El desvanecimiento de los frenos (o desvanecimiento del sistema de frenado del vehículo ) es la reducción en la potencia de frenado que puede ocurrir después de la aplicación repetida o sostenida de los frenos de un vehículo, especialmente en condiciones de alta carga o alta velocidad. El desvanecimiento de los frenos puede ser un factor en cualquier vehículo que utilice un sistema de frenado por fricción , incluidos automóviles , camiones , motocicletas , aviones y bicicletas .
El desgaste de los frenos se produce por la acumulación de calor en las superficies de frenado y los cambios y reacciones posteriores en los componentes del sistema de frenos, y puede producirse tanto con frenos de tambor como con frenos de disco . La pérdida de potencia de frenado, o desgaste, puede deberse a desgaste por fricción, desgaste mecánico o desgaste del líquido. El desgaste de los frenos se puede reducir significativamente con un diseño y una selección adecuados de equipos y materiales, así como con una buena refrigeración.
El desgaste de los frenos se produce con mayor frecuencia durante la conducción de alto rendimiento o al descender una pendiente larga y empinada. Es más frecuente en los frenos de tambor debido a su configuración. Los frenos de disco son mucho más resistentes al desgaste de los frenos porque el calor se puede ventilar del rotor y las pastillas con mayor facilidad, y se han convertido en una característica estándar en los frenos delanteros de la mayoría de los vehículos.
La reducción de la fricción denominada desvanecimiento de los frenos se produce cuando la temperatura alcanza el "punto de inflexión" en la curva de temperatura-fricción y se acumula gas entre el disco y la pastilla. [ cita requerida ] Todos los forros de freno se curan bajo presión mecánica después de una curva de calentamiento y enfriamiento en sentido inverso, calentando el material de fricción hasta 232 °C (450 °F) para " curar " (reticular) los polímeros termoendurecibles de resina fenólica : no hay fusión de las resinas aglutinantes, porque las resinas fenólicas son termoendurecibles, no termoplásticas . En esta forma de desvanecimiento, el pedal de freno se siente firme pero hay una capacidad de frenado reducida. El desvanecimiento también puede ser causado por la ebullición del líquido de frenos , con la consiguiente liberación de gases compresibles. En este tipo de desvanecimiento, el pedal de freno se siente "esponjoso". Esta condición empeora cuando hay contaminantes en el líquido, como agua, que la mayoría de los tipos de líquidos de frenos son propensos a absorber en diversos grados. Por esta razón, el reemplazo del líquido de frenos es un mantenimiento estándar.
Varios diseños de frenos, como los frenos de banda y muchos frenos de tambor, son autoasistidos: cuando se aplica el freno, parte de la fuerza de frenado se retroalimenta al mecanismo de freno para que el freno se aplique automáticamente. Esto se denomina "retroalimentación positiva" o "autoservo " . La autoasistencia reduce la fuerza de entrada necesaria para aplicar el freno, pero exagera el desvanecimiento, ya que una reducción en la altura o el grosor del material de fricción de la pastilla también reduce la fuerza de la pastilla. Por el contrario, en el caso de un freno sin autoasistencia, como un freno de disco convencional, una pérdida de material de fricción de la pastilla no cambia la fuerza de la pastilla, por lo que no hay una pérdida necesaria en la reacción del par de frenado para una cantidad determinada de fuerza de entrada.
El mecanismo de autoasistencia afecta la bomba de agua y la cantidad de desvanecimiento. Por ejemplo, los frenos Ausco Lambert y Murphy tienen autoasistencia aproximadamente proporcional a la fricción de la pastilla, por lo que el frenado total se reduce aproximadamente al cuadrado de la pérdida de fricción. Muchos otros diseños de autoasistencia, como los frenos de banda y muchos frenos de tambor comunes , tienen autoasistencia exponencial, descrita por , donde es la base del logaritmo natural, es el coeficiente de fricción entre las zapatas y el tambor, y es el ángulo de acoplamiento entre las zapatas y el tambor. Un pequeño cambio en la fricción provoca un cambio exponencial en la autoasistencia. En muchos frenos comunes, un ligero aumento de la fricción puede provocar el bloqueo de las ruedas incluso con una aplicación ligera. Por ejemplo, en mañanas húmedas, los frenos de tambor pueden bloquearse en la primera aplicación, patinando hasta detenerse incluso después de que se haya soltado el pedal del freno. Por el contrario, una ligera disminución de la fricción puede provocar un desvanecimiento grave de los frenos.
Las fallas por debilitamiento de los frenos pueden producirse en cascada . Por ejemplo, una combinación típica de camión/remolque de 5 ejes tiene 10 frenos. Si un freno se debilita, la carga de frenado se transfiere a los 9 frenos restantes, lo que hace que trabajen más, se calienten más y, por lo tanto, se debiliten más. Cuando el debilitamiento no es uniforme, puede hacer que un vehículo se desvíe. Debido a esto, los vehículos pesados a menudo usan frenos desproporcionadamente débiles en las ruedas directrices, lo que perjudica la distancia de frenado y hace que los frenos en las ruedas no directrices trabajen más, empeorando el debilitamiento. Una ventaja de los frenos de bajo debilitamiento, como los frenos de disco , es que las ruedas directrices pueden frenar más sin causar un giro de los frenos. [1]
El desvanecimiento de los frenos ocurre típicamente durante frenadas fuertes o sostenidas. Muchos vehículos de alta velocidad usan frenos de disco, y muchos vehículos pesados europeos usan frenos de disco. [1] Muchos vehículos pesados de EE. UU. y del tercer mundo usan frenos de tambor debido a su menor precio de compra. En los vehículos pesados, la resistencia del aire suele ser pequeña en comparación con el peso, por lo que los frenos disipan proporcionalmente más energía que en un automóvil o motocicleta típicos. Por lo tanto, los vehículos pesados a menudo necesitan usar el frenado por compresión del motor y reducir la velocidad para que la energía de frenado se disipe en un intervalo más largo. Se han realizado estudios recientes en los Estados Unidos para probar las distancias de frenado tanto de los frenos de tambor como de los frenos de disco utilizando una norma norteamericana llamada FMVSS-121. Los resultados mostraron que cuando se aplica una composición más nueva de materiales de fricción que se usan típicamente en frenos de disco a los frenos de tambor, prácticamente no hay diferencia en la distancia de frenado o el desvanecimiento de los frenos. [ cita requerida ] Como Estados Unidos cambió sus reglas FMVSS-121 para los camiones Clase Ocho construidos en 2012 para reducir las distancias de frenado en aproximadamente 1/3, no hubo ninguna recomendación para usar frenos de tambor o de disco en la ley actual.
Las nuevas tecnologías de tambor y los dispositivos de refrigeración por turbina dentro de estos tambores también han eliminado cualquier borde que los frenos de disco pudieran tener en aplicaciones de servicio pesado. Al instalar turbinas de freno dentro de un tambor especialmente configurado, las temperaturas se reducen muchas veces a la mitad y el desgaste de los frenos prácticamente se elimina.
La falla de los frenos también es causada por la expansión térmica del tambor de freno en la que la holgura de la zapata de freno se vuelve excesiva por el desgaste. Esto se solucionó en gran medida en la década de 1950 con frenos autoajustables . [2] El desajuste con desgaste sigue siendo un factor en los camiones con frenos de aire de tambor. [3] Una encuesta canadiense de camiones pesados detenidos al azar encontró que más del 10% de los camiones que usaban frenos autoajustables tenían al menos un freno desajustado, debido a una falla del mecanismo de autoajuste o un desgaste más allá de la capacidad del autoajustador. Los pistones de freno más nuevos ("latas") extienden la carrera de aproximadamente 65 mm a aproximadamente 75 mm; dado que se utilizan aproximadamente 30 mm de carrera solo para poner las pastillas en contacto con el tambor, los 10 mm adicionales de carrera son más del 25% de aumento en la carrera útil. Una carrera más larga reduce especialmente el desvanecimiento relacionado con el desgaste, pero los frenos de tambor aún son fundamentalmente propensos a desvanecerse cuando están calientes.
Después de enfriarse, los frenos desgastados suelen funcionar tan bien como antes, sin cambios visibles en las zapatas y/o pastillas de freno. Sin embargo, si los frenos han estado excesivamente calientes durante un período prolongado, pueden formarse vidriados en ambos revestimientos de fricción de las zapatas y las pastillas. Cuando esto sucede, las superficies de contacto de los revestimientos tendrán un aspecto liso y brillante, y no funcionarán tan eficientemente para reducir la velocidad del vehículo al frenar. Este vidriado se puede eliminar fácilmente utilizando suavemente papel de lija o conduciendo el vehículo con cuidado mientras se hace un uso ligero de los frenos durante varios kilómetros.
Una explicación incorrecta que a veces se da para el desvanecimiento de los frenos es que las zapatas de freno calentadas se evaporan y generan gas que las separa del tambor. Estos efectos son fáciles de imaginar, pero físicamente imposibles, debido al gran volumen de gas que se requeriría para tal efecto. Un cojinete de gas necesitaría reposición de gas tan rápido como se mueve el disco o el tambor, ya que no tiene gas en su superficie cuando se acerca a la pastilla o la zapata. Además, los frenos de disco utilizan prácticamente los mismos materiales y funcionan bien con poco desvanecimiento, incluso cuando los discos están al rojo vivo. Si los materiales de los frenos se desgasificaran a temperaturas del tambor, también se desgasificarían a temperaturas del disco y se desvanecieran sustancialmente. Dado que los discos tienen poco desvanecimiento, también demuestran que la desgasificación no es una fuente de desvanecimiento. Algunos frenos de disco están perforados o ranurados, pero los discos lisos no muestran más desvanecimiento.
Las largas huellas de derrape de neumáticos dobles en las carreteras, producidas por camiones con frenos de tambor, son ejemplos visibles de la no linealidad entre la respuesta de los frenos y la presión del pedal. Los camiones grandes todavía utilizan frenos de tambor porque son económicos y se adaptan fácilmente, algo que no ocurre con un freno de disco equivalente. Más recientemente, se han promocionado los frenos de disco para camiones, que enumeran características como la ausencia de desvanecimiento, posible porque no tienen asistencia automática (autoservo). [4]
Los ferrocarriles llevan más de 60 años utilizando frenos de disco en los vagones de pasajeros, pero acoplados a un sistema antibloqueo Rolokron para evitar la creación de puntos planos (o " ruedas cuadradas ") cuando las ruedas se bloquean y patinan sobre la superficie del riel (se oye como un ruido constante de bang-bang-bang cuando pasa un tren, que no debe confundirse con el sonido bang-bang...bang-bang...bang-bang que hacen las ruedas al rodar sobre una junta de riel). Por lo general, los discos de freno se instalan en el centro del eje, pero en algunas aplicaciones (como los vagones de cercanías Bombardier Bi Level ), solo se utiliza un disco, montado en el extremo del eje fuera del bastidor del camión. Los trenes de alta velocidad (como el TGV ) pueden utilizar cuatro discos por eje.
Los vagones de mercancías (y algunos de pasajeros, como los de unidades múltiples cuyos motores de tracción no dejan espacio en los ejes para permitir la colocación de frenos de disco) están equipados con frenos de pinza que agarran directamente la superficie de rodadura de las ruedas (de forma muy similar a los frenos de los antiguos carruajes tirados por caballos). Estos frenos son de tambor con zapata externa, pero a diferencia de los frenos de banda y muchos frenos de tambor con zapata interna, no tienen efecto de autoasistencia o autoservo, por lo que son mucho menos susceptibles a bloquearse que los frenos de autoasistencia. Debido a su alta rigidez y a su potencia relativamente baja, estos frenos de pinza son incluso menos propensos a bloquearse que muchos frenos de disco, por lo que los vagones de mercancías que los utilizan no están equipados con sistemas antibloqueo.
El primer desarrollo de frenos cerámicos modernos fue realizado por ingenieros británicos que trabajaban en la industria ferroviaria 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 velocidades muy altas y a 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.
El desgaste de los frenos y la deformación del rotor se pueden reducir con una técnica de frenado adecuada; al bajar una pendiente larga que requiera frenar, simplemente seleccione una marcha más baja (esto es necesario para muchos camiones en pendientes pronunciadas en los EE. UU.). Además, la aplicación periódica, en lugar de continua, de los frenos permitirá que se enfríen entre aplicaciones. La aplicación ligera y continua de los frenos puede ser particularmente destructiva tanto en el desgaste como en la adición de calor al sistema de frenos. [5]
Los componentes de freno de alto rendimiento proporcionan una mayor potencia de frenado al mejorar la fricción y reducir el desgaste de los frenos. La fricción mejorada se logra mediante materiales de revestimiento que tienen un coeficiente de fricción más alto que las pastillas de freno estándar, mientras que el desgaste de los frenos se reduce mediante el uso de resinas aglutinantes más caras con un punto de fusión más alto, junto con discos/rotores ranurados, perforados o con hoyuelos que reducen la capa límite gaseosa, además de proporcionar una mejor disipación del calor. La acumulación de calor en los frenos se puede abordar aún más mediante modificaciones de la carrocería que dirijan aire frío a los frenos.
La "capa límite gaseosa" es una explicación de la mecánica de los coches de carreras para el fallo del efecto de servofreno de los frenos de tambor, ya que cuando se producía la sensación era como si hubiera un ladrillo bajo el pedal del freno. Para contrarrestar este efecto, se perforaron y ranuraron las zapatas de freno para que dejaran salir el gas. A pesar de ello, los frenos de tambor se abandonaron por su efecto de servofreno. Los discos no lo tienen porque la fuerza de aplicación se aplica en ángulos rectos a la fuerza de frenado resultante. No hay interacción.
Los partidarios de la emisión de gases han trasladado esa creencia a las motocicletas, bicicletas y coches "deportivos", mientras que todos los demás usuarios de frenos de disco de las mismas empresas automovilísticas no tienen agujeros en las caras de sus discos, aunque se utilizan conductos de aire radiales internos. No se han encontrado respiraderos para liberar gases en los frenos de ferrocarriles, aviones y coches de pasajeros porque no hay gas que ventilar. Mientras tanto, los camiones pesados siguen utilizando frenos de tambor porque ocupan el mismo espacio. Los ferrocarriles nunca han utilizado frenos de tambor de expansión interna porque provocan derrapes, lo que provoca costosos puntos planos en las ruedas de acero.
Tanto los frenos de disco como los de tambor se pueden mejorar mediante cualquier técnica que elimine el calor de las superficies de frenado.
El desgaste del freno de tambor se puede reducir y el rendimiento general se puede mejorar un poco mediante una antigua técnica de "hot rodder" de perforación del tambor. Se perfora un patrón cuidadosamente elegido de agujeros a través de la sección de trabajo del tambor; la rotación del tambor bombea centrífugamente una pequeña cantidad de aire a través de la zapata hasta el espacio entre el tambor y la zapata, eliminando el calor; el desgaste causado por los frenos mojados con agua se reduce ya que el agua se expulsa mediante centrifugación; y algo de polvo del material de freno sale por los agujeros. La perforación del tambor de freno requiere un conocimiento detallado y cuidadoso de la física del tambor de freno y es una técnica avanzada que probablemente sea mejor dejar en manos de profesionales. Hay talleres de frenos de alto rendimiento que realizarán las modificaciones necesarias de manera segura.
El desgaste de los frenos causado por el sobrecalentamiento del líquido de frenos (a menudo llamado desgaste del pedal) también se puede reducir mediante el uso de barreras térmicas que se colocan entre la pastilla de freno y el pistón de la pinza de freno, lo que reduce la transferencia de calor de la pastilla a la pinza y, a su vez, al líquido de freno hidráulico. Algunas pinzas de carreras de alto rendimiento ya incluyen este tipo de protectores térmicos de freno hechos de titanio o materiales cerámicos. Sin embargo, también es posible comprar protectores térmicos de freno de titanio del mercado de accesorios [6] que se adaptarán a un sistema de frenos existente para brindar protección contra el calor de los frenos. Estos insertos se cortan con precisión para cubrir la mayor parte posible de la pastilla. Dado que son relativamente baratos y fáciles de instalar, son populares entre los corredores y los entusiastas de los días de pista.
Otra técnica empleada para evitar el desgaste de los frenos es la incorporación de enfriadores de frenos que detienen el desgaste. Al igual que los protectores térmicos de titanio, los enfriadores de frenos están diseñados para deslizarse entre la placa de soporte de la pastilla de freno y el pistón de la pinza. Están construidos a partir de un compuesto metálico de alta conductividad térmica y alta resistencia a la fluencia que conduce el calor desde la interfaz hasta un disipador de calor que está fuera de la pinza y en el flujo de aire. Se ha demostrado que reducen las temperaturas del pistón de la pinza en más del veinte por ciento y también reducen significativamente el tiempo necesario para enfriarse. [7] Sin embargo, a diferencia de los protectores térmicos de titanio, los enfriadores de frenos en realidad transfieren el calor al entorno circundante y, por lo tanto, mantienen las pastillas más frías.
