Un freno de aire o, más formalmente, un sistema de freno de aire comprimido , es un tipo de freno de fricción para vehículos en el que se utiliza aire comprimido presionando un pistón para liberar los frenos de estacionamiento/emergencia con el fin de mover el vehículo, y también para aplicar presión a las pastillas de freno o zapatas de freno para reducir la velocidad y detener el vehículo. Los frenos de aire se utilizan en vehículos pesados grandes, en particular aquellos que tienen múltiples remolques que deben estar conectados al sistema de frenos, como camiones , autobuses , remolques y semirremolques , además de su uso en trenes de ferrocarril . George Westinghouse fue el primero en desarrollar frenos de aire para su uso en el servicio ferroviario . [1] Patentó un freno de aire más seguro el 5 de marzo de 1872. [2] [3] Westinghouse realizó numerosas modificaciones para mejorar su invención del freno de aire comprimido, lo que dio lugar a varias formas del freno automático. A principios del siglo XX, después de que se demostraran sus ventajas en el uso ferroviario, fue adoptado por los fabricantes de camiones y vehículos pesados de carretera .
Los frenos de aire se utilizan normalmente en camiones pesados y autobuses. La presión de funcionamiento habitual es de aproximadamente 100–120 psi o 690–830 kPa o 6,9–8,3 bar. Un sistema de frenos de aire comprimido se divide en un sistema de suministro y un sistema de control .
El sistema de suministro comprime, almacena y suministra aire a alta presión al sistema de control, así como a los sistemas auxiliares del camión operados por aire adicionales (control de cambio de la caja de cambios, servoasistencia de aire del pedal del embrague , etc.). El compresor de aire extrae aire filtrado de la atmósfera y lo comprime, almacenando el aire comprimido en depósitos de alta presión. [4] La mayoría de los vehículos pesados tienen un medidor dentro del campo de visión del conductor, que indica la disponibilidad de presión de aire para una operación segura del vehículo, que a menudo incluye tonos o luces de advertencia. También es común un "wig wag" mecánico que baja automáticamente al campo de visión del conductor cuando la presión cae por debajo de un cierto punto.
El sistema de control consta de frenos de servicio, frenos de estacionamiento, un pedal de control y un tanque de almacenamiento de aire. Si el vehículo arrastra un remolque, suele tener un sistema de frenos de remolque independiente que recibe aire comprimido del sistema de suministro.
Los frenos de estacionamiento utilizan un sistema de disco o tambor que está diseñado para mantenerse en la posición "aplicada" mediante la presión de un resorte. Se debe generar presión de aire para liberar estos frenos de estacionamiento de "freno de resorte". Al colocar el freno de estacionamiento/emergencia se libera el aire presurizado en las líneas entre el tanque de almacenamiento de aire comprimido y los frenos, lo que permite que se active el freno de estacionamiento accionado por resorte. Una pérdida repentina de presión de aire provocaría que se aplicara inmediatamente la presión total del freno de resorte.
Los frenos de servicio se utilizan durante la conducción para reducir la velocidad o detener el vehículo. Cuando se presiona el pedal del freno para aplicar los frenos de servicio, el aire se envía bajo presión desde un depósito de suministro a la cámara del freno de servicio, lo que hace que se active el freno. Cuando se suelta el pedal, un resorte de retorno en la cámara del freno desacopla el freno y el aire comprimido se expulsa a la atmósfera. [4] La mayoría de los tipos de frenos de aire para camiones son frenos de tambor, aunque existe una tendencia creciente hacia el uso de frenos de disco.
El compresor de aire (1) es accionado por el motor, ya sea por la polea del cigüeñal a través de una correa o directamente desde los engranajes de distribución del motor. Normalmente, se lubrica y enfría mediante los sistemas de lubricación y refrigeración del motor, pero algunos sistemas utilizan compresores autolubricados y/o compresores enfriados por aire. La presión del sistema está regulada por un regulador entre un valor mínimo y máximo; [5] el regulador descarga el compresor cuando se ha alcanzado la presión máxima del sistema y carga el compresor cuando cae por debajo de su punto de ajuste mínimo. [4] [6]
Cuando el compresor está cargado, el aire comprimido se dirige primero a través de un serpentín de enfriamiento hacia un secador de aire (3) que elimina la humedad y las impurezas del aceite y también puede incluir un regulador de presión (2), una válvula de seguridad y un depósito de purga más pequeño (4). Como alternativa al secador de aire, el sistema de suministro puede estar equipado con un dispositivo anticongelante y un separador de aceite.
El aire comprimido se almacena entonces en un depósito de suministro (6); el depósito de suministro, que es el más cercano físicamente al compresor, también se denomina tanque húmedo porque la mayor parte del aceite y el agua del compresor se acumulan aquí. Un segundo depósito, aguas abajo, se denomina depósito de servicio y constituye la fuente principal para el funcionamiento del freno. [7] Los depósitos de suministro y servicio están dimensionados para permitir varias aplicaciones del freno de servicio si el compresor falla o el motor se detiene. [4] Desde el depósito de servicio, el aire comprimido se distribuye a través de una válvula de protección de cuatro vías (5) al depósito primario (depósito del freno trasero) y al depósito secundario (depósito del freno delantero/del remolque), un depósito del freno de estacionamiento y un punto de distribución de suministro de aire auxiliar.
El sistema de suministro también incluye varias válvulas de control , [8] limitadoras de presión , de drenaje y de seguridad . [9]
El sistema de control se divide además en dos circuitos de freno de servicio , el circuito del freno de estacionamiento y el circuito del freno del remolque .
Los circuitos de freno de servicio dual se dividen a su vez en circuitos de rueda delantera y trasera que reciben aire comprimido de sus depósitos de suministro individuales para mayor seguridad en caso de una fuga de aire. Los frenos de servicio se aplican por medio de una válvula de aire del pedal de freno (9) que regula ambos circuitos. Al presionar el pedal de freno, el aire comprimido almacenado en los respectivos depósitos de suministro ingresa a cada cámara de freno de servicio (10) y (12), lo que hace que se activen los frenos de servicio. Al soltar el pedal de freno, se desconectan los depósitos de suministro; un resorte de retorno del freno obliga a los frenos de servicio a liberarse y el aire comprimido que se utilizó para activar los frenos de servicio se expulsa a la atmósfera. La aplicación repetida de los frenos de servicio agotará la presión del depósito de aire, lo que provocará que el regulador cargue nuevamente el compresor. [4] [6]
Se utilizan válvulas de relé para mejorar la respuesta de los frenos con líneas largas. El paso de las líneas de los frenos de servicio traseros y del remolque a través de la válvula de aire del pedal de freno podría dar como resultado una actuación inaceptablemente lenta, por lo que estos frenos se conectan directamente al depósito de servicio a través de una válvula de relé local (11) y la línea de la válvula de aire del pedal de freno se utiliza para accionar la válvula de relé en lugar de los frenos de servicio. [10] De manera similar, las válvulas de liberación rápida se ubican cerca de sus respectivos frenos y permiten que el aire se escape más rápidamente cuando se liberan los frenos. [11]
El freno de estacionamiento es del tipo de freno de resorte operado por aire, donde el freno se aplica mediante la fuerza del resorte en el cilindro del freno de resorte (12) y se libera mediante aire comprimido a través de una válvula de control manual (7).
El freno del remolque consta de un sistema directo de dos líneas: la línea de alimentación y la línea de control o servicio independiente. La línea de alimentación recibe aire del tanque de aire del freno de estacionamiento del motor principal a través de una válvula de relé del freno de estacionamiento y la línea de control se regula a través de la válvula de relé del freno del remolque. Las señales de funcionamiento del relé las proporcionan la válvula de aire del pedal del freno del motor principal, el control manual del freno de servicio del remolque (sujeto a la legislación local sobre vehículos pesados) y el control manual del freno de estacionamiento del motor principal.
Los sistemas de frenos de aire pueden incluir un dispositivo wig wag que se despliega para advertir al conductor si la presión de aire del sistema cae demasiado bajo.
Este dispositivo deja ver un brazo mecánico cuando la presión en el sistema cae por debajo del umbral de presión suficiente para desplegar los frenos de manera confiable. [12]
Un mecanismo de oscilación automático se elevará y desaparecerá de la vista cuando la presión en el sistema supere el umbral. El tipo de reinicio manual debe colocarse en la posición fuera de la vista manualmente. Ninguno permanecerá en su lugar a menos que la presión en el sistema supere el umbral. La foto de la izquierda muestra un mecanismo de oscilación manual que el operador mueve hacia la derecha y desaparece de la vista cuando la presión del aire supera el umbral, donde permanecerá mientras la presión sea suficiente.
La mayoría de los manuales de licencias de conducir comerciales de los estados de EE. UU. , publicados por los Departamentos de Vehículos Motorizados de los estados o sus equivalentes, describen este término. [13]
Los frenos de aire se utilizan como alternativa a los frenos hidráulicos que se utilizan en vehículos más ligeros, como los automóviles. Los frenos hidráulicos utilizan un líquido ( fluido hidráulico ) para transferir la presión del pedal de freno a la zapata de freno para detener el vehículo. Los frenos de aire se utilizan en vehículos comerciales pesados debido a su fiabilidad. Tienen varias ventajas para los vehículos grandes con varios remolques: [14]
Aunque los frenos de aire se consideran el sistema de frenado superior para vehículos pesados (peso bruto entre 12 y 15 toneladas) que sobrecargarían los frenos hidráulicos, también tienen las siguientes desventajas en comparación con los sistemas de frenado hidráulicos:
