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 desvanecimiento de los frenos es causado por una acumulación de calor en las superficies de frenado y los cambios y reacciones posteriores en los componentes del sistema de frenos y se puede experimentar tanto con frenos de tambor como con frenos de disco . La pérdida de potencia de frenado, o desvanecimiento, puede ser causada por desvanecimiento por fricción, desvanecimiento mecánico o desvanecimiento por fluido. El desgaste de los frenos se puede reducir significativamente mediante el diseño y selección adecuados de equipos y materiales, así como con una buena refrigeración.
El desvanecimiento de los frenos ocurre con mayor frecuencia durante la conducción de alto rendimiento o al bajar una colina 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 puede evacuarse más fácilmente del rotor y las pastillas, 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 del freno 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 necesaria ] Todas las pastillas de freno se curan bajo presión mecánica siguiendo una curva de calentamiento y enfriamiento hacia atrás, calentando el material de fricción hasta 232 °C (450 °F) para " curar " (entrecruzar) los polímeros termoestables de resina fenólica : Allí No se produce fusión de las resinas aglutinantes, porque las resinas fenólicas son termoestables, no termoplásticas . En esta forma de desvanecimiento, el pedal del freno se siente firme pero se reduce la capacidad de frenado. El desvanecimiento también puede ser causado por la ebullición del líquido de frenos , con la consiguiente liberación de gases comprimibles. En este tipo de desvanecimiento, el pedal del 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 autoaplicar aún más el freno. Esto se llama "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, para un freno sin asistencia automática, 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 autoayuda 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 compromiso entre zapatos y tambor. Un pequeño cambio en la fricción provoca un cambio exponencial en la autoayuda. 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 las mañanas húmedas, los frenos de tambor pueden bloquearse en la primera aplicación, patinando hasta detenerse incluso después de haber soltado el pedal del freno. Por el contrario, una ligera disminución de la fricción puede provocar un desgaste grave de los frenos.
Las fallas por desvanecimiento de los frenos pueden ocurrir en cascada . Por ejemplo, una combinación típica de camión/remolque de 5 ejes tiene 10 frenos. Si un freno se desvanece, la carga del freno se transfiere a los 9 frenos restantes, lo que hace que trabajen más, se calienten más y, por lo tanto, se debilitan más. Cuando el desvanecimiento no es uniforme, el desvanecimiento puede causar que el vehículo se desvíe. Debido a esto, los vehículos pesados a menudo usan frenos desproporcionadamente débiles en las ruedas direccionales, lo que perjudica la distancia de frenado y hace que los frenos de las ruedas no direccionales trabajen más, empeorando el desvanecimiento. Una ventaja de los frenos de bajo desvanecimiento, como los frenos de disco , es que las ruedas direccionales pueden frenar más sin provocar un giro del freno. [1]
El desvanecimiento de los frenos generalmente ocurre durante un frenado fuerte o sostenido. Muchos vehículos de alta velocidad utilizan frenos de disco y muchos vehículos pesados europeos utilizan frenos de disco. [1] Muchos vehículos pesados estadounidenses y del tercer mundo utilizan 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 utilizar el frenado por compresión del motor y reducir la velocidad para que la energía de frenado se disipe durante 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 los compuestos más nuevos de materiales de fricción típicamente utilizados en los frenos de disco se aplican a los frenos de tambor, prácticamente no hay diferencia en la distancia de frenado o el desvanecimiento del freno. [ cita necesaria ] A medida que Estados Unidos cambió sus reglas FMVSS-121 para 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 enfriamiento de turbinas dentro de estos tambores también han eliminado cualquier borde que los frenos de disco puedan haber tenido 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 casi se elimina el desvanecimiento de los frenos.
La falla de los frenos también es causada por la expansión térmica del tambor de freno en la que la holgura de las zapatas de freno se vuelve excesiva debido al desgaste. Esto se solucionó en gran medida en la década de 1950 mediante frenos autoajustables . [2] El desajuste debido al desgaste sigue siendo un factor en los camiones con frenos de aire de tambor. [3] Una encuesta canadiense de camiones pesados detenidos aleatoriamente 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 a 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 simplemente poniendo las pastillas en contacto con el tambor, los 10 mm adicionales de carrera representan un aumento de más del 25 % en la carrera útil. Una carrera más larga reduce el desgaste, especialmente el desgaste, pero los frenos de tambor siguen siendo fundamentalmente propensos a debilitarse cuando están calientes.
Después del enfriamiento, los frenos desgastados generalmente funcionan 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 de tiempo, se puede producir vidriado tanto en los forros de fricción de las zapatas como en las pastillas. Cuando esto sucede, las superficies de contacto de los revestimientos tendrán una apariencia suave y brillante y no funcionarán tan eficientemente para frenar el vehículo al frenar. Este vidriado se puede quitar fácilmente utilizando suavemente papel de lija o conduciendo el vehículo con cuidado mientras se utilizan ligeramente 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 para generar gas que las separa del tambor. Estos efectos son fáciles de imaginar, pero físicamente imposibles, debido al gran volumen de gas que se necesitaría para tal efecto. Un cojinete de gas necesitaría reabastecimiento de gas tan rápido como se mueve el disco o tambor, ya que no tiene gas en su superficie cuando se acerca a la almohadilla o 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 la temperatura del tambor, también se desgasificarían a la temperatura del disco y se desvanecerían 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 se desvanecen más.
Las largas marcas de derrape de neumáticos dobles en las carreteras, hechas por camiones con frenos de tambor, son ejemplos visibles de no linealidad entre la respuesta de los frenos y la presión del pedal. Los camiones grandes todavía usan frenos de tambor porque son económicos y se ajustan fácilmente donde un freno de disco equivalente no lo hace. Más recientemente, se han promocionado los frenos de disco para camiones con características como la ausencia de desvanecimiento, posible porque no tienen asistencia automática (autoservo). [4]
Los ferrocarriles han estado utilizando frenos de disco en los automóviles de pasajeros durante más de 60 años, pero combinados con un sistema antibloqueo Rolokron para evitar la creación de puntos planos (o " ruedas cuadradas ") cuando las ruedas se bloquean y patinan en la superficie del riel (audible como Ruido constante de bang-bang-bang cuando pasa un tren, que no debe confundirse con el sonido bang-bang...bang-bang...bang-bang producido por las ruedas que ruedan 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 automóviles 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 carga (y algunos turismos, 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 cierre que agarran directamente la superficie de rodadura de las ruedas (muy parecido a los viejos coches de caballos). frenos de antaño). Estos frenos son un freno de tambor de zapata externa; pero a diferencia de los frenos de banda y muchos frenos de tambor con zapata interna, no hay efecto de autoasistencia/autoservo, por lo que son mucho menos susceptibles a bloquearse que los frenos de autoasistencia. Debido a su alta rigidez y potencia relativamente baja, estos frenos de cierre son incluso menos propensos a bloquearse que muchos frenos de disco, por lo que los vagones de carga 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, el número de frenos por eje, así como proporcionar una fricción estable a velocidades muy altas 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.
El desvanecimiento de los frenos y la deformación del rotor se pueden reducir mediante una técnica de frenado adecuada; cuando baje 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, ya que desgasta y agrega calor al sistema de frenos. [5]
Los componentes de freno de alto rendimiento brindan mayor potencia de frenado al mejorar la fricción y al mismo tiempo reducir el desgaste del freno. Se proporciona una fricción mejorada mediante materiales de revestimiento que tienen un coeficiente de fricción más alto que las pastillas de freno estándar, mientras que el desgaste del freno 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 en la carrocería que dirijan el aire frío a los frenos.
La "capa límite gaseosa" es una explicación de la mecánica del hot rod para el fallido efecto auto servo de los frenos de tambor porque se sentía como un ladrillo debajo del pedal del freno cuando ocurrió. Para contrarrestar este efecto, se perforaron y ranuraron zapatas de freno para ventilar el gas. A pesar de ello, los frenos de tambor fueron abandonados por su efecto de autoservicio. Los discos no tienen eso porque la fuerza de aplicación se aplica en ángulo recto a la fuerza de frenado resultante. No hay interacción.
Los partidarios de la emisión de gases han llevado esa creencia a las motocicletas, bicicletas y automóviles "deportivos", mientras que todos los demás usuarios de frenos de disco de las mismas compañías automotrices no tienen agujeros en las caras de sus discos, aunque utilizan conductos de aire radiales internos. No se han encontrado respiraderos para liberar gas en los frenos de ferrocarriles, aviones y automóviles de pasajeros porque no hay gas para ventilar. Mientras tanto, los camiones pesados todavía usan frenos de tambor porque ocupan el mismo espacio. Los ferrocarriles nunca han utilizado frenos de tambor de expansión interna porque provocan derrapes y provocan 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 desvanecimiento del freno de tambor se puede reducir y mejorar un poco el rendimiento general mediante una antigua técnica de perforación del tambor "hot rodder". Se perfora un patrón de agujeros cuidadosamente elegido 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 del tambor, eliminando el calor; el desvanecimiento causado por los frenos mojados por agua se reduce ya que el agua es expulsada centrífugamente; y algo de polvo del material de frenos 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 harán las modificaciones necesarias de forma segura.
El desvanecimiento de los frenos causado por el sobrecalentamiento del líquido de frenos (a menudo llamado Pedal Fade) 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, estas reducen la transferencia de calor de la pastilla a la pinza y en gire el líquido de frenos hidráulicos. Algunas pinzas de carreras de alto rendimiento ya incluyen protectores térmicos de freno hechos de titanio o materiales cerámicos. Sin embargo, también es posible comprar protectores térmicos de frenos de titanio [6] que se adaptarán a un sistema de frenos existente para brindar protección contra el calor de los frenos. Estas inserciones están cortadas con precisión para cubrir la mayor cantidad posible de almohadilla. Dado que son relativamente baratos y fáciles de instalar, son populares entre los corredores y entusiastas de los días en pista.
Otra técnica empleada para evitar el desvanecimiento de los frenos es la incorporación de enfriadores de frenos para detener el desvanecimiento. Al igual que los protectores térmicos de titanio, los enfriadores de frenos están diseñados para deslizarse entre la placa de respaldo de la pastilla de freno y el pistón de la pinza. Están construidos a partir de un compuesto metálico de alta conductividad térmica y alto límite elástico que conduce el calor desde la interfaz a un disipador de calor externo a la pinza y en el flujo de aire. Se ha demostrado que reducen la temperatura del pistón de la pinza en más de un veinte por ciento y también reducen significativamente el tiempo necesario para enfriarse. [7] Sin embargo, a diferencia de los escudos térmicos de titanio, los refrigeradores de frenos en realidad transfieren el calor al entorno circundante y, por lo tanto, mantienen las pastillas más frías.
