Frenos de disco
Este tipo de freno adoptado en la mayoria de los vehículos de turismo, tiene la ventaja sobre el freno de tambor de que su acción se frenado es mas enérgica, obteniendo, por tanto, un menor tiempo de frenado que se traduce en una menor distancia de parada. Ello es debido a que elementos de fricción van montados al aire, al disponer de una mejor refrigeración, la absorción de energía y transformación en calor se puede realizar más rapidamente.
Otra de las ventajas de estos frenos es que en ellos no aparece el fenómeno de "fading" que suele presentarse en los frenos de tambor. Este efecto se produce cuando por un frenado enérgico o frenados sucesivos, el tambor no tiene tiempo de avacuar el calor absorbido en la transformación de energía. En estas condiciones, el tambor se dilata alejando la superficie de adherencia del contacto con las zapatas, quedando momentaneamente el vehículo sin frenos.
En los frenos de disco al mejorar la evacuación del calor no existe calentamiento crítico y por tanto dilatación, pero en caso de haberla el disco se aproximaria más a las pastillas de freno, lo cual favoreceria la presión y efecto de frenado.
Constitución
El freno de disco esta formado por un disco que se une al buje de la rueda o forma parte de él, girando con la rueda y constituyendo el elemento móvil de frenado. Sobre este disco, abarcando aproximadamente la quinta parte de la superficie del mismo, va montada una mordaza sujeta al puente o mangueta en cuyo interior se forman los cilindros por los que se desplazan los pistones. A estos pistones se unen las pastillas de freno de un material similar a los ferodos de las zapatas utilizadas en los frenos de tambor.
Por el interior de la mordaza (2) van situados los conductos por donde se comunica el liquido de freno a los cilindros (3), acoplando en (A) el latiguillo de freno y en (B) el purgador. El liquido a presión, procedente del circuito de frenos y que entra por (A), desplaza a los pistones (4) hacia el interior, aplicando las pastillas de freno (5) sobre el disco (1), las cuales, por fricción, detienen el giro del mismo.
Sistemas de mordazas o pinza de freno
Según el sistema empleado para la sujección de la mordaza o pinza, los frenos de disco se clasifican en:
Freno de pinza fija
Tambien llamada de doble acción, la mordaza va sujeta de forma que permanece fija en el frenado. La acción de frenado se realiza por medio de dos o cuatro pistones de doble acción, desplazables, que se ajustan a caja una de las caras del disco.
En este tipo de pinzas, cada pistón se encuentra en cada mitad de la mordaza. Durante el proceso de frenado, actúa una presión hidráulica sobre los dos pistones y cada pistón aprieta la pastilla contra el disco.
Los frenos de pinza fija contra el disco de freno son muy sólidos, por lo que se emplea en vehículos rápidos y pesados.
Freno de pinza oscilante
En este tipo de freno la mordaza o pinza (1) se halla sujeta con un perno (2) que sirve de eje de giro. Al aplicar presión al liquido para accionar el pistón (3) se ejerce una presión igual y opuesta sobre el extremo cerrado del cilindro. Esto obliga a la mordaza a desplazarse en dirección opuesta a la del movimiento del pistón, ya que describe un pequeño giro alrededor del perno, con lo cual la mordaza empuja a la otra pastilla (4) contra el disco (5) quedando aprisionada entre las pastillas (4) y (6).
Freno de pinza flotante
Tambien llamado de reacción, el freno de disco de pinza flotante sólo utiliza un pistón, que cuando se acciona aprieta la pastilla de freno correspondiente contra el disco de freno. La fuerza con la que el pistón aprieta la pastilla contra el disco genera una fuerza opuesta o de reacción. Esa fuerza opuesta desplaza la pinza de freno y aplica la otra pastilla contra el disco.
Si en el eje trasero se monta un sistema pinza flotante, éste se puede utilizar también como freno de estacionamiento (freno de mano) por activación mecánica.
Dentro de los frenos de pinza móvil podemos encontrar:
- Bastidor flotante
- Pinza flotante
Bastidor flotante: esta formado por un bastidor flotante (2) que se monta sobre un soporte (1) unido al portamangueta. El bastidor flotante se fija sobre el soporte (1) mediante chavetas (6) y muelles (3), de manera que pueda deslizarse lateralmente en la acción de frenado. En el bastidor flotante (2) esta labrado el unico cilindro, contra cuyo pistón (8) se acopla la pastilla (5), mientras que la otra se aloja en el lado opuesto del disco.
El pistón está provisto de un anillo obturador (7), que realiza estanqueidad necesaria. El guardapolvos (9) impide la entrada de suciedad en el cilindro. En la acción de frenado, el pistón es desplazado hacia afuera del cilindro aplicando a la pastilla de ese lado contra el disco, mientras la pinza se desliza sobre el soporte en sentido contrario, aplicando la otra pastilla contra la cara contraria del disco, consiguiendose con esta acción de frenado del mismo.
Pinza flotante
Este es el sistema de frenado de disco mas utilizado actualmente, debido a las ventajas que presenta con respecto al sistemas de freno anterior. Estas ventajas se traduce en una menor fricción de la pinza en su deslizamiento, que supone un accionamiento mas silencioso y equilibrado, que además atenúa el desgaste de las pastillas y lo reparte mas uniformemente.
Este sistema esta constituido por la pinza de frenos (1), la cual esta acoplada al portapinza (2) en las guías (3) fijadas por unos tornillos y protegidas de la suciedad por los guardapolvos (5). El portapinza, a su vez, va fijado al portamangueta por medio de otros tornillos.
Cuando la presión del liquido enviado por la bomba de frenos produce el desplazamiento del pistón (7) en el interior de la pinza (3), la pastilla de freno (4) se aplica contra el disco (5), mientras que la pinza es desplazada en sentido contrario aplicando la otra pastilla también contra el disco, produciendose la acción de frenado. El movimiento de la pinza es posible gracias al montaje deslizante en los tornillos guía (2), que le permiten un cierto recorrido axial, equilibrando los esfuerzos en ambas caras del disco.
Sistema de reglaje
Una vez cesa el esfuerzo de frenado, las placas de friccion (pastillas), debido al efecto producido por el pequeño alabeo en la rotación del disco, tienden a separarse de él y el pistón retrocede una distancia tal que permite mantener un determinado juego entre el disco y las pastillas.
El reglaje o aproximación de las pastillas de freno al disco se realiza en este sistema de frenos de una forma automática, empleando para ello mecanismos de acción simple situados en el interior del cilindro. Entre los sistemas principales de regulación empleados en la actualidad destacan los siguientes:
- Regulación con junta de hermetismo.
- Regulación mediante perno y manguito roscado.
Regulación con junta de hermetismo
El sistema consiste en colocar un anillo obturador elástico (1) a base de un retén en una garganta (2) situada en el interior del cilindro (figura inferior).
Cuando se ejerce la acción de frenado, la presión del líquido que entra por el conducto (3) actúa sobre la cara frontal del anillo obturador (1) y del pistón (4) haciendo desplazar a éste y produciendo una deformación lateral en el anillo en el sentido de desplazamiento. Al soltar el pedal de freno, retrocede el líquido de freno por el conducto (3) y el anillo obturador (1), que habia sido deformada, vuelve por elasticidad a su posición de reposo, empujando al pistón (4) hacia atrás en un recorrido proporcional a la deformación efectuada. De esta forma queda compensado el desgaste de las pastillas, dejando la holgura normal de funcionamiento por aproximación automática de reglaje.
Regulación mediante perno y manguito roscado
Este sistema, además del retén o anillo obturador (6) de hermetismo, lleva por el interior del pistón (7), que es hueco un perno (1) roscado al manguito (2) que se apoya a través de un rodamiento del bolas (3) sobre la chapa (5) solidaria al pistón. Entre el manguito (2) y el pistón va situado el muelle (4) con sus espiras dispuestas en sentido de avance del manguito.
Al desplazarse el pistón (7) por efecto de la presión del líquido de frenado, realiza una carrera igual al juego existente entre la pastilla y el disco. Como consecuencia de ello el retén se deforma proporcionalmente al desplazamiento del émbolo. Cuando cesa el esfuerzo, el retén recupera la posición de reposo produciendo, como en el caso anterior, el retroceso del pistón.
Cuando el juego entre el disco y las pastillas, a causa del desgaste es excesivo, el émbolo tiene que avanzar más en su recorrido para efectuar el frenado, obligando con ello al manguito a girar sobre el perno de roscado. Esta rotación se produce por efecto del muelle que, al estar dispuesto en sentido de avance, aumenta su diámetro interno liberando al manguito de su posición de bloqueo con el pistón.
Al cesar la acción de frenado, el pistón solo retrocede por efecto del retén la carrera que le permite el castillo, ya que, al hacer tope con el mismo, queda bloqueado por el muelle que ha recobrado su diámetro primitivo.
En la figura inferior podemos ver un sistema de regulación automático con perno y manguito roscado utilizado en un freno de disco para las ruedas traseras. Este freno de disco tambien esta preparado para ser accionado con el freno de mano mediante la palanca acodada (3) y la guía de cable (1).
En los sistemas de disco, vistos hasta ahora, las pastillas de freno se montan sobre las pinzas de freno de forma simetrica sobre el disco de freno; sin embargo, actualmente se tiende a montar las pastillas de forma asimetrica, como se muestra en la figura inferior. Ambas pastillas estan decaladas sobre el disco siguiendo el giro de éste. La ventaja fundamental de este montaje estriba en que con ella disminuyen la vibraciones que pueden producirse en la frenada, debidas a los posibles alabeos del disco.
En los vehículos de altas prestaciones se suelen utilizar frenos de disco de 4 pistones con mordaza fija. Estos pistones pueden empujar una sola pastilla por cada lado del disco de freno, o también se puede dividir la pastilla en dos partes por lo que cada pistón empuja una pastilla. Con esto se consigue una cierta distancia entre pastillas, creandose asi un espacio que mejora la evacuacion del calor generado en la frenada. Para una misma superficie de rozamiento comparativamente con las pastillas convencionales, este sistema presenta la ventaja principal de que las temperaturas de funcionamiento son menores, al tiempo que disminuyen también los ruidos y vibraciones producidos en la acción de frenado. Por otra parte, puede aumentarse la superficiede fricción y, con ello, la eficacia de frenado.
Disco de freno
El material para fabricar los discos de freno es la fundición gris nodular de grafito laminar, ya que garantiza una estabilidad de las prestaciones durante el periodo de vida de los discos. El disco puede ser macizo o con huecos (autoventilado), por donde circula el aire en forma de ventilador centrífugo
Los discos de freno pueden ser:
- Clasicos (macizos)
- Ventilados
- Taladrados o perforados
- Estriados
- cerámicos
Discos clasicos o macizos
Estos discos poseen una superficie de friccion solida y lisa, no poseen ningun tipo de ventilacion y son muy propensos a acumular calor, suciedad y tienden a cristalizar las pastillas. Tienen la ventaja de ser economicos de fabricar y como desventaja es que tienden a recalentarse impidiendo una frenada efectiva y a cristalizar las pastillas. Se doblan bajo el estres continuo.
Discos ventilados
Los discos ventilados son como si se juntasen dos discos, pero dejando una separación entre ellos, de modo que circule aire a traves de ellos, del centro hacia afuera, debido a la fuerza centripeta. Con ello se consigue un mayor flujo de aire sobre los discos y por lo tanto mas evacuación de calor.
Discos perforados
Los discos perforados aumentan la superficie del disco con las perforaciones y ademas llevan aire fresco a la pastilla del freno. Una perforación es como un pequeño tunel, las paredes del tunel seria el aumento de superficie capaz de disipar calor, ademas de cuando la perforación llega a la zona de las pastillas, llega con aire fresco que las refresca evitando el calentamiento en exceso.
Normalmente se usan discos ventilados en vehiculos de serie de media potencia. Para altas potencias se utilizan los perforados.
Discos estriados
Estos discos se podrian clasificar dentro de los "perforados" ya que la finalidad del estriado o rayado es mejorar la refrigeración de los mismos. El estriado tiene la funcion principal de remover el aire caliente y de limpiar la pastilla de polvo y crear una superficie idonea para el frenado, con la unica desventaja que desgasta mas rapido la pastilla en pro de una mejor y mas efectiva frenada.
Discos ceramicos
Los discos de frenos Carbo-Ceramicos, tienen sus origenes en la industria de la aviacion, mas tarde a principio de la decada de los 80 se utilizaron en las competiciónes de F1, actualmente algunos automoviles muy exclusivos y de altas prestaciones tambien los utilizan como el Porche 911 Turbo.
Estan hechos de compuesto de Carbono en una base Ceramica para darle la resistencia tan alta a las temperaturas que estos operan..
Los discos son de color negro (por el carbono) y ceramica como compuesto base, por eso a medida que se desgastan se desprende un polvo negro. Las pastillas que usan estos discos son tambien de carbo-ceramica o de carbono.
La principal ventaja de estos frenos es su bajisimo peso, su altisimo poder de frenado por la alta friccion y su gran poder estructural que evita roturas grietas y fallas a altisimas temperaturas. Pueden detener un vehiculo de 320 Kms/h a 0 en menos de 30 metros
Su desventaja es su alto precio.
Pastillas de freno
Para cumplir con la normativa vigente de la fabricación de vehículos, la composición de las pastillas cambia dependiendo de cada fabricante. Aproximadamente 250 materiales diferentes son utilizados, y pastillas de calidad utilizan entre 16 a 18 componentes.
Ejemplo de composición:
- 20% aglomerantes: Resina fenólica, caucho
- 10% metales: Lana de acero, virutas de cobre, virutas de zinc, virutas de latón, polvo de aluminio
- 10% fibras: Fibras de carbón, fibras orgánicas, lana mineral, fibras químicas
- 25% material de relleno: Óxido de aluminio, óxido de hierro, sulfato sódico
- 35% deslizantes: Grafito, sulfuro de cobre, sulfuro de antimonio
