Un freno de tambor es un freno que utiliza la fricción causada por un conjunto de zapatas o pastillas que presionan hacia afuera contra una parte giratoria en forma de cuenco llamada tambor de freno.
El término freno de tambor generalmente significa un freno en el que las zapatas presionan la superficie interna del tambor. Cuando las zapatas presionan la parte exterior del tambor, generalmente se le llama freno de cierre . Cuando el tambor queda atrapado entre dos zapatas, de manera similar a un freno de disco convencional , a veces se le llama freno de tambor de pellizco , aunque estos frenos son relativamente raros. Un tipo relacionado llamado freno de banda utiliza una correa flexible o "banda" que envuelve el exterior de un tambor.
El freno de tambor de los automóviles modernos se utilizó por primera vez en un automóvil fabricado por Maybach en 1900, aunque el principio no fue patentado hasta 1902 por Louis Renault . Usó un forro de amianto tejido para el forro del freno de tambor, ya que ningún material alternativo disipaba el calor de manera más efectiva, aunque Maybach había usado un freno de tambor menos sofisticado. En los primeros frenos de tambor, palancas y varillas o cables accionaban las zapatas mecánicamente. Desde mediados de los años 30, la presión del aceite en un pequeño cilindro de rueda y unos pistones (como en la imagen) accionaban los frenos, aunque algunos vehículos continuaron con sistemas puramente mecánicos durante décadas. Algunos diseños tienen dos cilindros de rueda.
A medida que las zapatas de los frenos de tambor se desgastan, los frenos requerían un ajuste manual regular hasta la introducción de los frenos de tambor autoajustables en la década de 1950. Los frenos de tambor también son propensos a desvanecerse con el uso repetido. [1]
Jaguar Cars presentó tres coches equipados con frenos de disco en Le Mans en 1953, donde ganaron, en gran parte debido a su frenado superior al de sus rivales equipados con tambor. [2] Esto marcó el principio del fin de los frenos de tambor en los turismos. Desde la década de 1960 hasta la de 1980, los frenos de disco reemplazaron gradualmente a los frenos de tambor en las ruedas delanteras de los automóviles (que reciben la mayor parte de la fuerza de frenado). Ahora prácticamente todos los coches utilizan frenos de disco en las ruedas delanteras y muchos utilizan frenos de disco en las cuatro ruedas.
En los Estados Unidos, el Jeep CJ-5 (fabricado por AM General ) fue el último automóvil (producido para el Servicio Postal de los Estados Unidos) que usó frenos de tambor delanteros cuando se eliminó gradualmente en 1986. Sin embargo, los frenos de tambor todavía se usan con frecuencia. en las ruedas traseras y para los frenos de estacionamiento . Algunos vehículos utilizan un freno de estacionamiento de "tambor en sombrero", donde las zapatas de freno están dispuestas dentro de la parte central (sombrero) de un rotor de freno de disco, que actúa como tambor. [3]
Las primeras zapatas de freno contenían amianto . Al trabajar en sistemas de frenos de automóviles más antiguos, se debe tener cuidado de no inhalar el polvo presente en el conjunto del freno. Después de que el gobierno federal de los Estados Unidos comenzó a regular la producción de amianto, los fabricantes de frenos tuvieron que cambiar a forros sin amianto. Los propietarios inicialmente se quejaron de un frenado deficiente con los reemplazos, pero la tecnología de frenos finalmente avanzó para compensar. La mayoría de los vehículos antiguos que se circulan diariamente están equipados con revestimientos sin amianto. Muchos otros países también han prohibido el uso de amianto en los frenos.
Los componentes del freno de tambor incluyen la placa de respaldo, el tambor de freno, la zapata, el cilindro de la rueda y varios resortes y pasadores.
La placa de respaldo proporciona una base para los demás componentes. La placa posterior también aumenta la rigidez de toda la configuración, sostiene la carcasa y la protege de materiales extraños como polvo y otros desechos del camino . Absorbe el par de la acción de frenado y es por eso que la placa trasera también se llama "Placa de par". Dado que todas las operaciones de frenado ejercen presión sobre la placa de respaldo, esta debe ser fuerte y resistente al desgaste. En los últimos años también se agregaron palancas para frenos de emergencia o estacionamiento y ajustador automático de zapatas de freno.
El tambor de freno generalmente está hecho de un tipo especial de hierro fundido que es conductor de calor y resistente al desgaste. Gira con la rueda y el eje. Cuando un conductor aplica los frenos, el forro empuja radialmente contra la superficie interior del tambor y la fricción resultante ralentiza o detiene la rotación de la rueda y el eje y, por tanto, del vehículo. Esta fricción genera un calor sustancial.
Un cilindro de rueda acciona el freno en cada rueda. Dos pistones accionan las zapatas, uno en cada extremo del cilindro de la rueda. La zapata principal (la más cercana a la parte delantera del vehículo) se conoce como zapata principal. La zapata trasera se conoce como zapata secundaria. La presión hidráulica del cilindro maestro actúa sobre la copa del pistón, empujando los pistones hacia las zapatas y forzándolos contra el tambor. Cuando el conductor suelta los frenos, los resortes de las zapatas de freno restauran las zapatas a su posición original (desacopladas). Las partes del cilindro de rueda se muestran a la derecha.
Las zapatas de freno suelen estar hechas de dos piezas de acero soldadas entre sí. El material de fricción se remacha a la mesa de revestimiento o se fija con adhesivo. La pieza en forma de media luna se llama Web y contiene orificios y ranuras de diferentes formas para resortes de retorno, elementos de sujeción, varillaje del freno de mano y componentes autoajustables. Toda la fuerza de aplicación del cilindro de rueda se aplica a través de la red a la mesa de revestimiento y al forro de freno. El borde de la mesa de revestimiento generalmente tiene tres muescas o pestañas en forma de V a cada lado llamadas puntas. Las puntas descansan contra las almohadillas de soporte de la placa de respaldo en la que se instalan las zapatas. Cada conjunto de freno tiene dos zapatas, una primaria y una secundaria. La zapata primaria está ubicada hacia la parte delantera del vehículo y tiene el revestimiento colocado de manera diferente a la zapata secundaria. Muy a menudo, los dos zapatos son intercambiables, por lo que es importante una inspección minuciosa para detectar cualquier variación.
Los revestimientos deben ser resistentes al calor y al desgaste y tener un alto coeficiente de fricción que no se vea afectado por las fluctuaciones de temperatura y humedad. Los materiales que componen el forro de las zapatas de freno incluyen modificadores de fricción (que pueden incluir grafito y cáscaras de anacardos ), metales en polvo como plomo, zinc, latón, aluminio y otros metales que resisten la decoloración por calor, aglutinantes, agentes de curado y rellenos como virutas de goma para reducir el ruido de los frenos.
En el Reino Unido solían estar disponibles dos grados comunes de material de zapatas de freno. DON 202 era un material de alta fricción que no requería un servo de frenado. La desventaja era que el revestimiento tenía tendencia a decolorarse en las colinas empinadas. Se produjo un forro más duro, el famoso VG95, pero requería un servofreno. El otro inconveniente era que el freno de estacionamiento a menudo no pasaba la prueba MOT anual a menos que los forros de alta fricción se instalaran solo para la prueba.
Cuando se aplican los frenos, el líquido de frenos pasa bajo presión desde el cilindro maestro hacia el cilindro de la rueda, lo que a su vez empuja las zapatas de freno para que entren en contacto con la superficie mecanizada en el interior del tambor. Esta acción de fricción reduce la rotación del tambor de freno, que está acoplado a la rueda. Por tanto, se reduce la velocidad del vehículo. Cuando se libera la presión, los resortes de retorno devuelven los zapatos a su posición de reposo.
A medida que se desgastan las pastillas de freno, las zapatas deben recorrer una distancia mayor para llegar al tambor. En los sistemas equipados con ajustadores automáticos, cuando la distancia alcanza un cierto punto, un mecanismo de autoajuste reacciona automáticamente ajustando la posición de descanso de las zapatas para que estén más cerca del tambor. Aquí, la palanca de ajuste se balancea lo suficiente como para hacer avanzar el engranaje de ajuste un diente. El ajustador tiene roscas, como un perno, de modo que al girar se desenrosca un poco, alargándose para rellenar el hueco. Cuando las zapatas de freno se desgastan un poco más, el ajustador puede avanzar nuevamente, por lo que siempre mantiene las zapatas cerca del tambor. Por lo general, los ajustadores solo funcionan cuando el vehículo va en reversa y los frenos están accionados.
En vehículos sin ajustadores automáticos, es necesario ajustar periódicamente los frenos manualmente para eliminar el exceso de espacio entre las zapatas y el tambor.
El sistema de frenos de estacionamiento (o de emergencia) controla los frenos a través de una serie de cables de acero que están conectados a una palanca manual o a un pedal. La idea es que el sistema sea completamente mecánico y pase por alto completamente el sistema hidráulico para que el vehículo pueda detenerse incluso si hay una falla total en los frenos. En este caso, el cable tira de una palanca montada en el freno y está directamente conectado a las zapatas de freno. Esto tiene el efecto de pasar por alto el cilindro de rueda y controlar los frenos directamente. [4]
Los frenos de tambor tienen una característica natural de "autoaplicación", más conocida como "autoenergizante". [5] La rotación del tambor puede arrastrar una o ambas zapatas hacia la superficie de fricción, lo que hace que los frenos muerdan con más fuerza, lo que aumenta la fuerza que los mantiene unidos. Esto aumenta la potencia de frenado sin que el conductor realice ningún esfuerzo adicional, pero le dificulta modular la sensibilidad del freno. También hace que el freno sea más sensible al desvanecimiento del freno , ya que una disminución en la fricción del freno también reduce la cantidad de asistencia de frenado.
Los frenos de disco no presentan ningún efecto de autoaplicación porque la presión hidráulica que actúa sobre las pastillas es perpendicular a la dirección de rotación del disco. [5] Los sistemas de frenos de disco generalmente tienen servoasistencia ("Brake Booster") para disminuir el esfuerzo del pedal del conductor, pero algunos autos con frenos de disco (especialmente autos de carrera) y frenos más pequeños para motocicletas, etc., no necesitan usar servos. [5]
Los frenos de tambor generalmente se describen como delanteros/traseros (también llamados "delanteros simples") o delanteros gemelos. [5]
Los frenos de tambor traseros suelen tener un diseño delantero/trasero (para sistemas sin servo) o primario/secundario (para sistemas con servo dúo), y las zapatas se mueven mediante un único cilindro hidráulico de doble acción y están articuladas en el mismo punto. [5] En esta versión, una de las zapatas de freno siempre experimenta el efecto de autoaplicación, independientemente de si el vehículo avanza o retrocede. [5] Esto es particularmente útil en los frenos traseros, donde el freno de estacionamiento (freno de mano o de pie) debe ejercer suficiente fuerza para evitar que el vehículo avance hacia atrás y mantenerlo en una pendiente. Siempre que el área de contacto de las zapatas de freno sea lo suficientemente grande, lo que no siempre es el caso, el efecto autoaplicable puede sujetar de forma segura un vehículo cuando el peso se transfiere a los frenos traseros debido a la inclinación de una pendiente o al sentido inverso. de movimiento. Una ventaja adicional de utilizar un solo cilindro hidráulico en la parte trasera es que el pivote opuesto puede tener la forma de una leva de doble lóbulo que gira mediante la acción del sistema de freno de estacionamiento .
Los frenos de tambor delanteros pueden ser de cualquier diseño en la práctica, pero el diseño doble principal es más efectivo. [5] Este diseño utiliza dos cilindros actuadores dispuestos de modo que ambas zapatas utilicen la característica de autoaplicación cuando el vehículo avanza. [5] Las zapatas de freno giran en puntos opuestos entre sí. [5] Esto proporciona el máximo frenado posible cuando se avanza, pero no es tan efectivo cuando el vehículo se desplaza marcha atrás. [5]
La disposición óptima de los frenos delanteros gemelos con frenos delanteros y traseros en la parte trasera permite una mayor fuerza de frenado en la parte delantera del vehículo cuando se mueve hacia adelante, y menos en la parte trasera. Esto ayuda a evitar que las ruedas traseras se bloqueen, pero aún proporciona un frenado adecuado en la parte trasera. [5]
Debido a que el aluminio se desgasta más fácilmente que el hierro, los tambores de aluminio frecuentemente tienen un revestimiento de hierro o acero en la superficie interior del tambor, adherido o remachado a la carcasa exterior de aluminio.
Los frenos de tambor se utilizan en la mayoría de los camiones pesados, autobuses, algunos camiones medianos y livianos y algunos automóviles, motos de cross y vehículos todo terreno. Los frenos de tambor a menudo se aplican a las ruedas traseras, ya que la mayor parte de la fuerza de frenado la generan los frenos delanteros del vehículo y, por lo tanto, el calor generado en las ruedas traseras es significativamente menor. Los frenos de tambor permiten la sencilla incorporación de un freno de estacionamiento.
Ocasionalmente también se instalan frenos de tambor como freno de estacionamiento (y de emergencia), incluso cuando las ruedas traseras usan frenos de disco como frenos principales. Muchos sistemas de frenos de disco traseros utilizan un freno de estacionamiento en el que el pistón de la pinza es accionado por una leva o un tornillo. Esto comprime las pastillas contra el rotor. Sin embargo, este tipo de sistema se vuelve mucho más complicado cuando los frenos de disco traseros utilizan pinzas fijas de múltiples pistones. En esta situación, normalmente se instala un pequeño tambor dentro o como parte del disco de freno. Este tipo de freno también se conoce como freno banking.
En aplicaciones de vehículos híbridos y eléctricos , el desgaste de los sistemas de frenado se reduce en gran medida mediante generadores de motor con recuperación de energía (ver frenado regenerativo ), por lo que algunos vehículos híbridos como el GMC Yukon Hybrid , el Toyota Prius (excepto la tercera generación) y el Volkswagen ID. 3 e ID.4 utilizan frenos de tambor en las ruedas traseras.
Los frenos de disco dependen de la flexibilidad de los sellos de la pinza y de un ligero descentramiento para liberar las pastillas, lo que provoca resistencia, pérdida de consumo de combustible y rayado del disco. Los resortes de retorno del freno de tambor brindan una acción más positiva y, ajustados correctamente, a menudo tienen menos resistencia cuando se sueltan. Sin embargo, es posible diseñar juntas especiales que retraigan el pistón en un freno de disco.
Los frenos de tambor emiten menos partículas (PM) que los frenos de disco, ya que la mayoría de las partículas de desgaste están selladas. Sin embargo, no son mejores en este sentido que los frenos sin fricción . [6] [7]
Ciertos sistemas de frenos de tambor de servicio más pesado compensan la carga al determinar la presión del cilindro de la rueda; una característica poco común cuando se emplean discos ( los sistemas de suspensión hidroneumática empleados en los vehículos Citroën ajustan la presión de los frenos dependiendo de la carga, independientemente de si se utilizan tambores o discos). Uno de esos vehículos es el Jeep Comanche . El Comanche puede enviar automáticamente más presión a los tambores traseros dependiendo del tamaño de la carga. La mayoría de las otras marcas han utilizado válvulas de detección de carga en el sistema hidráulico del eje trasero durante décadas.
Debido al hecho de que el área de contacto de fricción de un freno de tambor está en la circunferencia del freno, un freno de tambor puede proporcionar más fuerza de frenado que un freno de disco del mismo diámetro. El mayor área de contacto de fricción de las zapatas de freno de tambor en el tambor permite que las zapatas de freno de tambor duren más que las pastillas de freno de disco utilizadas en un sistema de frenos de dimensiones y fuerza de frenado similares. Los frenos de tambor retienen el calor y son más complejos que los frenos de disco, pero a menudo son el tipo de freno más económico y potente para usar en aplicaciones de freno trasero debido a la baja generación de calor de los frenos traseros, la naturaleza autoaplicable de un freno de tambor y una mayor área de contacto de la superficie de fricción. y características de desgaste de larga duración (% de vida útil/kW de potencia de frenado).
Para enumerar las ventajas de los frenos de tambor:
También se han incorporado frenos de tambor en el eje de transmisión de la transmisión como frenos de estacionamiento (por ejemplo, Chrysler hasta 1962). Esto proporciona la ventaja de que es completamente independiente de los frenos de servicio, pero sufre una grave desventaja porque, cuando se usa con un gato de parachoques (común en esa época) en la parte trasera y sin bloques de ruedas adecuados, la acción del diferencial puede permitir que el vehículo se salga del gato.
Land Rover lleva más de cincuenta años utilizando un freno de tambor en el eje de salida de la caja de cambios. La ventaja es que con el freno de estacionamiento se pueden frenar las cuatro ruedas.
Los frenos de tambor, como la mayoría de los demás frenos, convierten la energía cinética en calor mediante fricción . [5] Este calor debería disiparse en el aire circundante, pero puede transferirse fácilmente a otros componentes del sistema de frenos. Los tambores de freno deben ser grandes para hacer frente a las enormes fuerzas involucradas y deben poder absorber y disipar mucho calor. La transferencia de calor al aire se puede facilitar incorporando aletas de enfriamiento en el tambor o incluso perforando agujeros alrededor de la circunferencia del tambor. Sin embargo, puede producirse un calentamiento excesivo debido a un frenado brusco o repetido, lo que puede provocar que el tambor se distorsione y provoque vibraciones al frenar.
La otra consecuencia del sobrecalentamiento es el desgaste de los frenos . [5] Esto se debe a uno de varios procesos, o más generalmente a una acumulación de todos ellos.
El desvanecimiento de los frenos no siempre se debe al sobrecalentamiento. El agua entre las superficies de fricción y el tambor puede actuar como lubricante y reducir la eficiencia de frenado. [5] El agua tiende a permanecer hasta que se calienta lo suficiente como para vaporizarse, momento en el que vuelve la eficiencia de frenado. Todos los sistemas de frenado por fricción tienen una tasa teórica máxima de conversión de energía. Una vez que se alcanza ese ritmo, aplicar una mayor presión en el pedal no lo cambia; de hecho, los efectos mencionados pueden reducirlo sustancialmente. En última instancia, esto es lo que es el desvanecimiento de los frenos, independientemente de los mecanismos que lo causen. Los frenos de disco no son inmunes a ninguno de estos procesos, pero manejan el calor y el agua de manera más efectiva que los de tambor.
Los frenos de tambor pueden agarrarse si la superficie del tambor se oxida ligeramente o si el freno está frío y húmedo, lo que le da al material de la pastilla una mayor fricción. El agarre puede ser tan severo que los neumáticos patinan y continúan patinando incluso cuando se suelta el pedal. El agarre es lo opuesto al desvanecimiento: cuando la fricción de la pastilla aumenta, la naturaleza autoasistido de los frenos de tambor hace que aumente la fuerza de aplicación. Si la fricción de la pastilla y la autoamplificación son lo suficientemente altas, el freno permanece activado debido a la autoaplicación, incluso cuando se libera la fuerza de aplicación externa.
Si bien los rotores de freno de disco se pueden mecanizar para limpiar la superficie de fricción (es decir, "girar"), generalmente no se puede hacer lo mismo con los tambores de freno. Mecanizar la superficie de fricción de un tambor de freno aumenta el diámetro, lo que podría requerir zapatas de gran tamaño para mantener un contacto adecuado con el tambor. Sin embargo, dado que las zapatas de gran tamaño generalmente no están disponibles para la mayoría de las aplicaciones, los tambores desgastados o dañados generalmente deben reemplazarse.
Es bastante sencillo mecanizar tambores de freno si se tiene un torno de funcionamiento lento (una regla general es que el hierro fundido no debe mecanizarse a más de quince metros por minuto). Por lo general, sólo es necesario mecanizar la cresta que se forma y que dificulta la extracción del tambor de freno, especialmente si los frenos son autoajustables. En casos severos, la cresta puede hacer que el tambor de freno quede cautivo; sin embargo, la mayoría de los diseños de frenos de tambor proporcionan una forma de liberar externamente el mecanismo de autoajuste para facilitar la extracción y el servicio del tambor.
Otra desventaja de los frenos de tambor es su relativa complejidad. Una persona debe tener una comprensión general de cómo funcionan los frenos de tambor y tomar varios pasos simples para asegurarse de que los frenos se vuelvan a ensamblar correctamente al trabajar con frenos de tambor. Y, como resultado de esta mayor complejidad (en comparación con los frenos de disco), el mantenimiento de los frenos de tambor suele llevar más tiempo. Además, la mayor cantidad de piezas da como resultado una mayor cantidad de modos de falla en comparación con los frenos de disco. Los resortes pueden romperse por fatiga si no se reemplazan junto con las zapatas de freno desgastadas. Y el tambor y las zapatas pueden dañarse por rayaduras si varios componentes (como resortes rotos o autoajustadores) se rompen y se aflojan dentro del tambor.
Las fallas catastróficas de hardware como resortes y ajustadores también pueden causar una aplicación involuntaria de los frenos o incluso el bloqueo de las ruedas. Si los resortes se rompen, las zapatas podrán caer libremente contra el tambor giratorio, lo que esencialmente provocará que se apliquen los frenos. Debido a las cualidades de autoenergización de los frenos de tambor, las zapatas sueltas pueden incluso hacer que los frenos se agarren hasta el punto de bloquear la rueda. Además, las piezas rotas de resortes y otros elementos (como ajustadores) pueden quedar atrapados entre las zapatas y el tambor, lo que resulta en una aplicación involuntaria de los frenos (y, como se indicó anteriormente, daños a los componentes del freno). Por estas razones, los herrajes de los frenos (como resortes y clips) siempre deben reemplazarse por zapatas de freno.
Además, los frenos de tambor no se aplican inmediatamente cuando los cilindros de las ruedas están presurizados, porque la fuerza de los resortes de retorno debe superarse antes de que las zapatas comiencen a moverse hacia el tambor. Esto significa que los sistemas híbridos de disco/tambor muy comunes solo frenan con los discos (casi siempre delanteros) con una ligera presión del pedal, a menos que se agregue hardware adicional. En la práctica, una válvula dosificadora evita que la presión hidráulica llegue a las pinzas delanteras hasta que la presión aumenta lo suficiente como para superar los resortes de retorno de los frenos de tambor. Si se dejara afuera la válvula dosificadora, el vehículo se detendría solo con los discos delanteros a menos que el conductor usara suficiente presión en el pedal del freno para superar la presión del resorte de retorno en las zapatas traseras.
Cuando el asbesto era común en los frenos de tambor, existía el peligro de que los trabajadores que los reparaban o reemplazaban respiraran fibras de asbesto, que pueden causar mesotelioma . [8] Las fibras de amianto se romperían o separarían con el tiempo y con las altas temperaturas inducidas por el frenado. Se utilizaban habitualmente cepillos húmedos y aerosoles para reducir el polvo. Los reguladores de seguridad a veces recomendaban el uso de mangueras de aspiradora para aspirar el polvo, o recintos con iluminación interior y espacio para usar herramientas en su interior, pero estos eran raros y engorrosos. También se recomendó calzado distintivo diseñado para proteger contra el amianto. [9] Hay evidencia de que los mecánicos de automóviles tenían niveles desproporcionados de mesotelioma. [8]
Quienes realizan trabajos de mantenimiento en los frenos también pueden estar expuestos a los solventes 1,1,1-tricloroetano y 2-butoxietanol (un ingrediente principal de Greasoff No. 19). La exposición a estos disolventes puede causar irritación, incluso en los ojos y las membranas mucosas. La exposición a los vapores de 1-1-1-tricloroetano puede causar daños al sistema nervioso central, mareos, falta de coordinación, somnolencia y aumento del tiempo de reacción. [9]
Antes de 1984, era común volver a arquear las zapatas de freno para que coincidieran con el arco dentro de los tambores de freno. Sin embargo, esta práctica fue controvertida, ya que eliminaba el material de fricción de los frenos, reducía la vida útil de las zapatas y generaba polvo de asbesto peligroso. Después de 1984, se modificó la teoría de diseño actual para usar zapatas para el tambor del diámetro adecuado y simplemente reemplazar el tambor de freno cuando fuera necesario, en lugar de volver a arquear las zapatas.
El tambor de freno ha encontrado un uso popular como instrumento de percusión. Esto probablemente se implementó por primera vez en una composición de 1939 " First Construction (in Metal) " del músico de vanguardia estadounidense John Cage . [10] En tiempos más recientes, el tambor de freno se ha asociado con la percusión "pit" como se usa en bandas de música de campo y conjuntos de percusión de invierno.
freno de mano; Definición de freno de mano: freno de emergencia