Un freno de disco es un tipo de freno que utiliza las pinzas para apretar pares de pastillas contra un disco o rotor [1] para crear fricción . [2] Hay dos tipos básicos de mecanismos de fricción de las pastillas de freno: fricción abrasiva y fricción adherente. [3] Esta acción ralentiza la rotación de un eje, como el eje de un vehículo , ya sea para reducir su velocidad de rotación o para mantenerlo estacionario. La energía del movimiento se convierte en calor , que debe ser dispersado.
Los frenos de disco accionados hidráulicamente son el dispositivo mecánico más utilizado para reducir la velocidad de los vehículos de motor. Los principios de un freno de disco se aplican a casi cualquier eje giratorio. Los componentes incluyen el disco, el cilindro maestro y la pinza, que contienen al menos un cilindro y dos pastillas de freno a ambos lados del disco giratorio.
El desarrollo de los frenos de disco comenzó en Inglaterra en la década de 1890. En 1902, Lanchester Motor Company diseñó frenos que lucían y funcionaban de manera similar a un sistema de frenos de disco moderno, aunque el disco era delgado y un cable activaba la pastilla de freno. [4] Otros diseños no fueron prácticos ni estuvieron ampliamente disponibles en los automóviles durante otros 60 años. Su aplicación exitosa comenzó en aviones antes de la Segunda Guerra Mundial. El tanque Tiger alemán fue equipado con discos en 1942. Después de la guerra, el progreso tecnológico comenzó en 1949, con frenos de disco en las cuatro ruedas tipo pinza en la línea Crosley y un tipo Chrysler sin pinza. En la década de 1950, hubo una demostración de superioridad en las 24 Horas de Le Mans de 1953 , que requirió frenar a alta velocidad varias veces por vuelta. [5] El equipo de carreras Jaguar ganó, utilizando autos equipados con frenos de disco, y gran parte del crédito se le dio al rendimiento superior de los frenos sobre los rivales equipados con frenos de tambor . [5] La producción en masa comenzó con la inclusión de 1949-1950 en toda la producción de Crosley, con una producción en masa sostenida a partir de 1955 del Citroën DS . [4]
Los frenos de disco ofrecen un mejor rendimiento de frenado que los frenos de tambor porque el disco se enfría más fácilmente. En consecuencia, los discos son menos propensos al desvanecimiento de los frenos causado cuando los componentes del freno se sobrecalientan. Los frenos de disco también se recuperan más rápido de la inmersión (los frenos húmedos son menos efectivos que los secos). [5]
La mayoría de los diseños de frenos de tambor tienen al menos una zapata principal, lo que proporciona un efecto servo . Por el contrario, un freno de disco no tiene efecto de autoservo y su fuerza de frenado siempre es proporcional a la presión ejercida sobre la pastilla de freno por el sistema de frenado a través de cualquier servofreno, pedal de freno o palanca. Esto tiende a darle al conductor una mejor "sensación" y ayuda a evitar un bloqueo inminente. Los tambores también son propensos a formar "bocas acampanadas" y atrapan material de revestimiento desgastado dentro del conjunto, provocando diversos problemas de frenado.
El disco suele estar fabricado de hierro fundido . En algunos casos, puede estar hecho de compuestos como carbono-carbono reforzado o compuestos de matriz cerámica . Este está conectado a la rueda y al eje . Para frenar la rueda, el material de fricción en forma de pastillas de freno , montado en la pinza de freno , se fuerza mecánica, hidráulica , neumática o electromagnéticamente contra ambos lados del disco. La fricción hace que el disco y la rueda adjunta disminuyan la velocidad o se detengan.
El disco de freno es la parte giratoria del conjunto de freno de disco de una rueda, contra la cual se aplican las pastillas de freno. El material suele ser hierro gris , [6] una forma de hierro fundido . El diseño de los discos varía. Algunos son sólidos, pero otros están ahuecados con aletas o paletas que unen las dos superficies de contacto del disco (generalmente incluidas en el proceso de fundición). El peso y la potencia del vehículo determinan la necesidad de discos ventilados. [7] El diseño del disco "ventilado" ayuda a disipar el calor generado y se usa comúnmente en los discos delanteros más cargados.
Los discos para motocicletas, bicicletas y muchos automóviles suelen tener agujeros o ranuras en el disco. Esto se hace para una mejor disipación del calor , para ayudar a la dispersión del agua superficial, para reducir el ruido, para reducir la masa o para comercializar cosméticos.
Los discos ranurados tienen canales poco profundos mecanizados en el disco para ayudar a eliminar el polvo y el gas. En la mayoría de los entornos de carreras se prefiere el ranurado para eliminar el gas y el agua y desglasar las pastillas de freno. Algunos discos están perforados y ranurados. Los discos ranurados generalmente no se utilizan en vehículos estándar porque desgastan rápidamente las pastillas de freno; sin embargo, la eliminación del material es beneficiosa para los vehículos de carreras ya que mantiene las pastillas suaves y evita la vitrificación de sus superficies. En carretera, los discos perforados o ranurados siguen teniendo un efecto positivo en condiciones húmedas, porque los agujeros o las ranuras evitan que se forme una película de agua entre el disco y las pastillas.
Los discos de dos piezas son cuando la parte de montaje central del disco se fabrica por separado del anillo de fricción exterior. La sección central utilizada para el montaje a menudo se llama campana o sombrero debido a su forma. Por lo general, se fabrica a partir de una aleación como la aleación 7075 y se anodiza duro para un acabado duradero. El anillo exterior del disco suele estar fabricado de hierro gris . También pueden ser de acero o cerámica al carbono para aplicaciones particulares. Estos materiales se originaron en el uso en deportes de motor y están disponibles en vehículos de alto rendimiento y actualizaciones del mercado de accesorios. Los discos de dos piezas se pueden suministrar como un conjunto fijo con tuercas, pernos y arandelas normales o como un sistema flotante más complicado en el que las bobinas impulsoras permiten que las dos partes del disco de freno se expandan y contraigan a diferentes velocidades, reduciendo así la posibilidad de que El disco se deformará debido al sobrecalentamiento. Las ventajas clave de un disco de dos piezas son el ahorro de peso crítico no suspendido y la disipación del calor de la superficie del disco a través de la campana de aleación (sombrero). Tanto las opciones fijas como las flotantes tienen sus inconvenientes y ventajas. Los discos flotantes son propensos a traquetear y acumular escombros y son más adecuados para los deportes de motor, mientras que los fijos son mejores para uso en carretera. [8]
El desarrollo de los frenos de disco comenzó en Inglaterra en la década de 1890. El primer freno de disco para automóvil tipo pinza fue patentado por Frederick William Lanchester en su fábrica de Birmingham en 1902 y utilizado con éxito en los automóviles de Lanchester . Sin embargo, la limitada elección de metales en este período le obligó a utilizar cobre como medio de frenado que actúa sobre el disco. El mal estado de las carreteras en esa época, que no eran más que pistas polvorientas y rugosas, significaba que el cobre se desgastaba rápidamente, lo que hacía que el sistema no fuera práctico. [4] [9]
En 1921, la compañía de motocicletas Douglas introdujo una forma de freno de disco en la rueda delantera de sus modelos deportivos con válvulas en cabeza. Patentado por la Asociación Británica de Investigación de Motocicletas y Coches de Bicicletas, Douglas describió el dispositivo como un "freno de cuña novedoso" que funciona en una "brida de cubo biselada". Un cable Bowden accionaba el freno. Este tipo de frenos delanteros y traseros estaban instalados en la máquina con la que Tom Sheard consiguió la victoria en el Senior TT de 1923 . [10]
La aplicación exitosa comenzó en trenes de pasajeros, aviones y tanques aerodinámicos antes y durante la Segunda Guerra Mundial. En los EE. UU., Budd Company introdujo frenos de disco en el General Pershing Zephyr para el ferrocarril de Burlington en 1938. A principios de la década de 1950, los frenos de disco se aplicaban regularmente al nuevo material rodante de pasajeros. [11] En Gran Bretaña, la Compañía Daimler utilizó frenos de disco en su Vehículo Blindado Daimler de 1939. Los frenos de disco, fabricados por la compañía Girling , eran necesarios porque en ese vehículo de tracción a las cuatro ruedas (4×4) la transmisión final epicicloidal era en los cubos de las ruedas y, por tanto, no dejaba espacio para frenos de tambor convencionales montados en los cubos . [12]
Hermann Klaue (1912-2001) había patentado en 1940 [13] frenos de disco en la empresa alemana Argus Motoren. Argus suministraba ruedas equipadas con frenos de disco, por ejemplo para el Arado Ar 96 . [14] El tanque pesado alemán Tiger I se introdujo en 1942 con un disco Argus-Werke de 55 cm [15] en cada eje de transmisión.
El Crosley Hot Shot estadounidense tenía frenos de disco en las cuatro ruedas en 1949 y 1950. Sin embargo, rápidamente resultaron problemáticos y fueron eliminados. [4] Crosley volvió a los frenos de tambor, y las conversiones de frenos de tambor para Hot Shots fueron populares. [16] La falta de investigación suficiente causó problemas de confiabilidad, como adherencia y corrosión, especialmente en regiones que usan sal en las carreteras en invierno. [16] Los frenos de disco Crosley en las cuatro ruedas hicieron que los autos y los especiales basados en Crosley fueran populares en las carreras SCCA H-Production y H-modified en la década de 1950. [ cita necesaria ] El disco Crosley era un diseño de Goodyear -Hawley, un tipo moderno de pinza "puntual" con un disco moderno, derivado de un diseño de aplicaciones aeronáuticas. [4]
Chrysler desarrolló un sistema de frenos único, ofrecido desde 1949 hasta 1953. [17] En lugar del disco con pinza apretándolo, este sistema usaba discos gemelos expansivos que frotaban contra la superficie interna de un tambor de freno de hierro fundido, que hacía las veces de freno. carcasa del freno. [16] Los discos se separan para crear fricción contra la superficie interior del tambor mediante la acción de cilindros de rueda estándar . [16] Debido al costo, los frenos solo eran estándar en el Chrysler Crown y el Town and Country Newport en 1950. [16] Sin embargo, eran opcionales en otros Chrysler, con un precio de alrededor de $ 400, en un momento en que un Crosley completo Hot Shot se vendió por $935. [16] Este sistema de frenos de disco en las cuatro ruedas fue construido por Auto Specialties Manufacturing Company (Ausco) de St. Joseph, Michigan , bajo patentes del inventor HL Lambert, y se probó por primera vez en un Plymouth de 1939 . [16] Los discos de Chrysler eran "autoenergizantes", en el sentido de que parte de la energía de frenado contribuía al esfuerzo de frenado. [16] Esto se logró mediante pequeñas bolas colocadas en orificios ovalados que conducían a la superficie de frenado. [16] Cuando el disco hacía contacto inicial con la superficie de fricción, las bolas serían forzadas a subir por los orificios, lo que obligaría a los discos a separarse más y aumentaría la energía de frenado. [16] Esto permitió una presión de frenado más ligera que con pinzas, evitó el desvanecimiento de los frenos, promovió un funcionamiento más fresco y proporcionó un tercio más de superficie de fricción que los tambores estándar de doce pulgadas de Chrysler. [16] Los propietarios actuales consideran que el Ausco-Lambert es muy fiable y potente, pero admiten su agarre y sensibilidad. [dieciséis]
En 1953, 50 modelos Austin-Healey 100S (Sebring) con carrocería de aluminio , construidos principalmente para carreras, fueron los primeros automóviles europeos vendidos al público que tenían frenos de disco instalados en las cuatro ruedas. [18]
El auto de carreras Jaguar C-Type ganó las 24 Horas de Le Mans de 1953 , el único vehículo en la carrera que usó frenos de disco, desarrollado en el Reino Unido por Dunlop , y el primer auto en Le Mans en lograr un promedio de más de 100 mph. [19] "Los grandes frenos de tambor de sus rivales podrían igualar la detención definitiva de los discos, pero no su formidable poder de permanencia". [5]
Antes de esto, en 1950, un Crosley HotShot con frenos de disco originales en las cuatro ruedas ganó el Índice de Rendimiento en la primera carrera en Sebring (seis horas en lugar de 12) en la víspera de Año Nuevo de 1950. [ cita necesaria ]
El Citroën DS fue la primera producción en masa sostenida que utilizó frenos de disco para automóviles modernos, en 1955. [4] [9] [20] [21] [22] El automóvil presentaba frenos de disco delanteros tipo pinza entre sus muchas innovaciones. [4] Estos discos estaban montados en el interior cerca de la transmisión y eran impulsados por el sistema hidráulico central del vehículo. Este modelo llegó a vender 1,5 millones de unidades durante 20 años con la misma configuración de frenos. [4]
A pesar de los primeros experimentos realizados en 1902 por la británica Lanchester Motor Company , y en 1949 por las estadounidenses Chrysler y Crosley , esta tecnología costosa y propensa a problemas no estaba lista para la producción en masa. [4] [17] Los intentos pronto fueron retirados. [4] [17] [16]
El Jensen 541 , con frenos de disco en las cuatro ruedas, siguió en 1956. [4] [23] Triumph exhibió al público un TR3 de 1956 con frenos de disco, pero los primeros autos de producción con frenos de disco delanteros Girling se fabricaron en septiembre de 1956. [24] Jaguar comenzó a ofrecer frenos de disco en febrero de 1957 en el modelo XK150, [25] pronto siguió con la berlina deportiva Mark 1 [26] y en 1959 con la berlina grande Mark IX. [27]
Los frenos de disco eran más populares en los autos deportivos cuando se introdujeron por primera vez, ya que estos vehículos son más exigentes en cuanto al rendimiento de los frenos. Los discos se han convertido ahora en la forma más común en la mayoría de los vehículos de pasajeros. Sin embargo, muchos (vehículos livianos) usan frenos de tambor en las ruedas traseras para mantener bajos los costos y el peso, así como para simplificar las disposiciones para un freno de mano . Este puede ser un compromiso razonable porque los frenos delanteros realizan la mayor parte del esfuerzo de frenado.
Muchas de las primeras implementaciones para automóviles ubicaban los frenos en el lado interior del eje de transmisión , cerca del diferencial , mientras que la mayoría de los frenos actuales se encuentran dentro de las ruedas. Una ubicación interna reduce el peso no suspendido y elimina una fuente de transferencia de calor a los neumáticos.
Históricamente, los discos de freno se fabricaban en todo el mundo, con concentración en Europa y América. Entre 1989 y 2005, la fabricación de discos de freno emigró predominantemente a China.
En 1963, el Studebaker Avanti estaba equipado de fábrica con frenos de disco delanteros. [28] Este sistema Bendix era opcional en algunos de los otros modelos Studebaker. [29] Los frenos de disco delanteros se convirtieron en equipo estándar en el Rambler Marlin de 1965 . [30] Las unidades Bendix eran opcionales en todos los modelos Rambler Classic y Ambassador de American Motors , así como en el Ford Thunderbird y el Lincoln Continental . [7] [31] [32] También se introdujo un sistema de frenos de disco en las cuatro ruedas en 1965 en el Chevrolet Corvette Stingray. [33] La mayoría de los automóviles estadounidenses cambiaron los frenos de tambor delanteros por frenos de disco delanteros a finales de los años 1970 y principios de los 1980.
Lambretta introdujo el primer uso en producción de gran volumen de un freno de disco delantero único, flotante, encerrado en un buje de aleación fundida ventilado y accionado por cable, en el TV175 de 1962. [34] [35] A este le siguió el GT200 en 1964. [36] [37] [38] [39]
MV Agusta fue el segundo fabricante en ofrecer al público una motocicleta con freno de disco delantero a pequeña escala en 1965, en su costosa motocicleta touring 600 con accionamiento mecánico accionado por cable. [40] En 1969, Honda introdujo la CB750, más asequible , que tenía un único freno de disco delantero accionado hidráulicamente (y un freno de tambor trasero), y que se vendió en grandes cantidades. [40] [41]
A diferencia de los automóviles, los frenos de disco que se encuentran dentro de la rueda, los frenos de disco de las bicicletas están en la corriente de aire y tienen una refrigeración óptima. Aunque los discos de hierro fundido tienen una superficie porosa que proporciona un rendimiento de frenado superior, dichos discos se oxidan con la lluvia y se vuelven antiestéticos. Por ello, los discos de las motocicletas suelen ser de acero inoxidable, perforados, ranurados u ondulados para dispersar el agua de lluvia. Los discos de las motocicletas modernas tienden a tener un diseño flotante mediante el cual el disco "flota" sobre las bobinas y puede moverse ligeramente, lo que permite un mejor centrado del disco con una pinza fija. Un disco flotante también evita la deformación del disco y reduce la transferencia de calor al cubo de la rueda.
Las pinzas han evolucionado desde simples unidades de un solo pistón hasta elementos de dos, cuatro e incluso seis pistones. [42] En comparación con los automóviles, las motocicletas tienen una relación centro de masa : distancia entre ejes más alta , por lo que experimentan una mayor transferencia de peso al frenar. Los frenos delanteros absorben la mayor parte de las fuerzas de frenado, mientras que el freno trasero sirve principalmente para equilibrar la motocicleta durante el frenado. Las motos deportivas modernas suelen tener dos discos delanteros grandes y un disco trasero mucho más pequeño. Las bicicletas que son particularmente rápidas o pesadas pueden tener discos ventilados.
Los primeros frenos de disco (como los primeros Honda Fours y el Norton Commando ) ubicaban las pinzas en la parte superior del disco, delante del control deslizante de la horquilla. Aunque esto proporcionó una mejor refrigeración a las pastillas de freno, ahora es una práctica casi universal colocar la pinza detrás del control deslizante (para reducir el momento angular del conjunto de la horquilla). Las pinzas de disco traseras pueden montarse encima (por ejemplo, BMW R1100S ) o debajo (por ejemplo, Yamaha TRX850 ) del brazo oscilante: un soporte bajo proporciona un centro de gravedad ligeramente más bajo, mientras que una ubicación superior mantiene la pinza más limpia y mejor protegida de los obstáculos de la carretera. .
Un problema con los frenos de disco de las motocicletas es que cuando una motocicleta sufre un violento golpe del tanque (oscilación de alta velocidad de la rueda delantera), las pastillas de freno de las pinzas se separan de los discos, por lo que cuando el conductor aplica la palanca del freno, Los pistones de la pinza empujan las pastillas hacia los discos sin llegar a hacer contacto. Luego, el ciclista frena con más fuerza, forzando las pastillas sobre el disco de manera mucho más agresiva que el frenado estándar. Un ejemplo de esto fue el incidente de Michele Pirro en Mugello, Italia, el 1 de junio de 2018. [43] Al menos un fabricante ha desarrollado un sistema para contrarrestar el desplazamiento de las pastillas.
Un desarrollo moderno, particularmente en las horquillas invertidas ("invertidas" o "USD") es la pinza montada radialmente. Aunque están de moda, no hay evidencia de que mejoren el rendimiento de frenado o aumenten la rigidez de la horquilla. (Al carecer de la opción de una abrazadera para horquilla, las horquillas USD pueden reforzarse mejor con un eje delantero de gran tamaño). [ cita necesaria ]
Los frenos de disco para bicicletas pueden variar desde sistemas mecánicos simples (de cable) hasta sistemas de discos hidráulicos de pistones múltiples, costosos y potentes, comúnmente utilizados en bicicletas de carreras de descenso . La tecnología mejorada ha visto la creación de discos ventilados para uso en bicicletas de montaña , similares a los de los automóviles, introducidos para ayudar a evitar la pérdida de calor en descensos alpinos rápidos. Aunque son menos comunes, los discos también se utilizan en bicicletas de carretera para todo tipo de clima con frenado predecible, aunque a veces se prefieren los tambores porque son más difíciles de dañar en estacionamientos llenos de gente, donde los discos a veces se doblan. La mayoría de los discos de freno de bicicletas están hechos de acero. Se prefiere el acero inoxidable debido a sus propiedades antioxidantes. [44] Los discos son delgados, a menudo de unos 2 mm. Algunos usan un estilo de disco flotante de dos piezas, otros usan un disco de metal sólido de una sola pieza. Los frenos de disco de bicicleta utilizan una pinza de dos pistones que sujeta el disco desde ambos lados o una pinza de un solo pistón con una pastilla móvil que hace contacto primero con el disco y luego empuja el disco contra la pastilla inmóvil. [45] Debido a que la eficiencia energética es tan importante en las bicicletas, una característica poco común de los frenos de bicicleta es que las pastillas se retraen para eliminar la resistencia residual cuando se suelta el freno. [ se necesita aclaración ] Por el contrario, la mayoría de los otros frenos arrastran las pastillas ligeramente cuando se sueltan para minimizar el recorrido operativo inicial. [ se necesita aclaración ]
Los frenos de disco se utilizan cada vez más en vehículos de carretera muy grandes y pesados, donde antes los frenos de tambor grandes eran casi universales. Una razón es que la falta de autoasistencia del disco hace que la fuerza de frenado sea mucho más predecible, por lo que la fuerza máxima de frenado puede aumentarse sin mayor riesgo de que la dirección inducida por el frenado o se doble en vehículos articulados. Otra es que los frenos de disco se desvanecen menos cuando están calientes, y en un vehículo pesado, el aire, la resistencia al rodar y el frenado con motor son partes pequeñas de la fuerza de frenado total, por lo que los frenos se usan con más fuerza que en vehículos más livianos, y el desvanecimiento de los frenos de tambor puede ocurrir en una sola parada. Por estas razones, un camión pesado con frenos de disco puede detenerse en aproximadamente el 120% de la distancia de un automóvil de pasajeros, pero con tambores, detenerse toma aproximadamente el 150% de la distancia. [46] En Europa, las regulaciones sobre la distancia de frenado requieren esencialmente frenos de disco para vehículos pesados. En EE. UU., los tambores están permitidos y normalmente son los preferidos por su precio de compra más bajo, a pesar de un mayor costo total de vida útil y de intervalos de servicio más frecuentes. [ cita necesaria ]
Still-larger discs are used for railroad cars, trams, and some airplanes. Passenger rail cars and light rail vehicles often use disc brakes outboard of the wheels, which helps ensure a free flow of cooling air. Some modern passenger rail cars, such as the Amfleet II cars, use inboard disc brakes. This reduces wear from debris and provides protection from rain and snow, which would make the discs slippery and unreliable. However, there is still plenty of cooling for reliable operation. Some airplanes have the brake mounted with very little cooling, and the brake gets hot when stopping. This is acceptable as there is sufficient time for cooling, where the maximum braking energy is very predictable. Should the braking energy exceed the maximum, for example during an emergency occurring during take-off, aircraft wheels can be fitted with a fusible plug[47] to prevent the tire bursting. This is a milestone test in aircraft development.[48]
For automotive use, disc brake discs are commonly made of grey iron.[6] The SAE maintains a specification for the manufacture of grey iron for various applications. For normal car and light-truck applications, SAE specification J431 G3000 (superseded to G10) dictates the correct range of hardness, chemical composition, tensile strength, and other properties necessary for the intended use. Some racing cars and airplanes use brakes with carbon fiber discs and carbon fiber pads to reduce weight. Wear rates tend to be high, and braking may be poor or grabby until the brake is hot.
En los coches de carreras y de carretera de alto rendimiento se han empleado otros materiales de disco. Brabham junto con Dunlop introdujeron en la Fórmula Uno discos y pastillas de carbono reforzados inspirados en sistemas de frenado de aviones como los utilizados en el Concorde en 1976. [49] El frenado de carbono-carbono se utiliza ahora en la mayoría de los deportes de motor de alto nivel en todo el mundo, reduciendo los peso , lo que proporciona un mejor rendimiento de fricción y propiedades estructurales mejoradas a altas temperaturas, en comparación con el hierro fundido. Ocasionalmente se han aplicado frenos de carbono a automóviles de carretera, por ejemplo por el fabricante francés de automóviles deportivos Venturi a mediados de la década de 1990, pero necesitan alcanzar una temperatura de funcionamiento muy alta antes de volverse verdaderamente efectivos y, por lo tanto, no son muy adecuados para el uso en carretera. El calor extremo generado en estos sistemas es visible durante las carreras nocturnas, especialmente en pistas más cortas. No es raro ver los discos de freno brillar en rojo durante el uso.
Los discos cerámicos se utilizan en algunos automóviles de alto rendimiento y vehículos pesados.
El primer desarrollo del moderno freno cerámico fue realizado por ingenieros británicos para aplicaciones de TGV en 1988. El objetivo era reducir el peso y el número de frenos por eje, así como proporcionar una fricción estable a altas velocidades y en todas las temperaturas. El resultado fue un proceso cerámico reforzado con fibra de carbono que ahora se utiliza en diversas formas para aplicaciones de frenos de automóviles, ferrocarriles y aviones.
Debido a la alta tolerancia al calor y la resistencia mecánica de los discos compuestos cerámicos, a menudo se utilizan en vehículos exóticos donde el costo no es prohibitivo. [50] También se encuentran en aplicaciones industriales donde las propiedades livianas y de bajo mantenimiento del disco cerámico justifican el costo. Los frenos compuestos pueden soportar temperaturas que dañarían los discos de acero.
Los frenos cerámicos compuestos (PCCB) de Porsche son de fibra de carbono siliconada, con capacidad para altas temperaturas, una reducción de peso del 50% con respecto a los discos de hierro (reduciendo así el peso no suspendido del vehículo), una reducción significativa en la generación de polvo, intervalos de mantenimiento sustancialmente extendidos y Mayor durabilidad en ambientes corrosivos. Se encuentra en algunos de sus modelos más caros y también es un freno opcional para todos los Porsche de calle con un costo adicional. Se reconocen por la pintura amarilla brillante de las pinzas de aluminio de seis pistones. Los discos tienen ventilación interna, como los de hierro fundido, y están perforados en cruz. [ cita necesaria ]
En aplicaciones automotrices, el sello del pistón tiene una sección transversal cuadrada, también conocida como sello de corte cuadrado.
A medida que el pistón entra y sale, el sello se arrastra y se estira sobre el pistón, lo que hace que el sello se tuerza. El sello se distorsiona aproximadamente 1/10 de milímetro. Se permite que el pistón se mueva libremente, pero la ligera resistencia causada por el sello impide que el pistón se retraiga completamente a su posición anterior cuando se sueltan los frenos, y así absorbe la holgura causada por el desgaste de las pastillas de freno. eliminando la necesidad de resortes de retorno. [51] [52]
En algunas pinzas de disco traseras, el freno de mano activa un mecanismo dentro de la pinza que realiza algunas de las mismas funciones.
Los discos generalmente se dañan de una de cuatro maneras: cicatrices, grietas, deformaciones u oxidación excesiva. Los talleres de servicio a veces responden a cualquier problema de disco cambiándolos por completo. Esto se hace principalmente cuando el costo de un disco nuevo puede ser menor que el costo de la mano de obra para reparar el disco viejo. Mecánicamente, esto es innecesario a menos que los discos hayan alcanzado el espesor mínimo recomendado por el fabricante, lo que haría inseguro su uso, o que la oxidación de las paletas sea severa (solo discos ventilados). La mayoría de los principales fabricantes de vehículos recomiendan el desnatado de los discos de freno (EE. UU.: giro) como solución para el descentramiento lateral, los problemas de vibración y los ruidos de los frenos. El proceso de mecanizado se realiza en un torno de frenos , que elimina una capa muy fina de la superficie del disco para limpiar daños menores y restaurar un espesor uniforme. Mecanizar el disco según sea necesario maximizará el kilometraje de los discos actuales del vehículo.
El descentramiento se mide utilizando un indicador de cuadrante sobre una base rígida fija, con la punta perpendicular a la cara del disco de freno. Por lo general, se mide aproximadamente 1 ⁄ 2 pulgadas (12,7 mm) desde el diámetro exterior del disco. El disco está hecho girar. La diferencia entre el valor mínimo y máximo en el dial se llama desviación lateral. Las especificaciones típicas de excentricidad del conjunto de cubo/disco para vehículos de pasajeros son de alrededor de 0,002 pulgadas (0,0508 mm ). El descentramiento puede ser causado por la deformación del propio disco o por el descentramiento en la cara subyacente del cubo de la rueda o por contaminación entre la superficie del disco y la superficie de montaje del cubo subyacente. Para determinar la causa raíz del desplazamiento del indicador (desviación lateral) es necesario desmontar el disco del cubo. El descentramiento de la cara del disco debido al descentramiento de la cara del cubo o a la contaminación normalmente tendrá un período de 1 mínimo y 1 máximo por revolución del disco de freno.
Los discos se pueden mecanizar para eliminar la variación de espesor y el descentramiento lateral. El mecanizado se puede realizar in situ (on-car) o off-car (torno de banco). Ambos métodos eliminarán la variación de espesor. El mecanizado en el automóvil con el equipo adecuado también puede eliminar el descentramiento lateral debido a la no perpendicularidad de la cara del cubo.
Un ajuste incorrecto puede distorsionar (deformar) los discos. Los pernos de retención del disco (o las tuercas/rueda, si el disco está atrapado en la rueda) deben apretarse progresiva y uniformemente. El uso de herramientas neumáticas para apretar tuercas puede ser una mala práctica a menos que se utilice una llave dinamométrica para el ajuste final. El manual del vehículo indicará el patrón adecuado para apretar, así como el torque nominal para los pernos. Las tuercas nunca deben apretarse en círculo. Algunos vehículos son sensibles a la fuerza que aplican los pernos y el ajuste debe realizarse con una llave dinamométrica .
A menudo, la transferencia desigual de la pastilla se confunde con la deformación del disco. [53] La mayoría de los discos de freno diagnosticados como "deformados" son el resultado de una transferencia desigual del material de las pastillas. La transferencia desigual de la almohadilla puede provocar una variación del grosor del disco. Cuando la sección más gruesa del disco pasa entre las pastillas, las pastillas se separarán y el pedal del freno se levantará ligeramente; Esta es la pulsación del pedal. El conductor puede sentir la variación de espesor cuando es de aproximadamente 0,17 mm (0,0067 pulgadas) o más (en discos de automóviles).
La variación del espesor del disco tiene muchas causas, pero tres mecanismos principales contribuyen a la propagación de las variaciones del espesor del disco. El primero es la selección inadecuada de las pastillas de freno. Las pastillas que son efectivas a bajas temperaturas, como cuando se frena por primera vez en un clima frío, a menudo están hechas de materiales que se descomponen de manera desigual a temperaturas más altas. Esta descomposición desigual da como resultado la deposición desigual de material sobre el disco de freno. Otra causa de transferencia desigual de material es el rodaje inadecuado de una combinación de pastilla y disco. Para un rodaje adecuado, se debe renovar la superficie del disco (ya sea mecanizando la superficie de contacto o reemplazando el disco) cada vez que se cambian las pastillas. Una vez hecho esto, los frenos se aplican con fuerza varias veces seguidas. Esto crea una interfaz suave y uniforme entre el pad y el disco. Cuando esto no se hace correctamente, las pastillas de freno verán una distribución desigual de la tensión y el calor, lo que dará como resultado una deposición desigual y aparentemente aleatoria del material de la pastilla. El tercer mecanismo principal de transferencia desigual del material de la almohadilla es la "impresión de almohadilla". Esto ocurre cuando las pastillas de freno se calientan hasta el punto que el material comienza a descomponerse y transferirse al disco. En un sistema de frenos correctamente asentado (con pastillas seleccionadas adecuadamente), esta transferencia es natural y contribuye de manera importante a la fuerza de frenado generada por las pastillas de freno. Sin embargo, si el vehículo se detiene y el conductor continúa frenando, como es habitual en los coches con cambio automático , las pastillas depositarán una capa de material con la forma de la pastilla de freno. Esta pequeña variación de espesor puede iniciar el ciclo de transferencia desigual de la almohadilla.
Una vez que el disco tiene cierto nivel de variación en el espesor, la deposición desigual de las pastillas puede acelerarse, lo que a veces resulta en cambios en la estructura cristalina del metal que compone el disco. A medida que se aplican los frenos, las pastillas se deslizan sobre la superficie variable del disco. A medida que las pastillas pasan por la sección más gruesa del disco, son forzadas hacia afuera. El pie del conductor que pisa el pedal del freno resiste naturalmente este cambio y, por tanto, se aplica más fuerza a las pastillas. El resultado es que las secciones más gruesas sufren mayores niveles de tensión. Esto provoca un calentamiento desigual de la superficie del disco, lo que provoca dos problemas importantes. A medida que el disco de freno se calienta de manera desigual, también se expande de manera desigual. Las secciones más gruesas del disco se expanden más que las más delgadas debido a que reciben más calor y, por lo tanto, la diferencia de espesor aumenta. Además, la distribución desigual del calor da como resultado una transferencia aún más desigual del material de la almohadilla. El resultado es que las secciones más gruesas y calientes reciben incluso más material de pastilla que las secciones más delgadas y frías, lo que contribuye a un aumento adicional en la variación del espesor del disco. En situaciones extremas, este calentamiento desigual puede provocar que cambie la estructura cristalina del material del disco. Cuando las secciones más calientes de los discos alcanzan temperaturas extremadamente altas (1200 a 1300 °F o 649 a 704 °C), el metal puede sufrir una transformación de fase y el carbono que se disuelve en el acero puede precipitarse para formar carburo con alto contenido de carbono. regiones conocidas como cementita . Este carburo de hierro es muy diferente al hierro fundido que compone el resto del disco. Es extremadamente duro, quebradizo y no absorbe bien el calor. Una vez formada la cementita, la integridad del disco se ve comprometida. Incluso si se mecaniza la superficie del disco, la cementita dentro del disco no se desgastará ni absorberá calor al mismo ritmo que el hierro fundido que lo rodea, lo que provocará que el espesor desigual y las características de calentamiento del disco regresen.
Pueden producirse cicatrices (EE.UU.: puntuación) si las pastillas de freno no se cambian rápidamente cuando llegan al final de su vida útil y se consideran desgastadas. Una vez que se haya desgastado suficiente material de fricción, la placa de respaldo de acero de la pastilla (para pastillas pegadas) o los remaches retenedores de la pastilla (para pastillas remachadas) se apoyarán sobre la superficie de desgaste del disco, reduciendo la potencia de frenado y rayando el disco. Generalmente, un disco moderadamente rayado o rayado, que funcionó satisfactoriamente con las pastillas de freno existentes, se podrá utilizar igualmente con pastillas nuevas. Si la cicatrización es más profunda pero no excesiva, se puede reparar mecanizando una capa de la superficie del disco. Esto sólo se puede hacer un número limitado de veces ya que el disco tiene un espesor mínimo seguro. El valor de espesor mínimo normalmente se moldea en el disco durante la fabricación en el cubo o en el borde del disco. En Pensilvania , que tiene uno de los programas de inspección de seguridad automotriz más rigurosos de América del Norte, un disco automotriz no puede pasar una inspección de seguridad si alguna raya es más profunda que 0,015 pulgadas (0,38 mm) y debe reemplazarse si el mecanizado reducirá el disco. por debajo de su espesor mínimo de seguridad.
Para evitar cicatrices, es prudente inspeccionar periódicamente el desgaste de las pastillas de freno. La rotación de neumáticos es un momento lógico para la inspección, ya que la rotación debe realizarse regularmente según el tiempo de operación del vehículo y se deben quitar todas las ruedas, lo que permite un fácil acceso visual a las pastillas de freno. Algunos tipos de llantas de aleación y disposiciones de frenos proporcionarán suficiente espacio abierto para ver las pastillas sin quitar la rueda. Cuando sea práctico, las pastillas que estén cerca del punto de desgaste deben reemplazarse inmediatamente, ya que el desgaste total provoca cicatrices y un frenado inseguro. Muchas pastillas de freno de disco incluirán algún tipo de resorte de acero blando o lengüeta de arrastre como parte del conjunto de la pastilla, que arrastra el disco cuando la pastilla está casi desgastada. Esto produce un chirrido moderadamente fuerte, que alerta al conductor de que se requiere servicio. Normalmente, esto no dejará cicatrices en el disco si los frenos se revisan con prontitud. Se puede considerar el reemplazo de un juego de almohadillas si el espesor del material de la almohadilla es igual o menor que el espesor del acero de respaldo. En Pensilvania, el estándar es 1/32 ″.
El agrietamiento se limita principalmente a los discos perforados, que pueden desarrollar pequeñas grietas alrededor de los bordes de los orificios perforados cerca del borde del disco debido a la tasa desigual de expansión del disco en entornos de servicio severo. Los fabricantes que utilizan discos perforados como OEM normalmente lo hacen por dos razones: apariencia, si determinan que el propietario promedio del modelo de vehículo preferirá la apariencia sin estresar demasiado el hardware; o como función de reducir el peso no suspendido del conjunto de freno, con el supuesto de ingeniería de que queda suficiente masa del disco de freno para absorber las temperaturas y tensiones de carrera. Un disco de freno es un disipador de calor , pero la pérdida de masa del disipador de calor puede compensarse con una mayor superficie para irradiar calor. Pueden aparecer pequeñas grietas finas en cualquier disco de metal con perforación cruzada como mecanismo de desgaste normal, pero en casos severos, el disco fallará catastróficamente. No es posible reparar las grietas y, si las grietas se vuelven graves, se debe reemplazar el disco. Estas grietas se producen debido al fenómeno de fatiga de ciclo bajo como resultado de frenadas bruscas y repetidas. [54]
Los discos suelen estar hechos de hierro fundido y es normal que se oxide una cierta cantidad de superficie . El área de contacto del disco para las pastillas de freno se mantendrá limpia con el uso regular, pero un vehículo que se almacena durante un período prolongado puede desarrollar una oxidación significativa en el área de contacto que puede reducir la potencia de frenado por un tiempo hasta que la capa oxidada se desgaste nuevamente. . La oxidación también puede provocar que el disco se deforme cuando los frenos se reactivan después del almacenamiento debido al calentamiento diferencial entre las áreas no oxidadas que quedan cubiertas por las pastillas y al óxido alrededor de la mayor parte de la superficie del disco. Con el tiempo, los discos de freno ventilados pueden desarrollar corrosión por óxido grave dentro de las ranuras de ventilación, comprometiendo la resistencia de la estructura y necesitando reemplazo. [55]
La pinza de freno es el conjunto que alberga las pastillas y pistones de freno. Los pistones suelen estar fabricados de plástico , aluminio o acero cromado .
Los calibradores son de dos tipos, flotantes o fijos. Una pinza fija no se mueve con respecto al disco y, por tanto, es menos tolerante a las imperfecciones del disco. Utiliza uno o más pares de pistones opuestos para sujetar desde cada lado del disco y es más complejo y costoso que una pinza flotante.
Una pinza flotante (también llamada "pinza deslizante") se mueve de lado a lado del disco, a lo largo de una línea paralela al eje de rotación del disco; un pistón en un lado del disco empuja la pastilla de freno interior hasta que hace contacto con la superficie de frenado, luego tira del cuerpo de la pinza con la pastilla de freno exterior para que la presión se aplique a ambos lados del disco. Los diseños de pinza flotante (pistón único) están sujetos a fallas por adherencia, causadas por suciedad o corrosión que ingresan al menos a un mecanismo de montaje y detiene su movimiento normal. Esto puede provocar que las pastillas de la pinza rocen el disco cuando el freno no está accionado o cuando lo acciona en ángulo. El pegado puede ser el resultado del uso poco frecuente del vehículo, falla de un sello o funda protectora de goma que permite la entrada de desechos, secado de la grasa en el mecanismo de montaje y posterior entrada de humedad que conduce a la corrosión, o alguna combinación de estos factores. Las consecuencias pueden incluir una reducción de la eficiencia del combustible, un calentamiento extremo del disco o un desgaste excesivo de la pastilla afectada. Una pinza delantera atascada también puede provocar vibraciones en la dirección.
Otro tipo de pinza flotante es la pinza oscilante. En lugar de un par de pernos horizontales que permiten que la pinza se mueva directamente hacia adentro y hacia afuera con respecto a la carrocería del automóvil, una pinza oscilante utiliza un solo perno de pivote vertical ubicado en algún lugar detrás de la línea central del eje. Cuando el conductor presiona los frenos, el pistón del freno empuja el pistón interior y gira toda la pinza hacia adentro, visto desde arriba. Debido a que el ángulo del pistón de la pinza oscilante cambia en relación con el disco, este diseño utiliza pastillas en forma de cuña que son más estrechas en la parte trasera por fuera y más estrechas en la parte delantera por dentro.
También se utilizan varios tipos de pinzas de freno en los frenos de llanta de bicicleta .
El diseño de pinza más común utiliza un único pistón accionado hidráulicamente dentro de un cilindro, aunque los frenos de alto rendimiento utilizan hasta doce. Los automóviles modernos utilizan diferentes circuitos hidráulicos para accionar los frenos de cada juego de ruedas como medida de seguridad . El diseño hidráulico también ayuda a multiplicar la fuerza de frenado. El número de pistones de una pinza a menudo se denomina número de "calipers", por lo que si un vehículo tiene pinzas de "seis pistones", significa que cada pinza alberga seis pistones.
La falla de los frenos puede deberse a que el pistón no se retrae, lo que generalmente es consecuencia de no operar el vehículo durante un almacenamiento prolongado al aire libre en condiciones adversas. En vehículos con mucho kilometraje, los sellos del pistón pueden tener fugas, lo que debe corregirse de inmediato.
Las pastillas de freno están diseñadas para una alta fricción con el material de la pastilla de freno incrustado en el disco en el proceso de asentamiento mientras se desgasta uniformemente. La fricción se puede dividir en dos partes. Son: adhesivos y abrasivos.
Dependiendo de las propiedades del material tanto de la pastilla como del disco y de la configuración y el uso, las tasas de desgaste de la pastilla y el disco variarán considerablemente. Las propiedades que determinan el desgaste del material implican compensaciones entre rendimiento y longevidad.
Por lo general, las pastillas de freno deben reemplazarse con regularidad (según el material de las pastillas y el estilo de conducción), y algunas están equipadas con un mecanismo que alerta a los conductores que es necesario reemplazarlas, como una pieza delgada de metal blando que roza contra el disco cuando se quitan las pastillas. demasiado delgada que hace que los frenos chirrien, una lengüeta de metal suave incrustada en el material de la pastilla que cierra un circuito eléctrico y enciende una luz de advertencia cuando la pastilla de freno se adelgaza, o un sensor electrónico .
Generalmente, los vehículos de carretera tienen dos pastillas de freno por pinza, mientras que se instalan hasta seis en cada pinza de carreras, con diferentes propiedades de fricción en un patrón escalonado para un rendimiento óptimo.
Las primeras pastillas (y forros ) de freno contenían amianto , lo que producía polvo que no debía inhalarse. Aunque las pastillas más nuevas pueden estar hechas de cerámica, Kevlar y otros plásticos, se debe evitar la inhalación del polvo de los frenos, independientemente del material.
A veces se produce un ruido fuerte o un chirrido agudo cuando se aplican los frenos. Ocurre principalmente en coches viejos y en aquellos que fueron fabricados o adquiridos hace algún tiempo. La mayor parte del chirrido de los frenos se produce por la vibración (inestabilidad de resonancia) de los componentes del freno, especialmente las pastillas y los discos (conocida como excitación acoplada por fuerza ). Este tipo de chirrido no debería afectar negativamente el rendimiento de frenado. Las técnicas incluyen agregar pastillas de chaflán a los puntos de contacto entre los pistones de la pinza y las pastillas, los aisladores de unión (material de amortiguación) a la placa posterior de la pastilla, las cuñas de freno entre la pastilla de freno y los pistones, etc. Todo debe recubrirse con una temperatura extremadamente alta. Lubricante con alto contenido de sólidos para ayudar a reducir los chirridos. Esto permite que las piezas de metal con metal se muevan independientemente unas de otras y, por lo tanto, eliminan la acumulación de energía que puede crear una frecuencia que se escucha como chirrido, gemido o gruñido de los frenos. Es inherente que algunas almohadillas chirrien más según el tipo de almohadilla y su caso de uso. Las pastillas típicamente clasificadas para soportar temperaturas muy altas durante períodos prolongados tienden a producir altas cantidades de fricción, lo que genera más ruido durante la aplicación de los frenos. [56]
El clima frío combinado con la alta humedad (rocío) temprano en la mañana a menudo empeora el chirrido de los frenos. Sin embargo, el chirrido generalmente se detiene cuando el revestimiento alcanza la temperatura de funcionamiento normal. Esto afecta más fuertemente a las almohadillas destinadas a usarse a temperaturas más altas. El polvo en los frenos también puede provocar chirridos y los productos comerciales de limpieza de frenos están diseñados para eliminar la suciedad y otros contaminantes. Las pastillas sin una cantidad adecuada de material de transferencia también podrían chirriar; esto se puede solucionar colocando o volviendo a colocar las pastillas de freno en los discos de freno.
Algunos indicadores de desgaste del forro, ubicados como una capa semimetálica dentro del material de la pastilla de freno o con un "sensor" externo, también están diseñados para chirriar cuando es necesario reemplazar el forro. El sensor externo típico es fundamentalmente diferente de los ruidos descritos anteriormente (cuando se aplican los frenos) porque el ruido del sensor de desgaste generalmente ocurre cuando no se usan los frenos. Es posible que el sensor de desgaste solo genere un chirrido al frenar cuando comienza a indicar desgaste, pero sigue siendo un sonido y un tono fundamentalmente diferentes. [56] [57]
El conductor suele percibir una vibración de los frenos como vibraciones de leves a graves transmitidas a través del chasis durante el frenado. [58] [59] [60] [61] [ 62] [63] [64] [65] [66]
El fenómeno de vibración se puede clasificar en dos subgrupos distintos: vibración caliente (o térmica ) o vibración fría .
La vibración en caliente generalmente se produce como resultado de un frenado más prolongado y moderado a alta velocidad donde el vehículo no se detiene por completo. [67] Ocurre comúnmente cuando un automovilista desacelera desde velocidades de alrededor de 120 km/h (74,6 mph) a aproximadamente 60 km/h (37,3 mph), lo que resulta en vibraciones severas que se transmiten al conductor. Estas vibraciones son el resultado de distribuciones térmicas desiguales o puntos calientes . Los puntos calientes se clasifican como regiones térmicas concentradas que se alternan entre ambos lados de un disco y lo distorsionan de tal manera que produce una ondulación sinusoidal alrededor de sus bordes. Una vez que las pastillas de freno (material de fricción/forro de freno) entran en contacto con la superficie sinusoidal durante el frenado, se inducen vibraciones severas que pueden producir condiciones peligrosas para la persona que conduce el vehículo. [68] [69] [70] [71]
La vibración fría, por otro lado, es el resultado de patrones de desgaste desiguales del disco o variación del espesor del disco (DTV). Estas variaciones en la superficie del disco suelen ser el resultado del uso intensivo del vehículo en carretera. La DTV generalmente se atribuye a las siguientes causas: ondulación y rugosidad de la superficie del disco, [72] desalineación del eje , deflexión elástica, desgaste y transferencias de material por fricción. [60] [71] [73] Cualquiera de los tipos podría arreglarse asegurando una superficie de montaje limpia a cada lado del disco de freno entre el cubo de la rueda y el cubo del disco de freno antes de su uso y prestando atención a las huellas después de un uso prolongado dejando el freno Pedal muy pisado al final del uso intenso. A veces, un procedimiento de cama puede limpiar y minimizar el DTV y colocar una nueva capa de transferencia uniforme entre la pastilla y el disco de freno. Sin embargo, no eliminará los puntos calientes ni el agotamiento excesivo .
Cuando se aplica fuerza de frenado, el acto de fricción abrasiva entre la pastilla de freno y el disco desgasta tanto el disco como la pastilla. El polvo de los frenos que se deposita en las ruedas, las pinzas y otros componentes del sistema de frenos consiste principalmente en el material del disco. [74] El polvo de los frenos puede dañar el acabado de la mayoría de las ruedas si no se lava. [75] Generalmente, una pastilla de freno que desgasta agresivamente más material del disco, como las pastillas metálicas, creará más polvo de freno. Algunas pastillas de mayor rendimiento para uso en pista o remolque pueden desgastarse mucho más rápido que una pastilla típica, lo que genera más polvo debido al mayor desgaste del disco de freno y de las pastillas de freno. [56]
El desvanecimiento de los frenos es un fenómeno que disminuye la eficiencia de frenado. Hace que la potencia de frenado se reduzca y sientas que los frenos no se aplican con la fuerza que se aplicaban al momento de arrancar. Esto ocurre debido al calentamiento de las pastillas de freno. Las pastillas de freno calentadas emiten unas sustancias gaseosas que cubren la zona entre el disco y las pastillas de freno. Estos gases perturban el contacto entre las pastillas de freno y el disco y, por tanto, disminuyen la eficacia de frenado. [76]
Medios relacionados con los frenos de disco en Wikimedia Commons