INTRODUCCIÓN
Si se hiciera una lista de los sistemas de un
automóvil por orden de importancia, posiblemente se
colocaría al principio de la lista al sistema de frenos.
Muchos conductores han experimentado la inconveniencia de un
motor que no arranca debidamente. Recu erdan una noche de
invierno cuando el sistema de calefacción de un
automóvil solamente emitía aire frío, han
experimentado fallas del sistema y se han dado cuenta de lo que
les ha costado en comodidad, conveniencia, tiempo y dinero. No
obstante, una falla o una avería del sistema de frenos con
frecuencia puede causar daños en la propiedad, accidentes
graves o inclusive muertes. Un mecánico de frenos debe
recordar siempre que la calidad de mantenimiento de los frenos se
mide únicamente en términos de
seguridad.
El auto es un móvil que se desplaza bajo control
del conductor. Es acelerado con la fuerza (torque) y potencia del
motor y desacelerado con la resistencia del mismo, pero sobre
todo con la aplicación de los frenos, el sistema
primordial de seguri dad. Un auto es una mole que pesa entre unos
800 y 2500 Kg. (según su tamaño y equipamiento)
cuya inercia varía con la velocidad; para controlarla,
disminuirla o anularla, se utilizan los frenos instalados en cada
una de las cuatro ruedas.
Los frenos deben responder lo más exactamente
posible a la solicitud del conductor. Deben ser al mismo tiempo
sensibles y graduales para modular la velocidad, y asegurar la
detección completa y la inmovilización total del
vehículo.
Los frenos trabajan por rozamiento entre una parte
móvil solidaria a las ruedas y otra parte fija solidaria a
la estructura del auto. Al aplicarse los frenos, la parte fija se
aprieta a la parte móvil y por fricción se consigue
desacelerar el auto. Esta fricción emite calor y absorbe
la energía de la inercia (a 120 Km/h un auto de 1.200 Kg
aplica una potencia de frenado de más de 200 HP, lo que
disipará calor hasta en una temperatura de 800°C).
Para que los frenos sean más eficaces, las superficies en
rozamiento deben asegurar un máximo contacto.
Los frenos están diseñados para
desacelerar (retardar) y parar el vehículo, o para
facilitar su aparcamiento en una cuesta. Constituyen, por tanto,
un equipo extremadamente esencial en los automóviles para
la seguridad de la conducción.
En la sociedad movilizada de hoy día, se supone
que los frenos son de gran eficiencia y durabilidad, para que el
vehículo se pueda parar no sólo con seguridad y
prontitud, sino en cualquier y bajo cualquier
condición.
Un vehículo en marcha no se puede parar
inmediatamente cuando el motor se desconecta del tren de fuerza,
debido a la inercia (la tendencia de un objeto en movimiento a
continuar moviéndose). Esta inercia se tiene que reducir
para conseguir la parada del vehículo.
El motor convierte la energía térmica en
energía cinética (energía de movimiento)
para impulsar el vehículo. Contrariamente, los frenos
cambian la energía de esta moción (energía
cinética) en energía térmica para el
vehículo.
Generalmente, los frenos de los vehículos
actúan haciendo que un objeto fijo haga presión
contra un objeto de rotación. El efecto de frenado se
obtiene de la fricción que se genera entre dos
objetos.
ANÁLISIS
DE FUERZAS DESARROLLADAS EN EL FRENADO DE
VEHÍCULOS
El proceso de frenado es vital para el control de los
vehículos automóviles. A continuación se va
a proceder a hacer un análisis del mismo, para el cual se
modelizará el vehículo y las solicitaciones que
actúan sobre el mismo como se representa en el siguiente
gráfico:
Figura 1: Solicitaciones que
actúan sobre un vehículo en el proceso de
frenado
A continuación se enuncian las fuerzas más
importantes que toman parte en el proceso de frenado y el
significado de las mismas:
Pares de frenado (Mfd y Mft) : El sistema de
frenos del vehículo tiene como misión crear estos
pares que se oponen al movimiento de las ruedas y que hacen
aparecer las fuerzas de frenado.
Fuerza de frenado (Ffd y Fft): : Un
vehículo en movimiento dispone de una energía
cinética o trabajo que es equivalente a la fuerza de
impulsión por la velocidad media del desplazamiento. Este
automóvil sufre una aceleración negativa o
desaceleración cuando se aplica una fuerza igual y de
sentido contrario a la fuerza que produce movimiento. Es decir,
se debe aplicar una fuerza de frenado que anule a la fuerza de
impulsión. El efecto de frenado consiste en transformar la
energía cinética producida por el vehículo
movimiento en calor producido por el rozamiento entre los
elementos mecánicos de los frenos. La fuerza de frenado
tiene el mismo valor que la fuerza de adherencia o rozamiento y
por lo tanto se calculará mediante el producto entre el
peso que gravita sobre una rueda y el coeficiente de adherencia
entre ella y el suelo, y tiene sentido contrario a la fuerza de
impulsión. Como la fuerza de impulsión está
determinada por la resistencia que oponen las ruedas a su
desplazamiento, la fuerza de frenado que hay que aplicar para
detener el vehículo está también en
función de la resistencia obtenida en las
ruedas.
Componentes del peso (P): Cuando el
vehículo circula por terreno inclinado el peso se
descompone en dos fuerzas. La primera de ellas en sentido
longitudinal de las marcha (P·Sen?) se opone o ayuda al
movimiento del automóvil, según este esté
circulando por una pendiente ascendente o descendente. La segunda
es en realidad el peso normal a la superficie de rodadura
(P·Cos?), que en el caso de que esta sea horizontal, es la
única componente del peso, sin embargo en este caso su
valor se ve reducido lo que conlleva una disminución de la
adherencia. Podemos obviar esta disminución ya que el
ángulo de la pendiente (? ) suele ser muy pequeño
en condiciones operativas normales del
vehículo.
Resistencia a la rodadura (Rrd y Rrt) : Cuando
pensamos en un coche deportivo lo primero que nos viene a la
cabeza es un motor potente, enormes discos de frenado y una dura
suspensión que lleva al vehículo a través de
una curva tomada con rapidez. Muy a menudo se asume que la
maniobrabilidad y la adherencia dependen sólo del trabajo
de muelles y amortiguadores. Esta tendencia es especialmente
evidente entre los conductores que mejoran sus coches
acercándolos al suelo y endureciéndolos, esperando
que el efecto sea una conducción más
correcta.
Por desgracia son pocos los que se dan cuenta de que el
elemento clave que influye en la conducción del coche no
son los amortiguadores sino los neumáticos. La
aceleración, el frenado, la fuerza centrífuga
sufrida durante los giros, todo esto es sufrido a través
de los neumáticos y, más en concreto, por la
pequeña superficie en contacto con la calzada.
La adherencia del neumático aumenta
la seguridad en carretera.
La adherencia de los neumáticos es la
fricción entre dos superficies, la de la goma del
neumático y la del suelo. De todas formas no es un valor
estable, depende de la temperatura, le presión y, lo que
es más, de lo resbaladizo que sea el suelo. Algo curioso
es que el máximo nivel de adherencia se alcanza cuando el
neumático se desliza un poco.
¿Por qué ocurre esto? Observemos este
fenómeno más de cerca. La goma interacciona con el
suelo de una manera muy específica. La adhesión
tiene lugar cuando las moléculas de la goma entran en
contacto directo con el suelo. La goma es un polímero
mientras que el asfalto es una estructura cristalina. Cuando
ambas estructuras se encuentran a alta velocidad las
moléculas de la goma cambian de forma. Algunas uniones se
rompen, otras nuevas se crean y ese proceso se repite
cíclicamente mientras una superficie se mueve a lo largo
de la otra. La rotura y presionado de las uniones moleculares
absorben una energía llamada, precisamente, fuerza de
adhesión. Esta fuerza alcanza su valor máximo
cuando la diferencia de velocidades es de entre 0.03 y 0.06
metros por segundo.
Cuando la diferencia de velocidades es alta, el
fenómeno de la adhesión deja lugar en un grado
significativo a la histéresis, derivada de la
deformación de la superficie del neumático. Como
efecto de este proceso algunas partes de la goma sufren
compresión y otras extensión. Para que la
extensión sea posible los átomos de la goma deben
moverse unos en relación a otros. A este proceso le debe
acompañar la fricción que produce el calentamiento
del neumático. Este proceso absorbe una energía muy
parecida a la adhesión sólo que en este caso se la
denomina fricción interna. Entonces, ¿cuándo
será mayor la adherencia del neumático? La
adherencia ideal la alcanzamos en el momento en que viajamos al
límite en el que el neumático se desliza sobre el
suelo (incluso superándolo ligeramente), la mezcla de la
goma es blanda mientras que el suelo es liso y está
caliente. Entonces, en el contacto con la superficie domina la
fuerza de la adhesión responsable del efecto de pegado de
la goma al asfalto.
Volvamos al coche que está tomando una curva a
alta velocidad. Cuanto más rápido vayamos mayor
será la fuerza centrífuga que hará efecto en
él. Mediante los muelles y amortiguadores suavizamos los
movimientos violentos, el coche conduce su masa a las ruedas
aumentando, de esa manera su presión sobre el suelo. La
adherencia es, en esencia, producto de la fricción del
neumático con el suelo. La adherencia del neumático
es, en esencia, producto de la fricción del
neumático sobre el suelo y de la presión ejercida
sobre él. Esta presión aumenta en las curvas, como
efecto de la fuerza centrífuga que traslada el peso del
vehículo a las ruedas externas. Aunque, para obtener
buenos resultados, el coeficiente de fricción entre el
neumático y el asfalto debe ser igualmente alto.
Especialmente si se tiene en cuenta que toda la fuerza
centrífuga debe ser compensada por la adherencia de una
superficie del tamaño de una tarjeta postal (esa es el
área de un neumático que está en contacto
con el suelo).
Lo importante que es la adherencia es algo que saben muy
bien los pilotos de carreras, que en muchas ocasiones ven en los
neumáticos una manera de conseguir mejores tiempos en cada
vuelta. Hay quien opina que los neumáticos son en un 75%
responsables de la adaptación del vehículo a la
pista. En siguiente lugar aparecen los sistemas de amortiguado,
el balance de frenos y la posición de la caja de cambios.
Porque, ¿qué es la potencia y la velocidad si no se
pueden llevar a las curvas?
Sabiendo esto, los fabricantes de neumáticos
intentan conseguir una buena mezcla de gomas para que, en unas
condiciones concretas, su producto alcance los parámetros
más altos posibles. Por supuesto, cada parámetro es
resultado de un compromiso dado que alta adherencia del
neumático y dinamismo no van en pareja. Como ejemplo, los
neumáticos duros se caracterizan por la larga distancia
que pueden usarse sin cambiarlos aunque a cambio de una menor
adherencia. En cambio, un neumático adherente, de una
mezcla muy blanda se gasta muy rápido, exigiendo un mayor
trabajo a altas temperaturas (Por eso en F1 se dice, a menudo,
que el piloto tiene que calentar neumáticos).
Mucho más difícil lo tienen los
fabricantes de neumáticos civiles, ya que tienen que
compaginar la alta adherencia del neumático exigida por
los usuarios con la máxima durabilidad. Lo que es
más, los neumáticos tienen que ser capaces de
actuar bien en lluvia y un gran rango de temperaturas de trabajo.
Los equipos de ingenieros, para satisfacer las exigencias de sus
clientes elaboran, durante años, mezclas y formas de
bandas de rodadura que son un compromiso entre todas las
características antes mencionadas.
En la práctica, no hay neumáticos
idealmente universales, que funcionen bien en todas las
condiciones.
Acciones aerodinámicas: La resistencia
aerodinámica (Fxa) solo toma valores relevantes para altas
velocidades, en el resto de los casos se puede despreciar frente
a las fuerzas de frenado y el error cometido nos mantendrá
del lado de la seguridad, por lo que se hace
frecuentemente.
La fuerza de sustentación aerodinámica
(Fza) y el par de cabeceo (Mya) modifican las cargas
dinámicas que soportan las ruedas (Fzd y Fzt) y, en
consecuencia, la fuerza adherente. Sin embargo suelen
también despreciarse ya que solo son significativas a
altas velocidades, en cuyo caso si que es conveniente tenerlas en
cuenta ya que si no, nos encontraríamos del lado de la
inseguridad.
Resistencia del motor y transmisión: La
resistencia que ofrece la transmisión puede ser
despreciada en cálculos normales de frenado. La
resistencia que opone el motor constituye, en muchos casos, un
factor importante en el proceso de frenado. La potencia, como el
par resistente, que ofrece el motor cuando está conectado
a las ruedas a travéss de la transmisión, es
significativa cuando este gira a gran número de
revoluciones pero disminuye su importancia al hacerlo la
velocidad, hasta hacerse pequeña en el último
intervalo de un proceso de frenado.
En bajadas prolongadas, especialmente para el caso de
vehículos pesados, la retención efectuada por el
motor es de suma importancia para preservar los elementos de
fricción de los frenos de calentamientos y desgastes
excesivos. En el caso de convertidores de par no es aprovechable
este fenómeno ya que normalmente estos no transmiten
potencia de las ruedas al motor.
Por último es importante reseñar que en el
caso de que se requieran altas desaceleraciones o frenadas de
emergencia el motor no solo no retiene sino que debe ser frenada
la inercia que este lleva por lo que, en estos casos, siempre se
debe de desacoplar.
CONDICIONES IMPUESTAS POR LA ADHERENCIA : El
bloqueo de las ruedas de un eje produce efectos negativos, ya que
en una situación de bloqueo, el coeficiente de
fricción entre el neumático y la calzada adquiere
un valor inferior al de máxima adherencia (µ =
0,75), lo cual produce el deslizamiento del neumático
sobre la calzada. En consecuencia, cuando las ruedas se bloquean,
disminuye el valor de la fuerza de frenado respecto a la
máxima fuerza potencial que puede obtenerse en condiciones
de rodadura previas al bloqueo de las ruedas, ya que el
coeficiente de fricción rueda / suelo cae a valores muy
bajos del orden de µ = 0,2 ó inferior en pavimentos
mojados.
El efecto anterior, con ser de gran interés, no
es el más importante. El bloqueo de las ruedas supone la
superación de la adherencia neumático – suelo
en la dirección longitudinal, razón por la cual, la
interacción entre ambos elementos será incapaz de
ofrecer una resistencia que equilibre una posible fuerza lateral,
por muy pequeña que sea. Como, por otra parte, resulta en
la práctica imposible que se produzca una situación
exenta de todo esfuerzo lateral el vehículo podrá
experimentar un desplazamiento lateral (viento, reparto de carga,
etc.) cuyo efecto es diferente según sea el eje cuyas
ruedas se bloquean.
Si el eje que se bloquea es el
trasero la adherencia de las ruedas de dicho eje con el
suelo disminuye fuertemente como se ha visto antes, por lo que
cualquier inestabilidad puede provocar el giro del
vehículo sobre su eje haciendo perder totalmente la
estabilidad direccional. Es decir, si en una situación de
conducción normal nosotros tiramos con violencia del freno
de mano, hasta llegar a bloquear los neumáticos, el
vehículo tenderá a derrapar de la parte trasera
hasta situarse a contradirección.
Si las ruedas que se bloquean son las del
eje delantero, las fuerzas de inercia aplicadas al centro
de gravedad y las de rozamiento o adherencia en las ruedas,
proporcionan un momento de guiñada que disminuye con el
valor de la perturbación lateral. Esto provoca que el
sistema sea estable, es decir, las fuerzas tienden a hacer que el
vehículo recupere su posición longitudinal. En esta
situación se origina una cierta pérdida de control
direccional, menos grave, en términos generales, que la
inestabilidad provocada por el bloqueo del eje trasero y el
vehículo, tiende en principio a seguir una trayectoria
recta sin obedecer a la dirección del mismo.
REPARTO ÓPTIMO DE LAS FUERZAS DE FRENADO :
Cuando el vehículo se encuentra estático, la masa
del vehículo se reparte entre el eje delantero y el eje
trasero, con valores que el diseño del vehículo ha
provisto. Casi todos los vehículos comerciales de nuestros
días, son ligeramente más pesados en la zona
delantera que en la trasera. Ya que, no solo, el motor
está ubicado en la parte delantera, sino que además
al traccionar (de tracción mecánica) en ese mismo
eje, caja de cambio, diferencial, las transmisiones, etc. se
encuentran en el eje delantero.
El menor peso en el eje trasero implica que el
diseño del reparto de fuerzas sea fundamental para no
alcanzar el bloqueo de las ruedas traseras. Además
como ya se ha comentado anteriormente, cuando nosotros frenamos
aparece un momento de cabeceo alrededor del centro de gravedad,
que genera una transferencia de carga del eje trasero al eje
delantero. Esto significa, que no solo el eje trasero es menos
pesado que el delantero, sino que además por
dinámica vehicular en el eje trasero y siempre que se
accione el freno, se va a descargar transfiriendo parte de esa
carga al eje delantero.
El valor de la transferencia de carga que se produce al
frenar del eje trasero al delantero, depende de la altura del
centro de gravedad del vehículo y de la batalla del
vehículo, es decir, de su distancia entre ejes. Debido a
todas estas variables, la fuerza frenante que se aplicará
al eje delantero no es igual a la del eje trasero. Lo mismo debe
decirse para las fuerzas que se aplican durante la
aceleración. Si hiciésemos los cálculos para
saber que porcentaje de la frenada debe de producirse en el eje
delantero y cual en el eje trasero, considerando un coeficiente
de fricción neumático – suelo de valor
µ = 0,8. El reparto sería de un 0,75 % de la frenada
en las ruedas delanteras; y 0,25 % en las ruedas traseras (Punto
O).
Gráfica que representa el
reparto óptimo de frenada entre ambos ejes.
Para un valor de adherencia entre el
neumático y el suelo de valor ??=0,80. El punto O, de
intersección de ambas curvas, corresponde al frenado
óptimo y, por tanto, a un reparto de esfuerzos de frenado
como se ha descrito anteriormente. Si en el vehículo se
estableciese un reparto de frenada con un 86% de frenada en el
eje delantero y un 14% en el eje trasero (Punto B), se
alcanzaría antes el bloqueo en las ruedas delanteras,
consiguiéndose una desaceleración máxima
0,62, muy por debajo del valor óptimo. Si por el
contrario, el coeficiente de reparto de frenada se establece en
un 40% en las ruedas delanteras y un 60% en las traseras,(punto
A). Bloquearían antes las ruedas traseras y el
límite de la deceleración quedaría
establecido, también en un valor de 0,62 muy por debajo
del valor óptimo y además con los perjuicios que
provoca el bloqueo del eje trasero, visto anteriormente. Como
vemos la mejor solución es la representada en el punto O
con un reparto de frenada de un 75% en el eje delantero y un 25%
en el trasero.
Para que estos valores de reparto de frenada se
mantengan dentro de la máxima adherencia consiguiendo
así la mayor deceleración, los vehículos van
equipados con reguladores de presión que consiguen la
variación de la presión del circuito trasero para
evitar el bloqueo de los neumáticos y las consecuencias
negativas que ya se han comentado.
CONCLUSIONES
Un vehículo en movimiento dispone de una
energía cinética o trabajo que es equivalente a la
fuerza de impulsión por la velocidad media del
desplazamiento. Este automóvil sufre una
aceleración negativa o desaceleración cuando se
aplica una fuerza igual y de sentido contrario a la fuerza que
produce movimiento. Es decir, se debe aplicar una fuerza de
frenado que anule a la fuerza de impulsión. El efecto de
frenado consiste en transformar la energía cinética
producida por el vehículo movimiento en calor producido
por el rozamiento entre los elementos mecánicos de los
frenos. La fuerza de frenado tiene el mismo valor que la fuerza
de adherencia o rozamiento y por lo tanto se calculará
mediante el producto entre el peso que gravita sobre una rueda y
el coeficiente de adherencia entre ella y el suelo, y tiene
sentido contrario a la fuerza de impulsión. Como la fuerza
de impulsión está determinada por la resistencia
que oponen las ruedas a su desplazamiento, la fuerza de frenado
que hay que aplicar para detener el vehículo está
también en función de la resistencia obtenida en
las ruedas.
La fuerza de rozamiento y la de frenado están
dirigidas en sentido opuesto al sentido de movimiento. Cuanto
mayores sean el rozamiento y la fuerza de frenado, el
automóvil tendrá mayor facilidad para
frenar.
ARRANQUE
FRENADO
BIBLIOGRAFÍA
? Aparicio F et al., "Teoria de los
vehiculos automoviles", Publicaciones ETSIIM, Madrid
1995.
? Arias-Paz, "Manual de automoviles", 2005,
CIE Inveriones Editoriales Dossat 2000.
? Bastow, D, "Car Suspension and Handling",
1993, Society of Automotive Engineers, Inc.
? Boletín Oficial de la Comunidad de
Madrid, de 24/02/2004
? Boleíin Oficial del Estado no261, de
29/10/2008."Instrucción Técnica para la
instalación de reductores de velocidad y bandas
transversales de alerta en carreteras de la Red de Carreteras del
Estado"
? "Circulación vial y accidentes de
tráfico". Ovidio Franco Rodriguez, 2004.
? "Recomendaciones de la Dirección General de
Obras Públicas para la ejecución de bandas
transversales de alerta en Carreteras del sistema viario de la
Comunidad Valenciana". Generalitat Valenciana, Consellería
de Obras Publicas. (2006).
? Raul Frías Fernández, Proyecto Fin de
Carrera, "Influencia del templado del trafico sobre
dinámica vehicular",2007.
? www.DIARIOMOTOR.com. "Baden
Inteligente de Mexico" (27/10/2009)
? www.PRENSAMOTOR.com."Baden Inteligente
presentado en el IFEMA por Badennova". (27/10/2009)
Autor:
José Luis Albornoz
Salazar