Compresión en el árbol transmisor, aunque de
menor valor e
importancia que la disipación de la energía
producida por la fricción, merece gran
consideración, sobretodo en los automóviles de
pasajeros, la compresión del motor, que se
utiliza también como freno, ya que al quitar el pie del
acelerador deja de entrar suficiente combustible al motor; pero
este sigue siendo forzado a girar con velocidad por
efecto del esfuerzo de torsión
que le impone, a través de la transmisión, el
movimiento del
vehículo. Esto hace que, al subir el pistón el
tiempo de
compresión, consuma más energía
(comprimiendo los gases y
produciendo calor por
compresión) que la que genera en el tiempo de fuerza. Esta
energía es calorífica y se disipa por el radiador y
los gases de escape. Como ahora el motor consume más
energía de la que produce, la diferencia se roba a la
acumulada en el vehículo, reduciendo su velocidad.
Este efecto no se produce si el motor se desconecta del resto
de la transmisión, bien por desembragarse el coche, los
engranes de la transmisión, o porque la transmisión
automática del vehículo contenga algún
sistema de rueda
libre que impide el arrastre automático del
vehículo o contenga algún sistema de rueda libre
que impide el arrastre del motor por la transmisión cuando
se suelta el acelerador.
Algunos fabricantes cuentan con esta contrapresión para
hacer más eficiente el efecto del frenado, equilibrar su
acción
y proveer a las ruedas traseras de zapatillas de frenos
hidráulicos de menor diámetro que en las delanteras
en los carros con cambios manuales.
Otros efectos: aunque de menor valor, no deben desconocerse
otros efectos de la acción del frenaje que también
contribuyen a disipar la energía acumulada en el
vehículo y que son los esfuerzos que se ejercen sobre las
partes relacionadas con este mecanismo. Por ejemplo: la
aplicación de las zapatas contra las tamboras crea una
torsión que se transmite por el plato soporte al Housing o
al tren delantero, según sea el caso y que finaliza en una
distorsión en los muelles o en las articulaciones
delanteras. Aunque no tenemos medios de
medir la temperatura
que esta crea, todo material que se tuerce, comprime o flexiona
aumenta su temperatura, la cual forma parte de la energía
acumulada en el vehículo, que también se disipa en
forma de calor en esos puntos, aunque con un valor muy
pequeño si se la compara con la disipada por la
fricción.
El punto de apoyo principal de la acción de frenado es
el contacto de las gomas con el pavimento. Es muy digno recordar
el refrán que dice: "los frenos pueden parar las ruedas,
pero son las gomas las que paran los vehículo" Al
respecto, es bueno observar que la acción sobre las gomas
debe ser gradual, no importa lo rápido que se ejerza, pues
si la rueda se tranca violentamente, el efecto de fricción
desaparece de las tamboras y zapatas y pasa en su totalidad al
punto de contacto entre las gomas y el pavimento, o bien, se
pierde el agarre y se produce el patinazo. Si el agarre entre las
gomas y el pavimento es firme, la fricción se traslada a
este punto y el calor generado daña gravemente a las
gomas, que no están preparadas para soportar temperaturas
tan altas.
La temperatura que se genera por la fricción de frenado
es muy alta. Para darnos una idea de la enorme disipación
de energía que representa, consideremos que la
acción de frenado, cuando es eficiente, detiene la
velocidad del vehículo en aproximadamente una sexta parte
del tiempo que este toma en alcanzarla y esta cantidad de calor
debe eliminarse de las distintas partes para que no se la
destruya. Al igual que en el motor, el aire el que
finalmente se lleva la temperatura generada, la cual se transmite
por contacto entre las distintas partes y el aire la disipa de
las mismas al rozarlas.
Mecanismo
básico
El mecanismo básico está constituido por placas
de respaldo, soporte, resorte, zapatas, forros y otras piezas,
montadas en los ejes del vehículo como partes fijas y
accionadas por cierta fuerza para retardar el movimiento rotativo
de los tambores.
3. 1 FUNCIONAMIENTO DEL MECANISMO
BÁSICO.
El movimiento de ensanche de las zapatas de los frenos contra
el tambor, resulta en un frote que retarda la rotación de
los tabores. Dicha acción de retardamiento genera calor en
diferentes grados, dependiendo de la velocidad y de la presión
aplicada. Todo el calor debe ser absorbido por el tambor y
disipado en la atmósfera
La velocidad del vehículo se reduce al disminuir esta
energía calorífica almacenada, y el
vehículo, finalmente, se detiene cuando toda la
energía del movimiento se convierte en calor. La mayor
parte del calor es disipada por el tambor a la atmósfera,
ya que los frenos aíslan bastante las zapatas y por
consiguiente transmiten menos calor al mecanismo
básico
3.2 CALOR PRODUCIDO POR ROZAMIENTO.
Conocemos que dos cuerpos que se friccionan mutuamente
experimentan aumento de temperatura en las superficies de
contacto, proporcional a la resistencia
creada por la fricción de ambos cuerpos. En este caso
ocurre una transformación de la energía mecánica en energía
calorífica.
El calor se propaga de tres maneras:
1. por conducción. Cuando avanza a
través de la masa de un cuerpo o por varios
contactos.2. por convección. Caso frecuente en los
líquidos y en los gases, donde, al establecerse una
diferencia de densidad, la masa caliente sube y la
fría baja.3. por radiación. Cuando el calor pasa de un
cuerpo a otro, atravesando el espacio ocupado como por
ejemplo. Por el aire, el calor se propaga de esta forma,
incluso en el vació. Como recibe la tierra el calor
del sol, así recibe un cuerpo algo distante del fuego,
el calor que emite la llama.
Newton, basado en distintas experiencias, estableció la
ley sobre el
enfriamiento de los cuerpos, que dice: Todo cuerpo en contacto
con la atmósfera se enfría por radiación
y, a la vez, por conducción. Si el aire se mueve, el
enfriamiento es más rápido porque nuevas
partículas de aire frió reemplazan en cada instante
a las que se calentaron por contacto con el cuerpo. La rapidez
del enfriamiento es directamente proporcional a la diferencia
entre la temperatura del cuerpo y a la del espacio que le
rodea.
Después de recordar este principio de
física,
para tener una información que se le relaciona con la
materia,
seguiremos hablando de los mecanismos básicos de los
frenos.
a. Informes generales de los frenos.
La efectividad y la eficiencia de
cualquier sistema de frenos dependerán de los cuidados que
recibe, de la calidad de los
forros y piezas de repuesto que usen y de las condiciones
actuantes a que estén sujetos.
Hablaremos brevemente sobre las partes componentes de los
diferentes sistemas de
frenos y de los métodos
recomendados de conservación. Si se observan dichos
métodos, la eficiencia de los frenos será
superior.
b. sistemas de control de los frenos.
Todos los sistemas actuantes para el control de los
frenos permiten que la zapata retorne hasta el tope
proporcionado, cuando no está en acción.
Cuando el sistema de control hace que los frenos regresen a su
punto máximo de retroceso, se puede esperar que estos
rindan un servicio de
mayor duración, con un mínimo de ajustes. En los
sistemas de frenos mecánicos, es de la mayor importancia
que el ajuste de los diferentes ángulos entre las varillas
y palancas sea exacto. Para que los frenos operen con eficiencia
máxima, el ángulo entre la varilla y palanca
deberá ser de 900 (ángulo recto) al poner los
frenos.
En frenos mecánicos no debe haber ningún
juego ni
contragolpe en el pedal o en las palancas operativas. En sistemas
hidráulicos de freno, el juego libre debe ser de 6 mm en
el pedal, antes de que el pistón en el cilindro principal
se empiece a mover. Las conexiones del varillaje de sistemas de
frenos mecánicos e hidráulicos deberán se
cuidadosamente inspeccionadas. Algunas veces, la palanquilla de
frenos tiene más de un agujero para horquillas.
c. Lubricación.
La lubricación regular de todas las piezas necesarias
en el sistema de frenos es de la mayor importancia para que el
sistema pueda operar bien. Piezas como cojinetes, las conexiones
de las horquillas, los controles de cables, líneas, o
cualquier otra pieza que tenga movimiento, deberán ser
lubricadas. Nunca deben lubricarse excesivamente los cojinetes
exteriores del eje trasero y el diferencial, para evitar que los
forros se llenen de grasa.
Al hacer una reparación de frenos, deben reemplazarse
todos los retenes para grasas, si no
están en debidas condiciones.
Tipos de muelles
(resortes) para frenos
En los sistemas de frenos se usan dos clases comunes de
muelles, a saber: muelles de compresión y de
tención.
Su funcionamiento es muy importante para la aplicación
y retorno de los frenos. Los muelles en cuestión deben ser
inspeccionados en cuanto a su longitud, sin comprimirlos, altura,
deterioro causado por oscilación, compresión y
tención, así como estiramiento. Los ganchos y
ojillos de los muelles deberán estar de acuerdo con las
piezas donde acoplan. Para acelerar el retorno de los frenos,
algunas beses los mecánicos instalan barios muelles
adicionales del retroceso en diferentes puntos del sistema de
frenos. Esto es perjudicial para el perfeccionamiento
satisfactorio de los frenos, pues aumenta la presión del
pedal y es completamente innecesario. Por regla general se
podrá comprobar que la lubricación debida y los
ajustes correctos harán que el sistema de frenos funcione
perfectamente.
Tamboras de
frenos
Los frenos de tambor tienen dos zapatas semicirculares que
presionan contra la superficie interna de un tambor
metálico que gira con la rueda. Las zapatas están
montadas en un plato de anclaje; este plato está sujeto en
la funda del eje trasero o en la suspensión para que no
gire. Cuando el conductor pisa el pedal del freno, la
presión hidráulica aumenta en el cilindro maestro y
pasa a cada cilindro de rueda. Los cilindros de rueda empujan un
extremo de cada zapata contra el tambor, y un pivote, llamado
ancla, soporta el otro extremo de la zapata.
En el ancla, generalmente hay un ajustador de freno. Cuando
las balatas, que van unidas a las zapatas, se desgastan, hay que
acercar más las zapatas al tambor con un ajustador de
rosca para mantener la máxima fuerza de frenado. En
algunos automóviles se debe hacer un ajuste manual a
intervalos de 5,000 a 10,000 kilómetros.
Los fabricantes de automóviles prestan actualmente
mucha atención a los materiales de
que están hechas las tamboras. La práctica moderna,
lo que más se usa para la tambora son aleaciones de
hierro fundido
de la mejor calidad.
En aquellos casos en que ciertas materias abrasivas logran
meterse en los frenos, cuyas tamboras están sujetas a
altas temperaturas y sean de acero prensado al
bajo carbono o
simplemente hierro fundido, las superficies de las tamboras se
rompen. Las astillas desprendidas se incrustan en los forros,
cortan y destrozan la superficie de las tamboras.
Las tamboras de frenos pueden funcionar bien, solamente hasta
la temperatura crítica
del metal de que estén hechas. Cuando las tamboras
estén fabricadas de metal de calidad inferior, los
materiales de fabricación conservarán su eficiencia
adecuada, en tanto que el metal de las tamboras se
desintegrará por causa de las intensas temperaturas
generadas en la superficie de fricción. Como resultado,
las tamboras hechas de aleaciones metálicas de alta
calidad son absolutamente necesarias para el buen funcionamiento
de los frenos.
Cuando se rebasan los límites de
la capacidad práctica del mecanismo de los frenos, la
temperatura empieza a subir con mayor rapidez de lo que se puede
disipar, y, entonces, se llega a temperaturas extraordinariamente
altas. En dichos casos, la expansión extrema debida al
calor de las tamboras, impide que halla un contacto completo
entre los frenos de las zapatas y la superficie de las tamboras y
hacen que ciertos puntos queden sujetos a presiones y
temperaturas normalmente altas, tanto en las tamboras como en los
forros. Estas temperaturas hacen también que se alteren
las características de fricción de los forros. Los
forros se cristalizan y se queman; las tamboras se calientan, se
agrietan y se deforman; es posible que el vehículo se
quede sin medios de parar y si no se dejan que se enfríen
los frenos, su eficacia se
reducirá rápidamente (Fig. 1.1).
Al atender los
frenos, las tamboras deben ser examinadas cuidadosamente para ver
si su superficie está laminada, si tiene grietas causadas
por altas temperaturas y picaduras de superficie; además
debe comprobarse si están deformadas, torcidas o
ensanchadas en la orilla o no están
concéntricas(Fig. 1.2).
Las tamboras de los frenos pueden reacondicionarse siempre que
las rajaduras no sean muy profundas y las tamboras no
estén muy deformadas; sin embargo, nunca debe
recortársele mucho el metal, porque cuando las tamboras
quedan muy delgadas se calientan y deforman más
rápidamente. Siempre que sea posible, debe consultarse las
especificaciones del fabricante para determinar que cantidad de
material puede ser torneado.
Al reacondicionar tamboras de frenos, es de la mayor
importancia que su superficie quede perfectamente lisa; por
consiguiente, deben terminarse esmerilándolas finamente.
Antes de instalarlas, deben limpiarse para eliminar toda
partícula metálica y de material abrasivo que
puedan tener.
Durante los primeros centenares de Kilómetros, los
frenos no deberán aplicarse muy severamente, pues las
tamboras reacondicionadas son parecidas a un motor con los
cilindro nuevamente esmerilados y hay que tener cuidado para que
se vayan asentando. Las tamboras deben ser reacondicionadas por
pares, para que queden exactamente iguales; esto es preciso para
que las dos tamboras delanteras o traseras, según sea el
caso, sean idénticas. De otro modo, el frenaje de un lado
del vehículo puede ser diferente al del otro lado.
5.1 EFECTO ENERGÉTICO.
El efecto de la rotación de la tambora del freno crea
un arrastre en ambas zapatas. En las zapatas primarias este
arrastre se ejerce en la misma dirección en que la zapata se aplica al
tambor, contribuyendo a aumentar la acción del frenaje. En
las zapatas secundarias, el efecto es contrario a la
dirección en que se aplica la zapata, lo cual contribuye a
disminuir la acción de frenaje.
Lógicamente, si se invierte el giro del tambor, en el
caso de una marcha atrás, la acción de la zapata
también se invertiría, pasando la secundaria a
tener la acción de la primaria. La falta de energía
propia o "arrastre" reduce las fuerzas de frenaje.
Si cada una de las zapatas está anclada por separado
(en suspensión), la zapata energizada por la
rotación de avance del tambor es la zapata "Primaria" o de
"acción delantera". La acción que se produce en las
zapatas secundarias, hace que se le denomine o llame zapatas de
reversa (Fig. 1.4)
Si las zapatas están unidas entre sí por un
eslabón flotante, la fuerza accionante es transmitida de
un zapata a la otra, formando una especie de cuña o
accionamiento propio. La primera zapata junto a la fuerza
accionante, en la misma dirección de rotación del
tambor, es la zapata que está unida a la "primaria" es la
"secundaria" (Fig. 1.5).
En algunos sistemas de frenos hay dos zapatas que accionan
hacia el frente, impulsadas por cilindros hidráulicos
gemelos. La energía propia de las zapatas es de la mayor
importancia en todos los vehículos, ya que suministra una
poderosa fuerza de frenaje controlable con un ligero toque de
pedal.
La potencia de
frenaje, igual y pareja en cada una de las ruedas, es esencial
para poder parar
eficientemente. Dicha igualdad
depende del ajuste de las clavijas de anclaje, del estado de las
tamboras, del contacto de los forros, del desgaste de la
superficie de rodadura, de los neumáticos y de las
limitaciones del ángulo superior de divergencia.
5.2 PARTES DE LA TAMBORA DE FRENO.
1. Tambor del freno 2. Zapata
3. Balata 4. Resortes de retorno de las
zapatas
5. Ancla 6. Plato de anclaje
7. Cable de ajuste 8. Pistón
hidráulico
9.
Cilindro de rueda
6. MATERIALES DE FORROS PARA FRENOS.
Los forros para frenos son de varios tipos, fabricados por
varias técnicas y
compuestos de diferentes combinaciones, a fin de obtener la
resistencia característica de flote deseada. Los tipos
principales en uso hoy en día son los tejidos, los
moldeados y los hechos en bloque. Los forros están hechos
de un material duro y tenso, y están sujetos a las zapatas
por medio de remaches o pegamento, o por medio de un procedimiento de
fusión
térmica, con un adhesivo especial tratado
térmicamente en la zapata.
Los materiales usados para la fabricación de forros
para frenos, incluyendo asbestos, son caucho
(natural o sintético), resinas, aceites secantes, coque,
carbón, bronce, cinc, plomo y varios otros metales. Estos
materiales son recocidos, tratados y
vulcanizados por medio de aplicación de presión y
calor para formar los forros de cualquier forma, contextura,
densidad,
dureza y características de fricción deseable.
Al igual que los forros bordeados, usados para
automóviles, pero muchos más gruesos y más
anchos, los bloques para frenos usados en camiones de servicio
pesado están elaborados para que ajusten al lado interior
o exterior de las tamboras, estando sujetos a gruesas zapatas o
cintas de acero prensado o de hierro fundido. Tales frenos son,
por lo regular, operados por medio de aire bajo presión, o
por cilindros de vacío, o por electricidad.
Por consiguiente, los forros para frenos deben tener las
siguientes características: un coeficiente constante de
fricción, mientras dure en servicio; resistencia y
recuperación completa de los efectos de agua y
aceite;
resistencia a la compresión; adaptables a las tamboras
existentes de aleación de metal fundido; de material
uniforme y calidad controlada en su manufactura;
vida larga y exenta de ruido, sin
tendencia a deslizamiento, y mínimo desgaste.
En todos los trabajos que se hagan, es de gran importancia que
los forros sean de alta calidad. Esto garantiza que los
resultados finales se traduzcan en frenos seguros, lo que
al final de cuentas es una de
las principales características que puede tener un
vehículo. Los forros de alta calidad no solamente
garantizan un grado máximo de seguridad en
razón a su elevada eficiencia, sino que también son
de mayor duración, no producen ruidos y tampoco
dañan las tamboras.
Para obtener los mejores resultados, es sumamente importante
que se pongan, al mismo tiempo, forros a todas las zapatas de los
frenos del vehículo. Aunque los forros usados no
estén todos completamente gastados, es difícil
lograr el ajuste debido y la distribución exacta de la potencia del
frenaje, a menos que se instalen forros en todas las zapatas al
mismo tiempo
7. TIPOS DE SISTEMAS DE FRENOS
Los sistemas de frenos pueden ser operados mediante
dispositivos mecánicos, hidráulicos, de
presión de aire y por electricidad. No obstante, todos
funcionan, esencialmente, de la misma manera. El dispositivo
accionador fuerza las zapatas de frenos contra las tamboras
rotatorias de las ruedas cuando el que maneja oprime el pedal del
freno. La fricción entre las zapatas de freno y las
tamboras disminuye la velocidad de las ruedas o las detiene, de
manera que el automóvil queda frenado.
La figura 1.6 muestra un mecanismo de freno de rueda
delantera desarmado, de manera que puede verse la relación
existente entre las piezas. Cuando el mecanismo está
ensamblado, la tambora de freno ajusta alrededor de las zapatas.
En la figura 1.7 aparece un mecanismo de freno de rueda
trasera desarmado.
Las zapatas de freno, como se ha dicho, están cubiertas
o forradas con material de amianto que puede soportar el calor y
efecto de agarre que se producen cuando la zapata es forzada
contra la tambora. Durante un frenaje brusco, la zapata puede
resultar forzada contra la tambora a una presión de hasta
1000 libras. Como la fricción aumenta a medida que aumenta
a carga o la presión, se produce un fuerte agarre
friccional sobre la tambora y un pronunciado efecto de frenaje en
la rueda del vehículo (Fig. 1.6 y 1.7).
También se produce una gran cantidad de calor debido al
efecto friccional entre las zapatas y la tambora. Cuando la
tambora frota contra las zapatas, ambas se calientan. En
realidad, en circunstancias extremas de frenaje, las temperaturas
pueden llegar a 5000 F (2600C). Parte de este calor pasa a
través de los forros o revestimientos de frenos hasta las
zapatas y placas de respaldo, donde es radiado hacia el aire
circundante. Pero la mayor parte de ese calor es absorbido por la
tambora. Algunas tamboras tienen aletas enfriadoras que
proporcionan superficie radiadora adicional para disponer del
calor con mayor rapidez. El exceso de temperatura no es bueno
para los frenos, ya que puede chamuscar el forro o revestimiento
(o banda); además una vez que el forro y las zapatas
están calientes, se produce una menor acción
efectiva de frenaje. Esta es la razón por la cual los
frenos pierden su efectividad cuando se usan continuamente
durante períodos relativamente largos, como ocurre, por
ejemplo, al descender una colina o un declive pronunciado
(Fig. 1.8)
8. PREGUNTAS DE CONTROL.
1. ¿Qué mecanismo se
emplea para detener o aminorar la marcha en los medios
automotores?2. Para detener un medio automotor.
¿Qué transformación de energía se
experimenta?3. ¿Qué usted entiende por
fricción?4. ¿Por qué se puede
utilizar la compresión?5. ¿Cuál es el principal
punto de apoyo de la acción de frenado?6. ¿Cómo está
constituido el mecanismo actuante en un sistema de
frenos?7. ¿A qué se llama
mecanismo actuante en un sistema de frenos?8. ¿Cómo funciona el
mecanismo básico?9. ¿Cuáles son las formas
en las que se propaga el calor?10. ¿Cuál debe ser
aproximadamente el juego libre del pedal en un sistema
hidráulico?11. ¿Cuál es la
acción que se produce en cada zapata?12. ¿Qué
características deben reunir los forros para las
zapatas?13. ¿Por qué es
recomendable poner el forro a todas las zapatas al mismo
tiempo?14. ¿A qué se llama efecto
energético?15. Al sufrir desperfectos una tambora
de frenos. ¿Sabe usted cuales son los componentes de
esta?
9. BIBLIOGRAFÍA.
Principal.
COLECTIVO DE AUTORES. Sistema de dirección y freno de
los vehículos automotores – C. Habana: Ed.
Científico Técnica, 1981, 720 p.
Complementaria.
MICROSOFT ENCARTA 2006[DVD].
1993-2005 Microsoft
Corporation.
Autor:
Lic. Alexbier Hidalgo Batista
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