciben el líquido de frenos a presión, si se está frenando, y por el otro empujan a los elementos estáticos, pastillas que no giran, y van a hacer la función frenante sobre otros elementos que si giran, los discos
Pastillas y discos; el empuje de los bombines desplaza las pastillas, que no giran, haciendo que rocen sobre los discos, que giran con las ruedas, de esta fricción que genera calor se obtiene el efecto de frenada
Juntas de estanqueidad y auto aproximación; en el interior de las pinzas, en los huecos cilíndricos por los que se desplazan los bombines o pistones, hay unas juntas tóricas de goma para hacer estanco el acoplamiento evitando fuga de líquido. Estas juntas están alojadas en una cavidad en el interior de los huecos cilíndricos de las pinzas y sobre estás juntas se desplazan los pistones/bombines, arrastrándolas en principio
Detalle ampliado de los elementos de frenos de disco de una rueda; se ve la pinza con los pistones/bombines en su interior, las juntas de estanqueidad y auto aproximación, las pastillas y el disco de freno a cierta distancia de las pastillas. Se ve en funcionamiento el freno de esta rueda
Las pastillas tienen un soporte metálico sobre el que empujan los pistones/bombines, por la otra parte de las pastillas hay material de fricción con determinado espesor, es la zona de rozamiento sobre los discos. Este material de fricción se va desgastando con el uso disminuyendo de espesor. Si el desgaste es total rozaría el soporte metálico sobre el disco deteriorándolo rápidamente, además no es eficiente la frenada
La presión del líquido de frenos que llega a las pinzas por el circuito hidráulico, sigue por canalizaciones internas hasta las superficies exteriores de los pistones/bombines
Al pisar el pedal de freno, el líquido transmite la presión hasta los pistones bombines
La presión del líquido empuja a los pistones/bombines que a su vez hacen lo mismo sobre las pastillas, al friccionar estas sobre las superficies del disco se produce la frenada

Se aprecia como al desplazarse los pistones/bombines arrastran a las juntas de estanqueidad, que se deforman al estar prisioneras en el interior de sus respectivos huecos en los cilindros de la pinza
Al soltar el pedal de frenos, el mínimo alabeo de diseño de los discos separa las pastillas
Al recuperar su forma las juntas de estanqueidad arrastran a los pistones/bombines a la posición de reposo
A continuación se ve el desgaste del material de fricción de las pastillas, disminuyendo de espesor
Este desgaste haría que las pastillas se fuesen separando de los discos, requiriendo más recorrido del pedal para frenar, pero no va a ser así
Según se van desgastando las pastillas aumenta el recorrido que han de hacer los pistones/bombines para que aquellas lleguen al disco, lo que implica que la deformación de las juntas de estanqueidad no es suficiente para los recorridos necesarios de los pistones/bombines, que en esta situación arrastran sobre las juntas de estanqueidad
Al dejar de frenar, el retorno de los pistones/bombines solamente puede ser el correspondiente a la recuperación de forma de las juntas de estanqueidad, lo que implica que los pistones/bombines quedan más hacia el exterior, manteniendo la distancia entre pastillas y disco, es el efecto de auto-aproximación producido por las juntas de estanqueidad

El circuito hidráulico de este automóvil es un esquema para las explicaciones.

Más adelante se representa el circuito hidráulico independiente en diagonal o “X” al ser el más utilizado.

Si tienes interés en conocer la evolución del circuito hidráulico de frenos en el automóvil lo puedes ver en el artículo “De los frenos hidráulicos a los eléctricos”, al final se da la fecha y sección de su publicación en el blog.

Auto-aproximación de pastillas por desgaste y nivel del líquido de frenos

El automóvil que vemos de frente tiene frenos de disco en las ruedas delanteras:

Se ven los discos, pastillas, pinzas, bombines/pistones, juntas de estanqueidad y auto-aproximación, además …
… el depósito de líquido de frenos resaltando el nivel, la bomba debajo y el circuito hidráulico a las pinzas. Tras la bomba se representa el servofreno
Actúan los frenos repetidamente y se aprecia el alabeo de los discos. El desgaste progresivo de las pastillas hace que los pistones/bombines se arrastren sobre las juntas de estanqueidad auto-aproximando las pastillas a los discos, es decir manteniendo constante la distancia
El desplazamiento de los pistones/bombines deja huecos en las cámaras opuestas a las pastillas, que es rellenado con líquido de frenos, descendiendo el nivel en el depósito
Se ve en detalle ampliado dos situaciones de estado de las pastillas; nuevas con el líquido a nivel máximo y desgastadas, con el líquido a nivel bastante más bajo
Al sustituir las pastillas gastadas por otras nuevas el líquido de frenos recupera el nivel en el depósito

Lo más frecuente es que el desgaste de los materiales de fricción de las pastillas no implique el descenso del líquido de frenos hasta el mínimo, suele quedar por encima.

Si llega al mínimo indica que probablemente hay fuga de líquido.

En este automóvil, y los demás de este artículo, se representan las pinzas con dos pistones o bombines, uno a cada lado, que se desplazan simultáneamente.

Circuito en diagonal “X” y detalle de auto-aproximación de pastillas por desgaste

Para estas explicaciones vamos a utilizar una vista en planta de este automóvil, comenzado por describir su implantación de frenos:

Discos en las cuatro ruedas
Circuitos hidráulicos independientes en diagonal o “X”; la bomba está dividida hidráulicamente en dos partes, en una están los conductos del circuito a la rueda delantera derecha y trasera izquierda y en la otra los conductos del circuito hidráulico a las otras dos ruedas
Se ve el funcionamiento de los frenos; el pedal de freno empuja a los pistones de los circuitos independientes en el interior de la bomba de frenos, con fuerza multiplicada por el servofreno, cada parte de la bomba envía el líquido a presión a sus pinzas, en el interior de estas los pistones/bombines empujan a las pastillas y estas friccionan sobre los discos, frenando el automóvil
Se han representado las juntas de estanqueidad y auto aproximación en las pinzas rodeando a los pistones/bombines
Se amplía la imagen del pistón/bombín exterior de la pinza delantera izquierda; llega líquido de frenos a presión, empuja al pistón/bombín, se deforma la junta de estanqueidad, pero el recorrido necesario hasta que la pastilla friccione con el disco es mayor haciendo que el pistón/bombín arrastre sobre la junta de estanqueidad
Al dejar de frenar la junta de estanqueidad recupera su forma arrastrando al pistón/bombín que queda más hacia el exterior, se ha aproximado la pastilla por su desgaste. Esta es la función de auto-aproximación de la junta de estanqueidad

Se ha representado un depósito de frenos para cada parte de la bomba, al estar dividida en dos partes independientes hidráulicamente pero que actúan mecánicamente a la vez se la denomina bomba tándem.

Puede ser así la aportación del líquido de frenos a la bomba tándem, con dos depósitos, o tener un único depósito tabicado en su interior para separar las cámaras la alimentación de líquido a cada parte de la bomba por conductos específicos.

Cada parte de la bomba tándem suministra líquido a las ruedas correspondientes de cada circuito independiente en “X”.

ABS y funcionamiento

Vamos a implantar en este automóvil el sistema antibloqueo de frenos ABS:

Discos en las cuatro ruedas
Los circuitos hidráulicos son independientes en “X”

Componentes del ABS:

Grupo electrohidráulico GEH; está intercalado en los circuitos hidráulicos entre la bomba de frenos y las pinzas en las ruedas
Electroválvulas E; están en el interior del GEH y son como grifos de paso entre la bomba de frenos y cada una de las pinzas en las ruedas. Pueden estar las electroválvulas E abiertas o cerradas, y funcionan por control electrónico
Calculador electrónico del ABS; controla la actuación del sistema antibloqueo de ruedas por frenada
Bomba eléctrica (BOMBA e); puede hacer retornar el líquido de frenos desde cada pinza a la bomba de frenos y reenviarlo de nuevo, rueda por rueda
Sensores de velocidad de ruedas; el ABS va a tratar de evitar el bloqueo de las ruedas en frenada, por lo que ha de saber la velocidad de cada rueda y su tendencia al bloqueo, es la función de los sensores de velocidad, punto de partida de la intervención del calculador del ABS

Se representa esta situación; ruedas del lado derecho sobre firme deslizante y las del lado izquierdo sobre suelo con más adherencia, así actúa el ABS en este caso.

Las informaciones de la tendencia al bloqueo de las ruedas al frenar provienen de los sensores de velocidad de cada una:

Ruedas del lado derecho; están sobre piso deslizante, al tender a bloquearse estas ruedas la BOMBA e hace retornar líquido de las pinzas de estas ruedas a la bomba de frenos, al volver a girar las ruedas envía la BOMBA e líquido de nuevo de la bomba de frenos a las pinzas, estas actuaciones son extremadamente rápidas e implican aperturas y cierres de las electroválvulas E de los circuitos de estas ruedas. Se repiten estas acciones hasta que en las ruedas desaparece la tendencia al bloqueo o se deja de frenar
Ruedas del lado izquierdo; al estar sobre firme con más adherencia la tendencia al bloqueo, si aparece, es menor, en este caso las electroválvulas E cierran para que no llegue más presión de líquido a las pinzas de estas ruedas, abriendo y cerrando según la tendencia se aproxime más o menos a posibles bloqueos de ruedas

El ABS evita el bloqueo de las ruedas al frenar:

Enviando líquido de frenos de (las pinzas de) las ruedas a la bomba (de frenos) → menos frenada
Enviando líquido de frenos de la bomba (de frenos) a (las pinzas de) las ruedas → más frenada
El ABS puede controlar la frenada de las ruedas, incluso sin que el conductor pise el pedal de freno

El ABS llegó al automóvil desde la aeronáutica y ha supuesto, como se anticipó en la introducción, un cambio trascendental en la seguridad activa o primaria.

La principal evolución ha sido el incremento de su frecuencia de actuación, desde 5 actuaciones por segundo a bastante más de 25, lo que ha permitido ampliar sus capacidades de control en situaciones de emergencia.

Hay artículos en el blog que tratan de estos temas, y habrá uno que desarrolle su evolución cronológica.

Auto-aproximación de pastillas por el ABS

Este automóvil tiene frenos de disco en las cuatro ruedas, los discos delanteros son ventilados y macizos los traseros
El circuito hidráulico es independiente en diagonal o “X”

Hay dos situaciones en las que el ABS puede auto-aproximar las pastillas a los discos, sin llegar a frenar ni que intervenga el conductor:

Circulando con el pedal del acelerador pisado, se suelta este bruscamente …
… el ABS auto-aproxima las pastillas a los discos, lo más posible sin frenar, pues la brusca deceleración puede ir seguida de actuación sobre el pedal de freno …
… si se frena la respuesta es más rápida al estar los frenos preparados
Si no se actúa sobre el pedal de freno, el ABS tras unos instantes de espera recupera la posición normal de las pastillas
Circulando comienza a llover
El ABS lo detecta por la entrada en acción, manual o automáticamente (si el coche tiene sensor de lluvia), de los limpiaparabrisas
Mientras actúan los limpiaparabrisas el ABS realiza secuencias de auto-aproximación de las pastillas intermitentemente, sin llegar a frenar, para secar los discos y tener mejor respuesta si se ha de frenar
El ABS puede accionar los frenos para colaborar con la seguridad activa o primaria en otras situaciones. En las que se han explicado el ABS se ha limitado a auto aproximar las pastillas, sin llegar a frenar de forma efectiva

Como complemento de información, que se puede ampliar en otros artículos del blog, estas son actuaciones del ABS en las que acciona los frenos. Las siglas son las que utilizamos en nuestras publicaciones:

Regulador electrónico de frenada trasera ReFt; reparte la frenada entre las ruedas de cada eje según su adherencia
Control de frenada en curva CRF; frena antes y más las ruedas que reducen la tendencia al sobreviraje
Potenciador de frenada de emergencia PFE; mantiene la máxima capacidad de frenada, aunque el conductor no actúe con la fuerza requerida
Control de tracción en aceleración CTA; reduce la tendencia al deslizamiento de las ruedas motrices por exceso de aceleración
Control de retención motor CRM; lo incluimos, pero el ABS no interviene actuando sobre los frenos, se acelera el motor. Se hace por la inter actuación de los calculadores electrónicos del ABS y del motor en función de las informaciones de los sensores de velocidad de las ruedas motrices
Control de estabilidad y trayectoria en curva CETC; compensa, si es posible, la pérdida de trayectoria en curva por sobreviraje o subviraje
Control de descenso de pendientes CDP; permite bajar pendientes a reducida velocidad manteniendo la trayectoria, tanto hacia adelante como marcha atrás
Control antivuelco CAV.; si hay tendencia a volcar actúa sobre los frenos y acelerador para tratar de evitarlo
Control de arranque en subida; mantiene frenadas las ruedas unos instantes tras soltar el pedal de freno, o cuando comienzan a girar las motrices
Compensación puntual de fading de pastillas; aporta la fuerza adicional necesaria para compensar la cristalización de la superficie de las pastillas

La inter-conexión entre los calculadores electrónicos del automóvil para, prácticamente todas sus funciones, permite controles combinados para facilitar tanto la conducción que llegan a ser activos, hace lo que no ha hecho el conductor para solventar una situación más o menos crítica, no lo sabe o no lo puede hacer.

Es una parte del camino hacia el coche autónomo.

Otros enlaces

Los frenos. Sistemas de mando y asistencia