Freno de disco

El freno de disco es un dispositivo mecánico que tiene por objeto ralentizar o detener el giro de una rueda y del medio al que está sujeta. En otras palabras, la "pinza" de freno (roja en la primera figura) es solidaria con el bastidor (es decir, en general con el vehículo ) y es el asiento que aloja las "pastillas" de freno. Durante el frenado, un mecanismo presiona las pastillas contra el disco (integrado con la rueda) generando así una fuerza de fricción directamente proporcional a la presión . En consecuencia, la rueda recibe un par que se opone a su rotación , es decir, una acción de frenado.

Historia

Los primeros experimentos con frenos de disco comenzaron en Inglaterra a fines del siglo XIX ; los primeros frenos de disco fueron patentados por Frederick William Lanchester de Birmingham en 1902 . Pasó un cuarto de siglo antes de que se adoptara el sistema. En concreto, el primer coche en montarlo de serie fue el Citroën DS , en 1955.

El primer freno de disco, el que luego se convirtió en el sistema actualmente en uso, apareció en Inglaterra a finales de los años 40 y 50. Ofrecían una capacidad de frenado muy superior a los frenos de tambor utilizados hasta ahora , pero esa no era la única ventaja. También la resistencia al "fading" o con el término inglés "fade" o "fading" (es decir, la característica de mantener la fuerza de frenado sin cambios o casi sin cambios después de operaciones repetidas, limitando el sobrecalentamiento de los componentes) y la notable eficacia de frenado incluso cuando mojado (útil para la seguridad vial en caso de mal tiempo e indispensable para el uso todoterreno ) no eran "ventajas" indiferentes. La sencillez mecánica del sistema de discos, el menor número de componentes utilizados y la facilidad de reparación constituyeron otras ventajas innegables.

Como suele ocurrir, el primer impulso para la difusión de los frenos de disco vino de las carreras de coches, donde las cualidades mencionadas anteriormente constituían una gran ventaja competitiva.

Las primeras implementaciones de este sistema de frenado incluían un solo disco montado al lado del diferencial , solo más tarde se montaron dentro de las ruedas. El motivo del monodisco montado centralmente provino de la suposición de que tenía menores masas no suspendidas , concentración de masas cerca del centro de gravedad y menor calentamiento de los neumáticos , un factor de vital importancia para los autos de Fórmula 1 de ese período.

Los frenos de disco ahora se han vuelto indispensables en los automóviles de producción, incluso si algunos automóviles (especialmente los más pequeños y livianos) todavía tienen frenos de tambor en las ruedas traseras por razones de costo, facilidad de implementación del freno de estacionamiento (el llamado "freno de mano" ). Dado que la fuerza de frenado de los automóviles se concentra en gran medida en las ruedas delanteras, esta solución aún puede considerarse un compromiso razonable.

Diferente discurso para las motos sobre las que hasta los años setenta del siglo XX despoblaron enormes tambores de mordazas múltiples. El único que se anticipó a los tiempos fue el italiano Innocenti con el scooter Lambretta que, gracias a Campagnolo , en 1962 fabricó en masa el primer scooter del mundo con freno de disco delantero (modelo tv 175 y tv 200). La noticia dio la vuelta al mundo, incluso en Francia las revistas especializadas elogiaron esta gran innovación que asignó a los Innocenti un récord mundial, récord que fue olvidado a lo largo de décadas.

El advenimiento del disco de freno que se recuerda va al gran fabricante italiano Brembo quien impuso sus productos primero en las carreras y luego en la carretera. El disco para uso en moto nace completo y, salvo algunos prototipos que aparecieron en las competiciones de Superbike en los años noventa, la solución autoventilada nunca ha resultado cómoda ni realmente acertada: los prototipos autoventiladores obtenidos por fundición a la cera perdida de aceros especiales. , se han mantenido como un hermoso ejercicio de tecnología, sin embargo, no respaldado por una verdadera eficacia técnico/económica.

A finales de la década de los noventa y en los años siguientes, han ido surgiendo cada vez más productos con un perfil innovador denominado “daisy” u “wave”; Los fabricantes italianos se han distinguido en esto, principalmente dedicados a la venta de repuestos . Esta actividad favorece una vuelta a las pistas de frenado completas o en todo caso con pocas muescas, con el fin de alcanzar la máxima sensación de conducción y una gran modularidad de frenada, sin sacrificar potencia. Un concepto casi desaparecido, precisamente el de la modularidad, por el abuso de taladrado en las superficies de frenado y el uso por parte de muchos fabricantes de aceros inoxidables muy bonitos a la vista pero no siempre a la altura en cuanto a durabilidad y prestaciones. .

Los frenos de disco utilizados en las bicicletas, además de tener numerosas ventajas, también tienen algunos defectos: de hecho, durante el frenado el disco de metal se sobrecalienta muy rápidamente debido a su fricción sobre las llamadas "pastillas", o pequeñas placas o abrazaderas que favorecen su usura. . Por lo tanto, los frenos de disco, especialmente los de las bicicletas, necesitan un mantenimiento regular. Los frenos de disco, en el ámbito físico, también están sujetos a un fenómeno llamado Stick-slip , que se debe a la rápida transición de la fricción estática a la dinámica , lo que provoca esos molestos chirridos.

Descripción

Un freno de disco consiste en un disco de hierro fundido o acero solidario con la rueda que es frenado por un sistema de pinza que empuja contra ella un par de pastillas hechas de material de fricción, las cuales, presionando contra el disco al mismo tiempo por ambos lados provocan que reducir la velocidad junto con la de la rueda. La presión de empuje de la pinza se genera gracias a un dispositivo hidráulico (como en la mayoría de los vehículos a motor) o, a veces, a un dispositivo mecánico (por ejemplo, bicicletas). Los vehículos industriales (normalmente aquellos con una masa superior a las 6 toneladas a plena carga) disponen de un dispositivo de accionamiento neumático.

Control y actuación de los frenos

El control de freno puede ser:

Palanca
Pedal

Los frenos se pueden operar a través de varios sistemas:

Hidráulico
Neumático
Mecánico

Disco

Este elemento es una de las partes consumibles del sistema de frenos de disco, el cual en este caso gira junto con la(s) rueda(s) a la(s) que está ligado, su estructura, forma y hechura son determinantes para definir sus cualidades de resistencia y modulación y potencia. del frenado.

Pinza de freno

La pinza de freno es el elemento que transfiere la presión generada por la bomba de freno a las pastillas, permitiendo así generar la fricción necesaria para el frenado.

Pastillas de Freno o Pastillas

Este elemento es una de las partes consumibles del sistema de frenos de disco, que en este caso se desliza linealmente dentro de la pinza y a la que se une, su estructura, forma y elaboración son determinantes para definir su resistencia, moldeabilidad y potencia de frenado. Las pastillas de freno pueden ser sinterizadas u orgánicas.

Para los sistemas neumáticos típicos de camiones, la holgura entre las pastillas y el disco de freno normal es de entre 0,5 mm y 1,2 mm dependiendo del modelo de frenado [1] , mientras que en los sistemas hidráulicos la distancia entre las pastillas y el disco es de unos 0,2 mm. milímetros [2]

Cilindro maestro (solo para sistemas hidráulicos)

El cilindro maestro es el elemento que transfiere el líquido de frenos desde el depósito de líquido hasta la pinza, para que puedas accionar los pistones y presionar las pastillas contra el disco. La bomba de freno se puede diferenciar en diferentes tipos, pero su funcionamiento siempre es el mismo y la conexión entre la bomba y la pinza es generalmente a través de tuberías flexibles.

Depósito de líquido de frenos (solo para sistemas hidráulicos)

El depósito de líquido de frenos es un recipiente que se utiliza para contener el exceso de líquido de frenos para las necesidades actuales del sistema, pero que la bomba de freno retira gradualmente a medida que se desgastan las pastillas.

Tuberías

En el caso de sistemas neumáticos o líquidos, estas tuberías deben ser herméticas y por lo tanto evitar la dispersión, además pueden ser de diferentes tipos y materiales, desde tuberías metálicas rígidas para cubrir tramos largos y no sujetas a movimiento y tuberías flexibles para conectar dos partes sujetas a movimiento recíproco, estos van desde mangueras de caucho simples para partes del sistema de baja presión, mangueras de caucho recubiertas con una capa de fibras y una tercera capa de recubrimiento y tubos de PTFE recubiertos con una trenza metálica y una tercera capa de recubrimiento.

El rendimiento a las presiones de operación entre las mangueras de goma reforzadas con fibra y las mangueras trenzadas es casi idéntico, pero hay una capacidad de flexión diferente (mayor para las mangueras reforzadas con malla de fibra) y durabilidad [3] .

Al conectar una bomba de freno a varias pinzas de freno, estos tubos se pueden hacer de varias formas, como tubos múltiples, luego un tubo para cada pinza de freno, que parten todos de la bomba de freno, o tubos con un puente, donde hay un tubo único que se conecta a una pinza y tubos que hacen de puente entre las pinzas, finalmente tubos de tres o más vías, donde de la pinza de freno sale un tubo único, que se bifurca cerca de las pinzas de freno y finalmente se conecta al freno pinzas, permitiendo una longitud homogénea entre el cilindro maestro y las pinzas de freno. [4]

Mientras que en los sistemas mecánicos se utiliza la vaina .

Medidas

El sistema de frenos de disco puede tener las siguientes medidas:

Sistema de disco intraborda que traslada los frenos de las ruedas a la carrocería del automóvil, término usado indebidamente en los vehículos de dos ruedas, donde el disco de freno está integrado en la rueda y permanece central al disco, constituyendo la parte central de la misma.
Uso multidisco de sistemas de discos múltiples en la misma rueda, como suele ser el caso de las motocicletas de mayor cilindrada, donde hay dos discos delanteros y pinzas.

Cálculo del momento de frenado

Si consideramos la fuerza Q normal a la pinza, que empuja la pastilla contra la superficie del disco durante el frenado , y referida a una superficie de disco infinitesimal , de apertura y dimensión radial , tenemos que: $\ d \ alfa$ $\ dr$

\ Q = \ int_0 ^ \ alfa \ \ int _ {\ R_1} ^ {\ R_2} rp d \ alfa dr

siendo la superficie infinitesimal normalmente sobre la que actúa la carga , que en términos finitos tiene aplicada intensidad y presión durante el frenado $rd \ alfa dr$ $\ Q$ $\ pags$

todavía:

\ Q = \ alfa \ int _ {\ R_1} ^ {\ R_2} pr \ mathrm {d} r

= \alfa K\izquierda (R_2 - R_1\derecha)

(para la prueba de la constancia de , ver prueba ). $\ pr$

El momento de frenado se aplica:

\ M_f = \ int_0 ^ \ alpha \ int _ {\ R_1} ^ {\ R_2} frpr \, d \ alpha \, dr

con la superficie sobre la que actúan la fuerza tangencial infinitesimal y el coeficiente de rozamiento. $rd \ alfa dr$ $f dq$ $F$

Obtenemos así:

\ M_f = \ alfa f \ int _ {\ R_1} ^ {\ R_2} prr \, dr

Pero del cálculo de la misma se ha visto que: $\ Q$

\ pr = K = \ frac {Q} {\ alfa} \ frac {1} {\ izquierda (R_2 - R_1 \ derecha)}

Entonces tenemos:

\ M_f = \ alpha f \ frac {Q} {\ alpha} \ frac {1} {\ izquierda (R_2 - R_1 \ derecha)} \ frac {R_2 ^ 2 - R_1 ^ 2} {2} = Q f \ frac {R_2 + R_1} {2}

El momento de frenado en un freno de disco depende del coeficiente de fricción (aumenta con él), de la fuerza y de las dimensiones , y viene dado por la resultante aplicada al radio medio del acoplamiento pastilla-disco. Dado que el cálculo se realizó en una cara del disco, el momento de frenado total es . $\ Q$ $R_ {1}$ $R_2$ $\ Q$ $\ 2 M_f$

Prueba pr = costo

Aplicando la hipótesis de Reye sobre el elemento infinitesimal del disco de apertura y dimensión radial (corona circular), caso más simple pero análogo de un disco abrasivo girando sobre una superficie, tenemos que: $\ 2 \ pi$ $\ dr$

el volumen elemental de desgaste es igual a:

\ d V = 2 \ pi rdrh

mientras que el trabajo de fricción infinitesimal se cumple:

\ d L = 2 \ pi rdrfp \ theta r

Siendo

$\ 2 \ pi rdr$ el área del elementino, siendo , (linealizando despreciando los infinitesimales de orden superior ) $\ pi \ izquierda (r + dr \ derecha) ^ 2 - \ pi r ^ 2 = 2 \ pi rdr$ $\ pi dr ^ 2$
$\ \ theta r$ el camino de la fuerza elemental
$\ 2 \ pi rdfp$ la fuerza tangencial infinitesimal que realiza el trabajo $\ dL$

Para la hipótesis de Reye, se sostiene que:

el volumen que se desgasta en los elementos de contacto es proporcional al trabajo gastado en fricción en el acoplamiento

Entonces tenemos:

\ d L \ propto \ d V

y, reemplazando las expresiones encontradas de y : $\ dL$ $\ re V$

\ h \ propto \ pf \ theta r

por eso:

\ pr = H \ frac {h} {f \ theta} = costo = K

ya que se desconoce la constante de proporcionalidad, la altura de consumo, también desconocida, y el ángulo de giro que produjo el desgaste del material. La ley de variación de en función de es entonces una hipérbola equilátera en el plano . $\H$ $\h$ $\ \ theta$ $\ pags$ $\r$ $\ pr$

Notas

^ Comprobación periódica del juego de funcionamiento
^ EL SISTEMA DE FRENO Técnica de construcción
^ Latiguillos de freno, mejor trenza o goma?
^ Kit de mangueras de freno y embrague , en alcotech.eu . Consultado el 13 de diciembre de 2014 (archivado desde el original el 9 de enero de 2015) .

Bibliografía

E. Funaioli - A. Maggiore - A. Meneghetti, Lecciones de mecánica aplicada a las máquinas, Vol. 1 , Pàtron Editore , 1994, p. 37, pág. 48, pág. 66.
G. Jacazio - B. Piombo, Mecánica aplicada a las máquinas, Vol. 2 , Levrotto & Bella , 1992, pp. 309-310.

Otros proyectos

Wikimedia Commons contiene imágenes u otros archivos sobre frenos de disco

Enlaces externos

( ES ) Freno de disco , en Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.