Un freno hidráulico es una disposición de mecanismo de frenado que utiliza líquido de frenos , que generalmente contiene éteres de glicol o dietilenglicol , para transferir presión desde el mecanismo de control al mecanismo de frenado.
Durante 1904, Frederick George Heath, Redditch, Inglaterra, ideó e instaló un sistema de frenos hidráulicos (agua/glicerina) en una bicicleta utilizando una palanca en el manillar y un pistón. Obtuvo la patente GB190403651A por “Mejoras en frenos accionados hidráulicamente para bicicletas y motores”, así como posteriormente por tuberías hidráulicas de caucho flexible mejoradas.
En 1908, Ernest Walter Weight de Bristol, Inglaterra, ideó e instaló un sistema de frenos hidráulicos (de aceite) en las cuatro ruedas de un automóvil. Lo patentó en Gran Bretaña (GB190800241A) en diciembre de 1908, posteriormente en Europa y Estados Unidos y luego lo exhibió en el Salón del Automóvil de Londres de 1909. Su hermano, William Herbert Weight, mejoró la patente (GB190921122A) y ambos fueron asignados a Weight Patent Automobile Brake Ltd. de 23 Bridge Street, Bristol cuando se estableció en 1909/10. La empresa, que tenía una fábrica en Luckwell Lane, Bristol, instaló un sistema de frenado hidráulico en las cuatro ruedas en un chasis Metallurgique, equipado con una carrocería Hill and Boll, que se exhibió en el Salón del Automóvil de Londres de noviembre de 1910. Aunque más coches tenían instalado el sistema de frenos y la empresa hizo mucha publicidad, desapareció sin lograr el éxito que merecía.
Malcolm Loughead (quien más tarde cambió la ortografía de su nombre a Lockheed ) inventó los frenos hidráulicos, que patentó en 1917. [2] [3] "Lockheed" es un término común para el líquido de frenos en Francia.
Fred Duesenberg utilizó frenos hidráulicos de Lockheed Corporation en sus coches de carreras de 1914 [4] y su empresa automovilística, Duesenberg , fue la primera en utilizar la tecnología en el Duesenberg Modelo A en 1921.
Knox Motors Company de Springfield, MA, estaba equipando sus tractores con frenos hidráulicos a partir de 1915. [5]
La tecnología se amplió en el uso automotriz y finalmente condujo a la introducción del sistema de freno de tambor hidráulico autoenergizante (Edward Bishop Boughton, Londres, Inglaterra, 28 de junio de 1927), que todavía se utiliza en la actualidad.
La disposición más común de frenos hidráulicos para vehículos de pasajeros, motocicletas, scooters y ciclomotores, consta de la siguiente:
El sistema generalmente se llena con líquido de frenos a base de glicol-éter (también se pueden usar otros líquidos).
Hubo un tiempo en que los vehículos de pasajeros empleaban comúnmente frenos de tambor en las cuatro ruedas. Posteriormente se utilizaron frenos de disco delante y de tambor detrás. Sin embargo, los frenos de disco han demostrado una mejor disipación del calor y una mayor resistencia al "desvanecimiento" y, por lo tanto, son generalmente más seguros que los frenos de tambor. Por eso, los frenos de disco en las cuatro ruedas se han vuelto cada vez más populares y reemplazan a los tambores en todos los vehículos, excepto en los más básicos. Sin embargo, muchos diseños de vehículos de dos ruedas siguen empleando un freno de tambor para la rueda trasera.
La siguiente descripción utiliza la terminología para/y configuración de un freno de disco simple.
En un sistema de freno hidráulico, cuando se presiona el pedal del freno, una varilla de empuje ejerce fuerza sobre el pistón en el cilindro maestro, lo que hace que el líquido del depósito de líquido de frenos fluya hacia una cámara de presión a través de un puerto de compensación. Esto da como resultado un aumento en la presión de todo el sistema hidráulico, forzando el fluido a través de las líneas hidráulicas hacia una o más pinzas donde actúa sobre uno o más pistones de pinza sellados por una o más juntas tóricas asentadas (que evitan fugas de líquido). ).
Luego, los pistones de la pinza de freno aplican fuerza a las pastillas de freno, empujándolas contra el rotor giratorio, y la fricción entre las pastillas y el rotor provoca que se genere un par de frenado, lo que ralentiza el vehículo. El calor generado por esta fricción se disipa a través de respiraderos y canales en el rotor o se conduce a través de las almohadillas, que están hechas de materiales especializados tolerantes al calor, como kevlar o vidrio sinterizado .
Alternativamente, en un freno de tambor , el líquido ingresa a un cilindro de rueda y presiona una o dos zapatas de freno contra el interior del tambor que gira. Las zapatas de freno utilizan un material de fricción tolerante al calor similar al de las pastillas utilizadas en los frenos de disco.
La liberación posterior del pedal/palanca del freno permite que los resortes en el conjunto del cilindro maestro devuelvan los pistones maestros a su posición. Esta acción primero alivia la presión hidráulica sobre la pinza, luego aplica succión al pistón de freno en el conjunto de la pinza, moviéndolo nuevamente a su alojamiento y permitiendo que las pastillas de freno liberen el rotor.
El sistema de frenado hidráulico está diseñado como un sistema cerrado: a menos que haya una fuga en el sistema, no entra ni sale líquido de frenos, ni se consume con el uso. Sin embargo, las fugas pueden deberse a grietas en las juntas tóricas o a un pinchazo en la línea de freno. Se pueden formar grietas si se mezclan dos tipos de líquido de frenos o si el líquido de frenos se contamina con agua, alcohol, anticongelante o cualquier otro líquido. [6]
Los frenos hidráulicos transfieren energía para detener un objeto, normalmente un eje giratorio. En un sistema de frenos muy simple, con sólo dos cilindros y un freno de disco , los cilindros podrían estar conectados mediante tubos, con un pistón dentro de los cilindros. Los cilindros y tubos están llenos de un líquido incompresible. Los dos cilindros tienen el mismo volumen, pero diferentes diámetros y, por tanto, diferentes áreas de sección transversal. El cilindro que utiliza el operador se llama cilindro maestro . El freno de disco giratorio estará adyacente al pistón de mayor sección transversal. Supongamos que el diámetro del cilindro maestro es la mitad del diámetro del cilindro esclavo, por lo que el cilindro maestro tiene una sección transversal cuatro veces más pequeña. Ahora, si el pistón del cilindro maestro se empuja hacia abajo 40 mm, el pistón esclavo se moverá 10 mm. Si se aplican 10 newtons (N) de fuerza al pistón maestro, el pistón esclavo presionará con una fuerza de 40 N.
Esta fuerza se puede aumentar aún más insertando una palanca conectada entre el pistón maestro, un pedal y un punto de pivote. Si la distancia del pedal al pivote es tres veces la distancia del pivote al pistón conectado, entonces multiplica la fuerza del pedal por un factor de 3, al pisar el pedal, de modo que 10 N se convierten en 30 N en el pistón maestro y 120 N en la pastilla de freno. Por el contrario, el pedal debe moverse tres veces hasta el pistón maestro. Si se pisa el pedal 120 mm, el pistón maestro se moverá 40 mm y el pistón esclavo moverá la pastilla de freno 10 mm.
(Para sistemas de frenos típicos de automóviles livianos)
En un vehículo de cuatro ruedas, la norma FMVSS 105, 1976; [7] requiere que el cilindro maestro esté dividido internamente en dos secciones, cada una de las cuales presuriza un circuito hidráulico separado. Cada sección suministra presión a un circuito. La combinación se conoce como cilindro maestro en tándem . Los vehículos de pasajeros suelen tener un sistema de frenos dividido delantero/trasero o un sistema de frenos dividido diagonal (el cilindro maestro de una motocicleta o scooter solo puede presurizar una sola unidad, que será el freno delantero).
Un sistema dividido delantero/trasero utiliza una sección del cilindro maestro para presurizar los pistones de la pinza delantera y la otra sección para presurizar los pistones de la pinza trasera. Actualmente, en la mayoría de los países la ley exige un sistema de frenos de circuito dividido por razones de seguridad; Si un circuito falla, el otro circuito aún puede detener el vehículo.
Los sistemas de división diagonal se utilizaron inicialmente en los automóviles de American Motors en el año de producción 1967. La parte delantera derecha y la parte trasera izquierda son servidas por un pistón de accionamiento mientras que la parte delantera izquierda y la parte trasera derecha son servidas, exclusivamente, por un segundo pistón de accionamiento (ambos pistones presurizan sus respectivas líneas acopladas desde un solo pedal). Si cualquiera de los circuitos falla, el otro, con al menos una rueda delantera frenando (los frenos delanteros proporcionan la mayor parte de la fuerza de frenado, debido a la transferencia de peso ), permanece intacto para detener el vehículo mecánicamente dañado. En la década de 1970, los sistemas divididos en diagonal se habían vuelto comunes entre los automóviles vendidos en los Estados Unidos. Este sistema fue desarrollado con el diseño de suspensión de los autos con tracción delantera para mantener un mejor control y estabilidad durante una falla del sistema.
Se introdujo un sistema de división triangular en la serie Volvo 140 del año modelo 1967, donde los frenos de disco delanteros tienen una disposición de cuatro cilindros y ambos circuitos actúan en cada rueda delantera y en una de las ruedas traseras. Esta disposición se mantuvo hasta las siguientes series de modelos 200 y 700.
El diámetro y la longitud del cilindro maestro tienen un efecto significativo en el rendimiento del sistema de frenos. Un cilindro maestro de mayor diámetro entrega más líquido hidráulico a los pistones de la pinza, pero requiere más fuerza del pedal del freno y menos recorrido del pedal del freno para lograr una desaceleración determinada. Un cilindro maestro de menor diámetro tiene el efecto contrario.
Un cilindro maestro también puede usar diferentes diámetros entre las dos secciones para permitir un mayor volumen de líquido en un conjunto de pistones de pinza u otro y se denomina M/C de "absorción rápida". Se utilizan con pinzas delanteras de "baja resistencia" para aumentar la economía de combustible.
Se puede utilizar una válvula dosificadora para reducir la presión de los frenos traseros en caso de frenadas bruscas. Esto limita el frenado trasero para reducir las posibilidades de bloquear los frenos traseros y reduce en gran medida las posibilidades de patinar.
El refuerzo de vacío o servo de vacío se utiliza en la mayoría de los sistemas de frenos hidráulicos modernos que contienen cuatro ruedas; el refuerzo de vacío se coloca entre el cilindro maestro y el pedal del freno y multiplica la fuerza de frenado aplicada por el conductor. Estas unidades constan de una carcasa hueca con un diafragma de goma móvil en el centro, creando dos cámaras. Cuando se conecta a la parte de baja presión del cuerpo del acelerador o al colector de admisión del motor, se reduce la presión en ambas cámaras de la unidad. El equilibrio creado por la baja presión en ambas cámaras evita que el diafragma se mueva hasta que se pisa el pedal del freno. Un resorte de retorno mantiene el diafragma en la posición inicial hasta que se aplica el pedal del freno. Cuando se aplica el pedal del freno, el movimiento abre una válvula de aire que deja entrar aire a presión atmosférica a una cámara del servomotor. Dado que la presión aumenta en una cámara, el diafragma se mueve hacia la cámara de menor presión con una fuerza creada por el área del diafragma y la presión diferencial. Esta fuerza, además de la fuerza del pie del conductor, empuja el pistón del cilindro maestro. Se requiere una unidad de refuerzo de diámetro relativamente pequeño; Para un vacío del colector muy conservador del 50%, un diafragma de 20 cm con un área de 0,03 metros cuadrados produce una fuerza de asistencia de aproximadamente 1500 N. El diafragma dejará de moverse cuando las fuerzas en ambos lados de la cámara alcancen el equilibrio. Esto puede deberse al cierre de la válvula de aire (debido a que se detiene la aplicación del pedal) o si se alcanza el "agotamiento". El agotamiento se produce cuando la presión en una cámara alcanza la presión atmosférica y la presión diferencial ahora estancada no puede generar ninguna fuerza adicional. Una vez alcanzado el punto de agotamiento, sólo se puede utilizar la fuerza del pie del conductor para aplicar más el pistón del cilindro maestro.
La presión del fluido del cilindro maestro viaja a través de un par de tubos de freno de acero hasta una válvula diferencial de presión, a veces denominada "válvula de falla de frenos", que realiza dos funciones: iguala la presión entre los dos sistemas y proporciona una advertencia. si un sistema pierde presión. La válvula diferencial de presión tiene dos cámaras (a las que se conectan las líneas hidráulicas) con un pistón entre ellas. Cuando la presión en cualquiera de las líneas está equilibrada, el pistón no se mueve. Si se pierde presión en un lado, la presión del otro lado mueve el pistón. Cuando el pistón hace contacto con una simple sonda eléctrica en el centro de la unidad, se completa un circuito y se advierte al operador de una falla en el sistema de frenos.
Desde la válvula diferencial de presión, el tubo de freno lleva la presión a las unidades de freno en las ruedas. Dado que las ruedas no mantienen una relación fija con el automóvil, es necesario utilizar una manguera de freno hidráulico desde el extremo de la línea de acero en el bastidor del vehículo hasta la pinza de la rueda. Permitir que los tubos de freno de acero se flexionen provoca fatiga del metal y, en última instancia, falla de los frenos. Una actualización común es reemplazar las mangueras de goma estándar por un juego reforzado externamente con alambres trenzados de acero inoxidable. Los cables trenzados tienen una expansión insignificante bajo presión y pueden dar una sensación más firme al pedal del freno con menos recorrido del pedal para un esfuerzo de frenado determinado.
El término "frenos hidráulicos" también puede referirse a sistemas que funcionan según principios muy diferentes, en los que una bomba impulsada por un motor mantiene una presión hidráulica continua en un acumulador central. El pedal del freno del conductor simplemente controla una válvula para purgar la presión en las unidades de freno en las ruedas, en lugar de crear realmente la presión en un cilindro maestro presionando un pistón. Esta forma de freno es análoga a un sistema de frenos de aire , pero con fluido hidráulico como medio de trabajo en lugar de aire. Sin embargo, en un freno de aire, el aire se expulsa del sistema cuando se sueltan los frenos y se debe reponer la reserva de aire comprimido. En un sistema de frenos hidráulicos, el líquido a baja presión regresa desde las unidades de freno en las ruedas a la bomba impulsada por el motor cuando se sueltan los frenos, por lo que el acumulador de presión central se vuelve a presurizar casi instantáneamente. Esto hace que el sistema hidráulico sea muy adecuado para vehículos que deben parar y arrancar con frecuencia (como los autobuses en las ciudades). El fluido en circulación continua también elimina los problemas de congelación de piezas y vapor de agua acumulado que pueden afectar a los sistemas de aire en climas fríos. El autobús AEC Routemaster es una aplicación bien conocida de frenos hidráulicos y las sucesivas generaciones de automóviles Citroën con suspensión hidroneumática también utilizaron frenos hidráulicos totalmente accionados en lugar de sistemas de frenos automotrices convencionales. La mayoría de los aviones grandes también utilizan frenos de ruedas hidráulicos, debido a la inmensa fuerza de frenado que pueden proporcionar; Los frenos de las ruedas están vinculados a uno o más de los principales sistemas hidráulicos de la aeronave, con la adición de un acumulador para permitir frenar la aeronave incluso en caso de falla hidráulica.
Los sistemas de frenos de aire son voluminosos y requieren compresores de aire y tanques de reserva. Los sistemas hidráulicos son más pequeños y menos costosos.
El fluido hidráulico no debe ser compresible. A diferencia de los frenos de aire , donde se abre una válvula y el aire fluye hacia las líneas y las cámaras de freno hasta que la presión aumenta lo suficiente, los sistemas hidráulicos dependen de una sola carrera de un pistón para forzar el fluido a través del sistema. Si se introduce vapor en el sistema, se comprimirá y es posible que la presión no aumente lo suficiente como para accionar los frenos.
Los sistemas de frenado hidráulico a veces están sujetos a altas temperaturas durante el funcionamiento, como al descender pendientes pronunciadas. Por este motivo, el fluido hidráulico debe resistir la vaporización a altas temperaturas.
El agua se vaporiza fácilmente con el calor y puede corroer las partes metálicas del sistema. El agua que ingresa a las líneas de freno, incluso en pequeñas cantidades, reaccionará con los líquidos de frenos más comunes (es decir, aquellos que son higroscópicos [8] [9] ), provocando la formación de depósitos que pueden obstruir las líneas de freno y el depósito. Es casi imposible sellar completamente cualquier sistema de frenos contra la exposición al agua, lo que significa que es necesario cambiar periódicamente el líquido de frenos para garantizar que el sistema no se llene excesivamente con los depósitos causados por las reacciones con el agua. Los aceites ligeros a veces se utilizan como fluidos hidráulicos específicamente porque no reaccionan con el agua: el aceite desplaza el agua, protege las piezas de plástico contra la corrosión y puede tolerar temperaturas mucho más altas antes de vaporizarse, pero tiene otros inconvenientes en comparación con los fluidos hidráulicos tradicionales. Los fluidos de silicona son una opción más cara.
El " desvanecimiento de los frenos " es una condición causada por el sobrecalentamiento en la que la efectividad del frenado se reduce y puede perderse. Puede ocurrir por muchas razones. Las pastillas que se acoplan a la parte giratoria pueden sobrecalentarse y "evidriarse", volviéndose tan suaves y duras que no pueden agarrarse lo suficiente como para frenar el vehículo. Además, la vaporización del fluido hidráulico bajo temperaturas extremas o distorsión térmica puede hacer que los revestimientos cambien su forma y se acoplen a una menor superficie de la parte giratoria. La distorsión térmica también puede causar cambios permanentes en la forma de los componentes metálicos, lo que resulta en una reducción de la capacidad de frenado que requiere el reemplazo de las piezas afectadas.
