Freno

Freno de disco en una moto

Un freno es un dispositivo mecánico que inhibe el movimiento absorbiendo energía de un sistema en movimiento. Se utiliza para reducir la velocidad o detener un vehículo, una rueda o un eje en movimiento, o para evitar su movimiento, lo que se logra con mayor frecuencia por medio de la fricción.

Antecedentes

La mayoría de los frenos suelen utilizar la fricción entre dos superficies presionadas para convertir la energía cinética del objeto en movimiento en calor, aunque se pueden emplear otros métodos de conversión de energía. Por ejemplo, el frenado regenerativo convierte gran parte de la energía en energía eléctrica, que puede almacenarse para su uso posterior. Otros métodos convierten la energía cinética en energía potencial en formas almacenadas como aire presurizado o aceite presurizado. Los frenos de corrientes de Foucault utilizan campos magnéticos para convertir la energía cinética en corriente eléctrica en el disco, la aleta o el riel del freno, que se convierte en calor. Otros métodos de frenado aún transforman la energía cinética en diferentes formas, por ejemplo, transfiriendo la energía a un volante giratorio.

Los frenos generalmente se aplican a ruedas o ejes giratorios, pero también pueden adoptar otras formas, como la superficie de un fluido en movimiento (aletas desplegadas en el agua o el aire). Algunos vehículos utilizan una combinación de mecanismos de frenado, como los coches de carreras de arrastre con frenos de rueda y paracaídas, o aviones con frenos de rueda y flaps de arrastre levantados en el aire durante el aterrizaje.

Puesto que la energía cinética aumenta cuadráticamente con velocidad (K=mv2/2{displaystyle K=mv^{2}/2}), un objeto que se mueve a 10 m/s tiene 100 veces más energía que una de la misma masa que se mueve a 1 m/s, y consecuentemente la distancia teórica de frenado, al frenado en el límite de tracción, es hasta 100 veces más largo. En la práctica, los vehículos rápidos generalmente tienen un arrastre de aire significativo, y la energía perdida para el arrastre del aire aumenta rápidamente con velocidad.

Casi todos los vehículos con ruedas tienen algún tipo de freno. Incluso los carros de equipaje y los carros de la compra pueden tenerlos para su uso en una rampa móvil. La mayoría de los aviones de ala fija están equipados con frenos de rueda en el tren de aterrizaje. Algunas aeronaves también cuentan con frenos de aire diseñados para reducir su velocidad en vuelo. Los ejemplos notables incluyen planeadores y algunos aviones de la era de la Segunda Guerra Mundial, principalmente algunos aviones de combate y muchos bombarderos en picado de la época. Estos permiten que la aeronave mantenga una velocidad segura en un descenso pronunciado. El bombardero en picado Saab B 17 y el caza Vought F4U Corsair utilizaron el tren de aterrizaje desplegado como freno de aire.

Los frenos de fricción en los automóviles almacenan el calor de frenado en el freno de tambor o el freno de disco mientras se frena y luego lo conducen al aire gradualmente. Al viajar cuesta abajo, algunos vehículos pueden usar sus motores para frenar.

Cuando el pedal de freno de un vehículo moderno con frenos hidráulicos se empuja contra el cilindro maestro, finalmente un pistón empuja la pastilla de freno contra el disco de freno, lo que reduce la velocidad de la rueda. En el tambor de freno es similar, ya que el cilindro empuja las zapatas de freno contra el tambor, lo que también reduce la velocidad de la rueda.

Tipos

Rendering of a drum freno

Freno de caliper de bicicleta giratoria simple

Los frenos pueden describirse en términos generales como el uso de fricción, bombeo o electromagnético. Un freno puede usar varios principios: por ejemplo, una bomba puede pasar fluido a través de un orificio para crear fricción:

Fricción

sistema de frenado típico para coches:
FAD: Brake disc front
FPD: Retrocede disco freno
FPT: Rear freno tambor
CF: Control de freno
SF: freno de servo
PF: Bomba de freno
SLF: Brake Fluid Reservoir
RF: frenado separador
FS: freno de estacionamiento

Los frenos de fricción son los más comunes y se pueden dividir ampliamente en "zapata" o "almohadilla" frenos, que usan una superficie de desgaste explícita, y frenos hidrodinámicos, como los paracaídas, que usan fricción en un fluido de trabajo y no se desgastan explícitamente. Normalmente, el término "freno de fricción" se usa para indicar frenos de zapata/pastilla y excluye los frenos hidrodinámicos, aunque los frenos hidrodinámicos usan fricción. Los frenos de fricción (almohadilla/zapata) a menudo son dispositivos giratorios con una almohadilla estacionaria y una superficie de desgaste giratoria. Las configuraciones comunes incluyen zapatas que se contraen para frotar el exterior de un tambor giratorio, como un freno de banda; un tambor giratorio con zapatas que se expanden para frotar el interior de un tambor, comúnmente llamado "freno de tambor", aunque son posibles otras configuraciones de tambor; y pastillas que aprietan un disco giratorio, comúnmente llamado "freno de disco". Se utilizan otras configuraciones de freno, pero con menos frecuencia. Por ejemplo, los frenos de trole PCC incluyen una zapata plana que se sujeta al riel con un electroimán; el freno Murphy aprieta un tambor giratorio y el freno de disco Ausco Lambert utiliza un disco hueco (dos discos paralelos con un puente estructural) con zapatas que se asientan entre las superficies del disco y se expanden lateralmente.

Un freno de tambor es un freno de vehículo en el que la fricción la provoca un juego de zapatas de freno que presionan contra la superficie interna de un tambor giratorio. El tambor está conectado al cubo de la rueda de carretera giratoria.

Los frenos de tambor generalmente se pueden encontrar en modelos de automóviles y camiones más antiguos. Sin embargo, debido a su bajo costo de producción, las configuraciones de frenos de tambor también se instalan en la parte trasera de algunos vehículos más nuevos de bajo costo. En comparación con los frenos de disco modernos, los frenos de tambor se desgastan más rápido debido a su tendencia a sobrecalentarse.

El freno de disco es un dispositivo para desacelerar o detener la rotación de una rueda de carretera. Un disco de freno (o rotor en inglés estadounidense), generalmente hecho de hierro fundido o cerámica, está conectado a la rueda o al eje. Para detener la rueda, el material de fricción en forma de pastillas de freno (montadas en un dispositivo llamado pinza de freno) se fuerza mecánica, hidráulica, neumática o electromagnéticamente contra ambos lados del disco. La fricción hace que el disco y la rueda acoplada disminuyan la velocidad o se detengan.

Bombeo

Los frenos de bombeo se utilizan a menudo cuando una bomba ya forma parte de la maquinaria. Por ejemplo, un motor de pistón de combustión interna puede detener el suministro de combustible y luego las pérdidas internas de bombeo del motor crean algo de frenado. Algunos motores usan una anulación de válvula llamada freno Jake para aumentar en gran medida las pérdidas por bombeo. Los frenos de bombeo pueden descargar energía en forma de calor o pueden ser frenos regenerativos que recargan un depósito de presión llamado acumulador hidráulico.

Electromagnética

Los frenos electromagnéticos también se utilizan a menudo cuando un motor eléctrico ya forma parte de la maquinaria. Por ejemplo, muchos vehículos híbridos gasolina/eléctricos utilizan el motor eléctrico como generador para cargar baterías eléctricas y también como freno regenerativo. Algunas locomotoras de ferrocarril diésel/eléctricas utilizan motores eléctricos para generar electricidad que luego se envía a un banco de resistencias y se descarga como calor. Algunos vehículos, como algunos autobuses de tránsito, aún no tienen un motor eléctrico pero usan un "retardador" secundario. freno que es efectivamente un generador con un cortocircuito interno. Los tipos relacionados de frenos de este tipo son los frenos de corrientes parásitas y los frenos electromecánicos (que en realidad son frenos de fricción impulsados magnéticamente, pero hoy en día a menudo también se denominan "frenos electromagnéticos").

Los frenos electromagnéticos reducen la velocidad de un objeto a través de la inducción electromagnética, que crea resistencia y, a su vez, calor o electricidad. Los frenos de fricción aplican presión sobre dos objetos separados para reducir la velocidad del vehículo de manera controlada.

Características

Los frenos a menudo se describen según varias características, entre ellas:

• Fuerza de pico – La fuerza máxima es el efecto de aceleración máximo que se puede obtener. La fuerza máxima es a menudo mayor que el límite de tracción de los neumáticos, en cuyo caso el freno puede causar una rueda de esquí.
• Disipación de potencia continua – Los frenos suelen ponerse calientes y fracasar cuando la temperatura es demasiado alta. La mayor cantidad de potencia (energía por unidad de tiempo) que puede ser disipada a través del freno sin falla es la disipación de potencia continua. La disipación de energía continua depende a menudo de, por ejemplo, la temperatura y la velocidad del aire de refrigeración ambiente.
• Fade – Como un freno calienta, puede ser menos eficaz, llamado freno descolorido. Algunos diseños son inherentemente propensos a desvanecerse, mientras que otros diseños son relativamente inmunes. Además, utilizar consideraciones, como el enfriamiento, a menudo tienen un gran efecto en la moda.
• Smoothness – Un freno que es agarrado, pulsos, tiene chatter, o ejerce de otra manera fuerza de freno variable puede llevar a esquiar. Por ejemplo, las ruedas ferroviarias tienen poca tracción, y los frenos de fricción sin un mecanismo antideslizante suelen llevar a esquiados, lo que aumenta los costos de mantenimiento y conduce a una sensación de "golpe" para los corredores dentro.
• Poder – Los frenos a menudo se describen como "poderosos" cuando una pequeña fuerza de aplicación humana conduce a una fuerza de frenado que es más alta que la típica para otros frenos en la misma clase. Esta noción de "poderoso" no se relaciona con la continua disipación de energía, y puede ser confuso en que un freno puede ser "poderoso" y freno fuertemente con una suave aplicación de freno, sin embargo tienen una fuerza pico más baja (pequeña) que un freno menos "poderoso".
• Sentido de pedal – La sensación del pedal del freno abarca la percepción subjetiva de la salida de la potencia del freno como una función de desplazamiento del pedal. El viaje pedagógico está influenciado por el desplazamiento fluido del freno y otros factores.
• Drag – Los frenos tienen una cantidad variada de arrastre en la condición fuera del freno dependiendo del diseño del sistema para dar cabida al cumplimiento total del sistema y la deformación que existe bajo el freno de la capacidad de retraer el material de fricción de la superficie de frotación en la condición fuera del freno.
• Durabilidad – Los frenos de fricción tienen superficies de desgaste que deben renovarse periódicamente. Las superficies de desgaste incluyen los zapatos de freno o las almohadillas, así como el disco de freno o el tambor. Puede haber desvíos, por ejemplo, una superficie de desgaste que genera fuerza máxima alta también puede usarse rápidamente.
• Peso – Los frenos son a menudo "peso añadido" en que no sirven ninguna otra función. Además, los frenos a menudo se montan en ruedas, y el peso desplegable puede dañar significativamente la tracción en algunas circunstancias. "Peso" puede significar el freno en sí, o puede incluir la estructura de soporte adicional.
• Noise – Los frenos suelen crear algún ruido menor cuando se aplica, pero a menudo crean ruidos esqueales o de rectificado que son bastante ruidosos.

Componentes de cimentación

Los componentes básicos son los componentes del conjunto de frenos en las ruedas de un vehículo, llamados así por formar la base del resto del sistema de frenos. Estas partes mecánicas contenidas alrededor de las ruedas están controladas por el sistema de frenos de aire.

Los tres tipos de sistemas de frenos básicos son los frenos de leva en "S", los frenos de disco y los frenos de cuña.

Impulso de freno

Un impulsor de freno de una tormenta geométrica.

La mayoría de los vehículos de pasajeros modernos y las furgonetas ligeras utilizan un sistema de frenado asistido por vacío que aumenta considerablemente la fuerza que el operador aplica a los frenos del vehículo. Esta fuerza adicional es suministrada por el vacío del colector generado por el flujo de aire obstruido por el acelerador en un motor en marcha. Esta fuerza se reduce considerablemente cuando el motor está funcionando con el acelerador completamente abierto, ya que la diferencia entre la presión del aire ambiental y la presión del aire del colector (absoluta) se reduce y, por lo tanto, el vacío disponible disminuye. Sin embargo, los frenos rara vez se aplican a toda velocidad; el conductor quita el pie derecho del pedal del acelerador y lo mueve al pedal del freno, a menos que se use el freno con el pie izquierdo.

Debido al bajo vacío a altas RPM, los informes de aceleración involuntaria a menudo van acompañados de quejas de frenos defectuosos o debilitados, ya que el motor de altas revoluciones, con el acelerador abierto, no puede proporcionar suficiente vacío para impulsar el servofreno. Este problema se agrava en los vehículos equipados con transmisiones automáticas, ya que el vehículo cambiará automáticamente a una marcha inferior al aplicar los frenos, aumentando así el par entregado a las ruedas motrices en contacto con la superficie de la carretera.

Los vehículos de carretera más pesados, así como los trenes, suelen aumentar la potencia de los frenos con aire comprimido, suministrado por uno o más compresores.

Ruido

La palanca de freno en un oído tirado de caballo

Aunque idealmente un freno convertiría toda la energía cinética en calor, en la práctica una cantidad significativa puede convertirse en energía acústica, lo que contribuye a la contaminación acústica.

Para los vehículos de carretera, el ruido producido varía significativamente según la construcción de los neumáticos, la superficie de la carretera y la magnitud de la desaceleración. El ruido puede ser causado por diferentes cosas. Estas son señales de que puede haber problemas con el desgaste de los frenos con el tiempo.

Incendios

El mal funcionamiento de los frenos de los trenes puede producir chispas y provocar incendios forestales. En algunos casos muy extremos, los frenos de disco pueden ponerse al rojo vivo e incendiarse. Esto sucedió en el GP de Toscana, cuando el automóvil Mercedes, el W11, tenía sus frenos de disco de carbono delanteros casi estallando en llamas, debido a la baja ventilación y el alto uso. Estos incendios también pueden ocurrir en algunas camionetas Mercedes Sprinter, cuando el sensor de ajuste de carga se agarrota y los frenos traseros tienen que compensar a los delanteros.

Ineficiencia

Siempre se pierde una cantidad significativa de energía al frenar, incluso con el frenado regenerativo que no es perfectamente eficiente. Por lo tanto, una buena métrica del uso eficiente de la energía mientras se conduce es observar cuánto se está frenando. Si la mayor parte de la desaceleración se debe a la fricción inevitable en lugar del frenado, se está exprimiendo la mayor parte del servicio del vehículo. Minimizar el uso de los frenos es uno de los comportamientos que maximizan el ahorro de combustible.

Si bien siempre se pierde energía durante un evento de frenado, un factor secundario que influye en la eficiencia es la "resistencia al frenar", o la resistencia que ocurre cuando el freno no se acciona intencionalmente. Después de un evento de frenado, la presión hidráulica cae en el sistema, lo que permite que los pistones de la pinza de freno se retraigan. Sin embargo, esta retracción debe acomodar todo el cumplimiento en el sistema (bajo presión), así como la distorsión térmica de componentes como el disco de freno o el sistema de freno se arrastrará hasta que el contacto con el disco, por ejemplo, haga retroceder las pastillas y los pistones del superficie de frotamiento. Durante este tiempo, puede haber un arrastre significativo de los frenos. Este arrastre de los frenos puede provocar una pérdida de potencia parásita significativa, lo que afecta el ahorro de combustible y el rendimiento general del vehículo.

Historia

Sistema de frenos temprano

En la década de 1890, los frenos de bloque de madera quedaron obsoletos cuando los hermanos Michelin introdujeron las llantas de goma.

Durante la década de 1960, algunos fabricantes de automóviles reemplazaron los frenos de tambor por frenos de disco.

Sistema de freno electrónico

En 1966, el ABS se instaló en el gran turismo Jensen FF.

En 1978, Bosch y Mercedes actualizaron su sistema de frenos antibloqueo de 1936 para el Mercedes Clase S. Ese ABS es un sistema totalmente electrónico, en las cuatro ruedas y multicanal que luego se convirtió en estándar.

En 2005, ESC, que aplica automáticamente los frenos para evitar la pérdida del control de la dirección, se volvió obligatorio para los transportistas de mercancías peligrosas sin registradores de datos en la provincia canadiense de Quebec.

Desde 2017, numerosos países de la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (CEPE) utilizan Brake Assist System (BAS), una función del sistema de frenado que deduce un evento de frenado de emergencia a partir de una característica del conductor. 39; s demanda de freno y bajo tales condiciones ayudar al conductor a mejorar el frenado.

En julio de 2013, se promulgó la regulación de vehículos 131 de la UNECE. Este reglamento define los sistemas avanzados de frenado de emergencia (AEBS) para que los vehículos pesados detecten automáticamente una posible colisión frontal y activen el sistema de frenado del vehículo.

El 23 de enero de 2020 se promulgó el reglamento de vehículos 152 de la CEPE, que define los sistemas avanzados de frenado de emergencia para vehículos ligeros.

A partir de mayo de 2022, en la Unión Europea, por ley, los nuevos vehículos contarán con un sistema avanzado de frenado de emergencia.