Un freno es un dispositivo mecánico que inhibe el movimiento absorbiendo energía de un sistema en movimiento. [1] Se utiliza para frenar o detener un vehículo, rueda o eje en movimiento, o para evitar su movimiento, lo que se logra con mayor frecuencia mediante fricción. [2]
La mayoría de los frenos suelen utilizar la fricción entre dos superficies presionadas entre sí para convertir la energía cinética del objeto en movimiento en calor , aunque se pueden emplear otros métodos de conversión de energía. Por ejemplo, el frenado regenerativo convierte gran parte de la energía en energía eléctrica , que puede almacenarse para su uso posterior. Otros métodos convierten la energía cinética en energía potencial en formas almacenadas como aire presurizado o aceite presurizado. Los frenos de corrientes parásitas utilizan campos magnéticos para convertir la energía cinética en corriente eléctrica en el disco, la aleta o el riel del freno, que se convierte en calor. Otros métodos de frenado incluso transforman la energía cinética en diferentes formas, por ejemplo transfiriendo la energía a un volante giratorio.
Los frenos generalmente se aplican a ejes o ruedas en rotación, pero también pueden adoptar otras formas, como la superficie de un fluido en movimiento (aletas desplegadas en el agua o el aire). Algunos vehículos utilizan una combinación de mecanismos de frenado, como los coches de carreras con frenos en las ruedas y un paracaídas, o aviones con frenos en las ruedas y flaps de arrastre levantados en el aire durante el aterrizaje.
Dado que la energía cinética aumenta cuadráticamente con la velocidad ( ), un objeto que se mueve a 10 m/s tiene 100 veces más energía que uno de la misma masa que se mueve a 1 m/s, y en consecuencia la distancia de frenado teórica , al frenar en el límite de tracción. , es hasta 100 veces más largo. En la práctica, los vehículos rápidos suelen tener una resistencia al aire significativa y la energía perdida por la resistencia al aire aumenta rápidamente con la velocidad.
Casi todos los vehículos con ruedas tienen algún tipo de freno. Incluso los carros de equipaje y los carritos de compras pueden tenerlos para su uso en una rampa móvil . La mayoría de los aviones de ala fija están equipados con frenos en las ruedas del tren de aterrizaje . Algunos aviones también cuentan con frenos de aire diseñados para reducir su velocidad en vuelo. Ejemplos notables incluyen planeadores y algunos aviones de la era de la Segunda Guerra Mundial , principalmente algunos aviones de combate y muchos bombarderos en picado de la época. Estos permiten que la aeronave mantenga una velocidad segura en un descenso pronunciado. El bombardero en picado Saab B 17 y el caza Vought F4U Corsair utilizaron el tren de aterrizaje desplegado como freno de aire.
Los frenos de fricción de los automóviles almacenan el calor de frenado en el freno de tambor o en el freno de disco mientras frenan y luego lo conducen al aire gradualmente. Al circular cuesta abajo, algunos vehículos pueden utilizar el motor para frenar .
Cuando el pedal del freno de un vehículo moderno con frenos hidráulicos se presiona contra el cilindro maestro , finalmente un pistón empuja la pastilla de freno contra el disco de freno , lo que frena la rueda. En el tambor de freno es similar, ya que el cilindro empuja las zapatas de freno contra el tambor, lo que también frena la rueda.
Los frenos pueden describirse en términos generales como sistemas que utilizan fricción, bombeo o electromagnetismo. Un freno puede utilizar varios principios: por ejemplo, una bomba puede hacer pasar líquido a través de un orificio para crear fricción:
Los frenos de fricción son los más comunes y se pueden dividir en términos generales en frenos de " zapata " o " pastilla ", que utilizan una superficie de desgaste explícita, y frenos hidrodinámicos, como los paracaídas, que utilizan la fricción en un fluido de trabajo y no se desgastan explícitamente. Normalmente, el término "freno de fricción" se utiliza para referirse a frenos de pastilla/zapata y excluye los frenos hidrodinámicos, aunque los frenos hidrodinámicos utilizan fricción. Los frenos de fricción (pastilla/zapata) suelen ser dispositivos giratorios con una pastilla estacionaria y una superficie de desgaste giratoria. Las configuraciones comunes incluyen zapatas que se contraen para frotar el exterior de un tambor giratorio, como un freno de banda ; un tambor giratorio con zapatas que se expanden para frotar el interior de un tambor, comúnmente llamado " freno de tambor ", aunque son posibles otras configuraciones de tambor; y pastillas que aprietan un disco en rotación, comúnmente llamado " freno de disco ". Se utilizan otras configuraciones de frenos, pero con menos frecuencia. Por ejemplo, los frenos de carro PCC incluyen una zapata plana que se sujeta al riel con un electroimán; el freno Murphy pellizca un tambor giratorio y el freno de disco Ausco Lambert utiliza un disco hueco (dos discos paralelos con un puente estructural) con zapatas que se asientan entre las superficies del disco y se expanden lateralmente.
Un freno de tambor es un freno de vehículo en el que la fricción es causada por un conjunto de zapatas de freno que presionan contra la superficie interior de un tambor giratorio. El tambor está conectado al cubo de la rueda giratoria.
Los frenos de tambor generalmente se pueden encontrar en modelos de automóviles y camiones más antiguos. Sin embargo, debido a su bajo costo de producción, los frenos de tambor también se instalan en la parte trasera de algunos vehículos más nuevos de bajo costo. En comparación con los frenos de disco modernos, los frenos de tambor se desgastan más rápido debido a su tendencia a sobrecalentarse.
El freno de disco es un dispositivo para frenar o detener la rotación de una rueda. Un disco de freno (o rotor en inglés estadounidense), generalmente de hierro fundido o cerámica , está conectado a la rueda o al eje. Para detener la rueda, se fuerza mecánica , hidráulica , neumática o electromagnéticamente material de fricción en forma de pastillas de freno (montadas en un dispositivo llamado pinza de freno ) contra ambos lados del disco. La fricción hace que el disco y la rueda adjunta disminuyan la velocidad o se detengan.
Los frenos de bombeo se utilizan a menudo cuando una bomba ya forma parte de la maquinaria. Por ejemplo, en un motor de pistón de combustión interna se puede detener el suministro de combustible y luego las pérdidas de bombeo internas del motor crean algo de frenado. Algunos motores utilizan una válvula de anulación llamada freno Jake para aumentar considerablemente las pérdidas de bombeo. Los frenos de bombeo pueden descargar energía en forma de calor o pueden ser frenos regenerativos que recargan un depósito de presión llamado acumulador hidráulico .
Los frenos electromagnéticos también se utilizan a menudo cuando un motor eléctrico ya forma parte de la máquina. Por ejemplo, muchos vehículos híbridos gasolina/eléctricos utilizan el motor eléctrico como generador para cargar baterías eléctricas y también como freno regenerativo . Algunas locomotoras diésel/eléctricas utilizan motores eléctricos para generar electricidad que luego se envía a un banco de resistencias y se vierte en forma de calor. Algunos vehículos, como algunos autobuses de tránsito, aún no tienen un motor eléctrico, pero usan un freno secundario "retardador" que es efectivamente un generador con un cortocircuito interno. Los tipos relacionados de frenos de este tipo son los frenos de corrientes parásitas y los frenos electromecánicos (que en realidad son frenos de fricción accionados magnéticamente, pero hoy en día a menudo también se les llama simplemente "frenos electromagnéticos").
Los frenos electromagnéticos ralentizan un objeto mediante inducción electromagnética , lo que crea resistencia y, a su vez, calor o electricidad. Los frenos de fricción aplican presión sobre dos objetos separados para frenar el vehículo de manera controlada.
Los frenos a menudo se describen según varias características, entre ellas:
Los componentes de base son los componentes del conjunto de frenos en las ruedas de un vehículo, llamados así por formar la base del resto del sistema de frenos. Estas piezas mecánicas contenidas alrededor de las ruedas están controladas por el sistema de frenos de aire.
Los tres tipos de sistemas de frenos básicos son frenos de leva “S”, frenos de disco y frenos de cuña. [3]
La mayoría de los vehículos de pasajeros modernos y las camionetas ligeras utilizan un sistema de frenos asistido por vacío que aumenta en gran medida la fuerza aplicada a los frenos del vehículo por parte del operador. [4] Esta fuerza adicional es suministrada por el vacío del colector generado por el flujo de aire obstruido por el acelerador en un motor en marcha. Esta fuerza se reduce considerablemente cuando el motor funciona con el acelerador completamente abierto, ya que se reduce la diferencia entre la presión del aire ambiente y la presión del aire (absoluta) del colector y, por lo tanto, el vacío disponible disminuye. Sin embargo, los frenos rara vez se aplican a toda velocidad; el conductor quita el pie derecho del pedal del acelerador y lo mueve al pedal del freno, a menos que se frene con el pie izquierdo .
Debido al bajo vacío a altas RPM, los informes de aceleración involuntaria a menudo van acompañados de quejas de frenos fallidos o debilitados, ya que el motor de altas revoluciones, al tener el acelerador abierto, no puede proporcionar suficiente vacío para alimentar el servofreno. Este problema se agrava en vehículos equipados con transmisiones automáticas, ya que el vehículo reducirá automáticamente la marcha al aplicar los frenos, aumentando así el par entregado a las ruedas motrices en contacto con la superficie de la carretera.
Los vehículos de carretera más pesados, así como los trenes, suelen aumentar la potencia de frenado con aire comprimido , suministrado por uno o más compresores.
Aunque lo ideal sería que un freno convirtiera toda la energía cinética en calor, en la práctica una cantidad significativa puede convertirse en energía acústica , contribuyendo a la contaminación acústica .
Para los vehículos de carretera, el ruido producido varía significativamente según la construcción de los neumáticos , la superficie de la carretera y la magnitud de la desaceleración. [5] El ruido puede ser causado por diferentes cosas. Estas son señales de que puede haber problemas con el desgaste de los frenos con el tiempo.
El mal funcionamiento de los frenos de los ferrocarriles puede producir chispas y provocar incendios forestales . [6] En algunos casos muy extremos, los frenos de disco pueden ponerse al rojo vivo y prender fuego. Esto sucedió en el GP de Toscana, cuando el auto Mercedes, el W11, tenía sus frenos de disco delanteros de carbono casi estallando en llamas, debido a la baja ventilación y al alto uso. [7] Estos incendios también pueden ocurrir en algunas furgonetas Mercedes Sprinter , cuando el sensor de ajuste de carga se atasca y los frenos traseros tienen que compensar los delanteros. [8]
Siempre se pierde una cantidad importante de energía al frenar, incluso con una frenada regenerativa que no es perfectamente eficiente . Por lo tanto, una buena métrica del uso eficiente de la energía mientras se conduce es observar cuánto se frena. Si la mayor parte de la desaceleración se debe a la fricción inevitable en lugar del frenado, se le está exprimiendo la mayor parte del servicio al vehículo. Minimizar el uso de los frenos es uno de los comportamientos que maximizan la economía de combustible .
Si bien siempre se pierde energía durante un evento de frenado, un factor secundario que influye en la eficiencia es la "resistencia sin freno", o resistencia que se produce cuando el freno no se acciona intencionalmente. Después de un frenado, la presión hidráulica cae en el sistema, lo que permite que los pistones de la pinza de freno se retraigan. Sin embargo, esta retracción debe adaptarse a toda la flexibilidad del sistema (bajo presión), así como a la distorsión térmica de componentes como el disco de freno o el sistema de frenos que se arrastrará hasta que el contacto con el disco, por ejemplo, haga retroceder las pastillas y los pistones. superficie de frotamiento. Durante este tiempo, puede haber una importante resistencia al freno. Esta resistencia al freno puede provocar una pérdida significativa de potencia parásita, lo que afecta la economía de combustible y el rendimiento general del vehículo.
En la década de 1890, los frenos de bloque de madera quedaron obsoletos cuando los hermanos Michelin introdujeron los neumáticos de goma. [9]
Durante la década de 1960, algunos fabricantes de automóviles reemplazaron los frenos de tambor por frenos de disco. [10]
En 1966 se instaló el ABS en el gran turismo Jensen FF . [11]
En 1978, Bosch y Mercedes actualizaron su sistema de frenos antibloqueo de 1936 para el Mercedes Clase S. Ese ABS es un sistema totalmente electrónico, en las cuatro ruedas y multicanal que luego pasó a ser de serie. [12]
En 2005, el ESC, que aplica automáticamente los frenos para evitar la pérdida de control de la dirección, se volvió obligatorio para los transportistas de mercancías peligrosas sin registradores de datos en la provincia canadiense de Quebec. [13]
Desde 2017, numerosos países de la Comisión Económica para Europa (CEPE) de las Naciones Unidas utilizan el sistema de asistencia de frenado (BAS), una función del sistema de frenado que deduce un evento de frenado de emergencia a partir de una característica de la demanda de frenado del conductor y, en tales condiciones, ayuda al conductor a mejorar. frenado. [14]
En julio de 2013 [15] se promulgó el reglamento 131 sobre vehículos de la CEPE. Este reglamento define Sistemas Avanzados de Frenado de Emergencia (AEBS) para vehículos pesados para detectar automáticamente una posible colisión frontal y activar el sistema de frenado del vehículo.
El 23 de enero de 2020 [16] se promulgó el reglamento de vehículos UNECE 152, que define los sistemas avanzados de frenado de emergencia para vehículos ligeros.
A partir de mayo de 2022, en la Unión Europea, por ley, los vehículos nuevos tendrán un sistema avanzado de frenado de emergencia. [17]
