Pastilla de freno
Las pastillas de freno son un componente de los frenos de disco que se utilizan en automóviles y otras aplicaciones. Las pastillas de freno están compuestas por placas de soporte de acero con material de fricción adherido a la superficie que mira hacia los rotores del freno de disco.
Función
Las pastillas de freno convierten la energía cinética de un vehículo en energía térmica a través de la fricción. Dos pastillas de freno están contenidas en el freno con sus superficies de fricción orientadas hacia el rotor. Cuando se aplican los frenos hidráulicamente, la pinza sujeta o aprieta las dos pastillas juntas sobre el rotor giratorio para reducir la velocidad y detener el vehículo. Cuando una pastilla de freno se calienta debido al contacto con el rotor, transfiere pequeñas cantidades de su material de fricción al disco, dejando una capa gris opaca sobre él. La pastilla de freno y el disco (que ahora tienen ambos el material de fricción) se "pegan" entre sí, lo que proporciona la fricción que detiene el vehículo.
En los frenos de disco, normalmente hay dos pastillas de freno por rotor de disco, ambas funcionan juntas. Estas se mantienen en su lugar y se accionan mediante una pinza fijada al cubo de la rueda o al montante de la suspensión. Las pinzas de competición, sin embargo, pueden utilizar hasta seis pastillas, con diferentes propiedades de fricción en un patrón escalonado para un rendimiento óptimo. Dependiendo de las propiedades del material, el peso del vehículo y las velocidades a las que se conduce, las tasas de desgaste del disco pueden variar. Las pastillas de freno generalmente deben reemplazarse regularmente (dependiendo del material de la pastilla). La mayoría de las pastillas de freno están equipadas con un método para alertar al conductor cuando esto debe hacerse. Una técnica común es fabricar una pequeña ranura central cuya eventual desaparición por desgaste indica el final de la vida útil de una pastilla. Otros métodos incluyen colocar una tira delgada de metal blando en una ranura, de modo que cuando se exponga (debido al desgaste) los frenos chirríen de manera audible. También se puede incrustar una pestaña de desgaste de metal blando en el material de la pastilla que cierra un circuito eléctrico cuando la pastilla de freno se desgasta, lo que enciende una luz de advertencia en el tablero.
Historia
El concepto de las pastillas de freno o frenos de disco como alternativa a los frenos de tambor ya existía desde que F. W. Lanchester patentó el vehículo en 1902. Sin embargo, debido a su elevado coste y a su ineficiencia en comparación con los frenos de tambor, no se empezaron a utilizar de forma generalizada hasta después de la Segunda Guerra Mundial. Una vez que la tecnología de los frenos de disco mejoró, el rendimiento de los frenos superó rápidamente al de los frenos de tambor. La diferencia de rendimiento se hizo patente en 1953, cuando un Jaguar equipado con pastillas de freno ganó la carrera de resistencia del Gran Premio de las 24 horas de Le Mans. El éxito del Jaguar se atribuye habitualmente a los frenos de disco del coche, que permitían a los conductores acercarse a las curvas más rápido y frenar más tarde que sus oponentes, lo que en última instancia condujo a su victoria. En 1963, la mayoría de los automóviles que utilizaban frenos de disco eran de fabricación europea, y los coches estadounidenses adoptaron la tecnología a finales de los años 60 tras la invención de las pinzas fijas, que hicieron que la instalación fuera más barata y más compacta.
Tecnología
Ventajas del freno de disco
Los frenos de disco ofrecen un mejor rendimiento de frenado en comparación con los frenos de tambor. Ofrecen una mejor resistencia al "desvanecimiento de los frenos" causado por el sobrecalentamiento de las pastillas de freno y también pueden recuperarse rápidamente de la inmersión (los frenos húmedos son menos efectivos). A diferencia de un freno de tambor, un freno de disco no tiene un efecto de servofreno: la fuerza de frenado siempre es proporcional a la presión aplicada en la palanca del pedal de freno. Sin embargo, muchos sistemas de frenos de disco tienen asistencia servo ("Brake Booster") para reducir el esfuerzo del conductor sobre el pedal.
Las pastillas de freno de disco son más fáciles de inspeccionar y reemplazar que los forros de fricción de los frenos de tambor.
Tipos
Existen numerosos tipos de pastillas de freno, según el uso previsto del vehículo, desde las más blandas y agresivas (como las de competición) hasta las más duras, más duraderas y menos agresivas. La mayoría de los fabricantes de vehículos recomiendan un tipo específico de pastilla de freno para su vehículo, pero los compuestos se pueden cambiar (ya sea comprando una marca de pastilla diferente o actualizando a una pastilla de alto rendimiento de la gama de un fabricante) según los gustos personales y los estilos de conducción. Siempre hay que tener cuidado al comprar pastillas de freno no estándar, ya que los rangos de temperatura de funcionamiento pueden variar, como por ejemplo, que las pastillas de alto rendimiento no frenen de manera eficiente cuando están frías o que las pastillas estándar se debiliten con una conducción intensa. En los coches que sufren un desgaste excesivo de los frenos, el problema se puede minimizar instalando pastillas de freno de mejor calidad y más agresivas.
Materiales
Las características más importantes que se tienen en cuenta a la hora de seleccionar el material de las pastillas de freno son las siguientes:
- La capacidad del material para resistir la decoloración del freno, causada por un aumento de temperatura el material experimentará de la conversión de energía cinética en energía térmica.
- Los efectos de la humedad en la decoloración del freno. Todos los frenos están diseñados para soportar al menos la exposición temporal al agua.
- La capacidad de recuperarse rápidamente del aumento de temperatura o humedad, y exhibir aproximadamente los mismos niveles de fricción en cualquier punto del proceso de secado o refrigeración.
- El coeficiente de fricción de las modernas pastillas de freno debe ser lo suficientemente bajo para evitar el bloqueo de las ruedas pero lo suficientemente alto para proporcionar suficiente poder de parada. Los coeficientes de fricción son típicamente entre 0,3 y 0,5 para materiales de freno.
- La capacidad de resistir el desgaste debido a la fricción, pero no en la medida en que el desgaste del rotor ocurre más rápidamente que el material de freno se sacrifica.
- La capacidad del material para proporcionar un contacto suave e incluso con el rotor o el tambor, en lugar de un material que se rompe en pedazos o causa agujeros, dentaduras u otros daños a la superficie en contacto.
- La capacidad de aplicar la fuerza friccional apropiada mientras también opera en silencio.
Otro requisito del material que se tiene en cuenta es la compresibilidad de las pastillas de freno; si son demasiado compresibles, el recorrido del freno o el desplazamiento del líquido del servofreno pueden ser excesivos. El material de las pastillas de freno también debe ser poroso para minimizar el efecto que tiene el agua sobre el coeficiente de fricción.
El amianto se añadió como ingrediente habitual a las pastillas de freno después de la Primera Guerra Mundial, cuando la velocidad de los coches empezó a aumentar, porque las investigaciones demostraron que sus propiedades le permitían absorber el calor (que puede alcanzar los 260 °C) y al mismo tiempo proporcionar la fricción necesaria para detener un vehículo. Sin embargo, cuando los graves riesgos para la salud del amianto empezaron a hacerse evidentes, hubo que encontrar otros materiales. Las pastillas de freno de amianto han sido sustituidas en gran medida por materiales orgánicos sin amianto (NAO) en los países del primer mundo. Hoy en día, los materiales de las pastillas de freno se clasifican en una de las cuatro categorías principales siguientes:
- Materiales no metálicos – estas están hechas de una combinación de varias sustancias sintéticas unidas en un compuesto, principalmente en forma de celulosa, aramid, PAN y vidrio sinterizado. Son suaves en los rotores, pero producen una cantidad justa de polvo, teniendo así una corta vida de servicio.
- Materiales semimetálicos – sintéticos mezclados con diferentes proporciones de metales revueltos. Estas son más duras que las almohadillas no metálicas, más resistentes a la moda y más duraderas, pero a costa de un mayor desgaste al rotor/drum que luego debe ser reemplazado antes. También requieren una fuerza más accionante que las almohadillas no metálicas para generar par de frenado.
- Materiales metálicos completos – estas almohadillas se utilizan sólo en vehículos de carreras, y se componen de acero sinterizado sin ningún aditivo sintético. Son muy largas, pero requieren más fuerza para frenar un vehículo mientras se usa los rotores más rápido. También tienden a ser muy ruidosos.
- Materiales de cerámica – Compuestos de arcilla y porcelana unidos a copos de cobre y filamentos, estos son un buen compromiso entre la durabilidad de las almohadillas metálicas, el agarre y la resistencia a la moda de la variedad sintética. Su principal inconveniente, sin embargo, es que a diferencia de los tres tipos anteriores, a pesar de la presencia del cobre (que tiene una alta conductividad térmica), las almohadillas cerámicas generalmente no disipan el calor bien, que puede eventualmente causar las almohadillas u otros componentes del sistema de frenado a warp. Sin embargo, debido a que los materiales cerámicos hacen que el sonido del freno sea elevado más allá de la de la audición humana, parecen excepcionalmente silenciosos.
La resina de fenol formaldehído se utiliza con frecuencia como agente aglutinante. El grafito puede servir como material de fricción y como agente aglutinante. Otro material de fricción que se utiliza habitualmente es el silicato de circonio. Un fabricante italiano está realizando una investigación para utilizar el cemento como agente aglutinante barato y que consume menos energía. La siguiente tabla describe la composición de una pastilla de freno común.
| Constituyente | % en peso |
| Whiting (Chalk) | 31.6 |
| Polvo de bronce | 15 |
| Gráfico | 10 |
| Vermiculite | 16 |
| Resina fenólica | 16 |
| Fibras de acero | 6 |
| Partículas de goma | 5 |
| "Friction Dust" | 5 |
| Sand | 3 |
| Fibras aramid | 2 |
Existen factores ambientales que determinan la selección de los materiales de las pastillas de freno. Por ejemplo, el proyecto de ley SSB 6557 aprobado en el estado de Washington en 2010 limita la cantidad de cobre que se permite utilizar en los materiales de fricción, que con el tiempo se reducirá a cantidades mínimas, debido al impacto negativo de los altos niveles de cobre en la vida acuática. Para su sustitución, se han desarrollado diferentes combinaciones de materiales, aunque todavía no se dispone de ningún sustituto directo. Se están estudiando otros materiales, como los compuestos hechos con antimonio.
Los vehículos tienen diferentes requisitos de frenado. Los materiales de fricción ofrecen fórmulas y diseños específicos para cada aplicación. Las pastillas de freno con un coeficiente de fricción más alto proporcionan un buen frenado con un menor requisito de presión en el pedal de freno, pero tienden a perder eficiencia a temperaturas más altas. Las pastillas de freno con un coeficiente de fricción más bajo y constante no pierden eficiencia a temperaturas más altas y son estables, pero requieren una mayor presión en el pedal de freno.
Mantenimiento y solución de problemas
Las pastillas de freno deben revisarse al menos cada 5000 millas para detectar desgaste excesivo o irregular. Si bien el desgaste de las pastillas de freno es exclusivo de cada vehículo, generalmente se recomienda reemplazarlas cada 50 000 millas, mientras que los discos de freno (o rotores) suelen durar más y deben reemplazarse cada 70 000 millas.
Los fallos en las pastillas de freno pueden tener muchos efectos en el rendimiento de un vehículo. En el siguiente cuadro se describen algunos problemas comunes que pueden ser causados por el mal funcionamiento de las pastillas de freno:
| Cuestión | Posible causa |
|---|---|
| El freno requiere una cantidad anormal de fuerza en pedal de freno | Almohadillas de freno, líquido de freno contaminado, caliper de freno defectuoso, cilindro maestro defectuoso, pérdida de vacío, pérdida de líquido de freno |
| El coche tira a un lado cuando se frena | Calibrador de freno predeterminado, restricción en sistema hidráulico, forro de freno(s) contaminado con aceite o líquido de freno, almohadillas de freno no reemplazadas en pares, almohadilla de freno no equipada correctamente, |
| Pobre rendimiento de frenado | forro de almohadillas empapadas con agua, aceite o líquido de freno; revestimientos de frenos sobrecalentados, pads de frenos usados, cilindro maestro defectuoso, fuga de líquido de freno, aire en fluido de freno, zapatos de freno ajustados mal, fluido de freno hirviendo |
| Frenado sensible | revestimientos incorrectos de freno; revestimientos de frenos grasosos, válvula proporcional defectuosa, empuje de cilindro maestro ajustado mal |
| Frenado ruidoso (grinding o sonidos chillidos cuando se frena) | Almohadillas de frenos desgastadas extremamente, almohadillas de freno no ajustadas correctamente, defectuosas o faltantes, indicador de desgaste de la almohadilla de freno |
| Vibración bajo frenado | Rotores o almohadillas contaminadas, rotores de guerra, de tambores redondos, activación ABS |
Pruebas de materiales
La Oficina Nacional de Normas (NBS) comenzó a realizar pruebas de materiales para frenos en los EE. UU. en 1920. Luego, la configuración de prueba se compartió con los fabricantes que la querían para que pudieran comenzar a probar sus propios productos. Con el tiempo, la NBS continuó desarrollando nuevos instrumentos y procedimientos para probar pastillas y revestimientos, y estas normas finalmente se convirtieron en las normas para el Código de seguridad para frenos y pruebas de frenos del Comité de Normas de Ingeniería Estadounidense.
La prueba SAE J661 se utiliza para determinar la fricción de diferentes materiales de pastillas de freno probando un revestimiento cuadrado de 1 pulgada (25 mm) con un tambor de freno. Esta prueba arroja valores para coeficientes de fricción en caliente y en frío, que luego se combinan con designaciones de letras. La siguiente tabla describe qué letra corresponde a cada rango de coeficiente de fricción. Un ejemplo de la designación sería "GD", donde "G" es el coeficiente normal, mientras que "D" representa el coeficiente calentado.
| Designación de cartas para coeficientes de fricción | |
| C | , párrafo 15 |
| D | 0,15 a 0,25 |
| E | 0,25 a 0,35 |
| F | 0,35 a 0,45 |
| G | 0,45 a 0,55 |
| H | √0.50 |
| Z | no clasificado |
Catálogo
Existen diferentes sistemas para la catalogación de las pastillas de freno. El sistema más utilizado en Europa es el sistema de numeración WVA.
El sistema de catalogación utilizado en América del Norte y reconocido en todo el mundo es el sistema de numeración de piezas estandarizado para frenos y revestimientos de embrague emitido por el Friction Materials Standards Institute (FMSI). La misión del FMSI es "mantener y mejorar este sistema de numeración de piezas estandarizado para todos los vehículos de carretera en uso en América del Norte".
Cartucho de freno
Un tipo de pastilla de freno que se utiliza en los frenos de llanta.
Véase también
- Forro de freno
- Zapato de freno
- Indicador de desgaste de freno
- Motor frenado
- Freno electromagnético
- Lista de piezas de automóviles
Referencias
- ^ Henderson, Bob; Haynes, John H. (1994). "Disc Brakes". El manual de frenos automáticos Haynes. Haynes North America. pp. 1–20.
- ^ Newcomb, T. P. (1989). Historia técnica del automotor. Spurr, R. T. Bristol, Inglaterra: A. Hilger. ISBN 0852740743. OCLC 18984114.
- ^ a b c Mamá, Gijs, 1949- (2014). La evolución de la tecnología automotriz: un manual. Warrendale, Pennsylvania. ISBN 9780768080278. OCLC 883510695.
{{cite book}}: CS1 maint: localización editor desaparecido (link) CS1 maint: multiple names: author list (link) CS1 maint: numeric names: author list (link) - ^ Tremayne, David. (2009). La ciencia del diseño de Fórmula 1: análisis experto de la anatomía del coche Grand Prix moderno (3a edición). Sparkford, NR Yeovil, Somerset, UK: Haynes Pub. ISBN 9781844257188. OCLC 430838880.
- ^ a b c d e f Cliff Owen (21 de junio de 2010). Técnico de hoy: Automotive Brake Systems Classroom and Shop Manual. Cengage Learning. pp. 27–28. ISBN 978-1-4354-8655-3.
- ^ a b c d e f g h Nunney, M. J. (Malcolm James) (1998). Tecnología automotriz. Society of Automotive Engineers. (3rd ed.). Warrendale, PA: SAE. ISBN 0768002737. OCLC 40160726.
- ^ a b c d Limpert, Rudolf. (1999). Diseño de freno y seguridad (2a edición). Warrendale, Pa.: Sociedad de Ingenieros Automotores. ISBN 1560919159. OCLC 40479691.
- ^ a b Crouse, William Harry (1971). Chasis y cuerpo automotriz: construcción, operación y mantenimiento (4a edición). Nueva York: McGraw-Hill. ISBN 007014690X. OCLC 136535.
- ^ a b c Elmarakbi, Ahmed. (2013). Materiales compuestos avanzados para aplicaciones automotrices: integridad estructural y crashworthiness. Wiley. ISBN 9781118535271. OCLC 861080217.
- ^ Owen 2010 p162
- ^ Entrada en pastillas de freno (Bremsbelag) en Kfz-Tech.de
- ^ Ensayo Forschungsprojekt Cobra - Die Bremse der Zukunft besteht aus Zement, Febrero 2015 en: Ingenieur.de
- ^ "Limiting the use of certain substances in freno friction material. SB 6557 - 2009-10". apps.leg.wa.gov. 29 de enero de 2010. Archivado desde el original en 2010-01-30. Retrieved 2024-10-15.
- ^ Rampin, Ilaria; Zanon, Matteo; Echeberria, Jon; Loreto, Antonio Di; Martínez, Anemaite (2014-05-19). "Desarrollo de almohadillas de acero bajas libres de cobre para automóviles de pasajeros". PM 2014: 3er Congreso Mundial sobre Metalurgia Polvo y Materiales Particulados: 18–22.
- ^ a b Vinsel, Lee (2016). "Virtue via Association: The National Bureau of Standards, Automobiles, and Political Economy, 1919-1940". Enterprise & Society. 17 (4): 809-838. doi:10.1017/eso.2015.61. S2CID 156230896.
- ^ "WVA sistema de numeración". Archivado desde el original el 2014-07-13. Retrieved 2009-10-05.
- ^ "Friction Materials Standards Institute". fmsi.org.