Las pastillas de freno son un componente de los frenos de disco que se utilizan en automóviles y otras aplicaciones. Las pastillas de freno están compuestas por placas de soporte de acero con material de fricción adherido a la superficie que mira hacia los rotores del freno de disco.
Las pastillas de freno convierten la energía cinética de un vehículo en energía térmica a través de la fricción . Dos pastillas de freno están contenidas en el freno con sus superficies de fricción orientadas hacia el rotor. [1] Cuando los frenos se aplican hidráulicamente , la pinza sujeta o aprieta las dos pastillas juntas sobre el rotor giratorio para reducir la velocidad y detener el vehículo. Cuando una pastilla de freno se calienta debido al contacto con el rotor , transfiere pequeñas cantidades de su material de fricción al disco, dejando una capa gris opaca sobre él. La pastilla de freno y el disco (ahora ambos con el material de fricción), luego se "pegan" entre sí, proporcionando la fricción que detiene el vehículo.
En los frenos de disco, normalmente hay dos pastillas de freno por rotor de disco, ambas funcionan juntas. Estas se mantienen en su lugar y se accionan mediante una pinza fijada al cubo de la rueda o al montante de la suspensión . Sin embargo, las pinzas de competición pueden utilizar hasta seis pastillas, con diferentes propiedades de fricción en un patrón escalonado para un rendimiento óptimo. Dependiendo de las propiedades del material, el peso del vehículo y las velocidades a las que se conduce, las tasas de desgaste del disco pueden variar. Las pastillas de freno generalmente deben reemplazarse regularmente (dependiendo del material de la pastilla). La mayoría de las pastillas de freno están equipadas con un método para alertar al conductor cuando esto debe hacerse. Una técnica común es fabricar una pequeña ranura central cuya eventual desaparición por desgaste indica el final de la vida útil de una pastilla. Otros métodos incluyen colocar una tira delgada de metal blando en una ranura, de modo que cuando se exponga (debido al desgaste) los frenos chirríen de manera audible. También se puede incrustar una pestaña de desgaste de metal blando en el material de la pastilla que cierra un circuito eléctrico cuando la pastilla de freno se desgasta, lo que enciende una luz de advertencia en el tablero.
El concepto de pastillas de freno o frenos de disco como alternativa a los frenos de tambor ya existía desde una patente de FW Lanchester en 1902. [2] Sin embargo, debido al alto coste y las ineficiencias en comparación con los frenos de tambor, no se implementaron comúnmente hasta después de la Segunda Guerra Mundial . [3] Una vez que la tecnología de frenos de disco mejoró, el rendimiento de los frenos superó rápidamente al de los frenos de tambor. La diferencia de rendimiento se exhibió más notablemente en 1953 cuando un Jaguar equipado con pastillas de freno ganó la carrera del Gran Premio de Resistencia de las 24 Horas de Le Mans . [3] [4] El éxito del Jaguar se atribuye comúnmente a los frenos de disco del automóvil, que permitieron a los conductores acercarse a las curvas más rápido y frenar más tarde que sus oponentes, lo que finalmente condujo a su victoria. Todavía en 1963, la mayoría de los automóviles que usaban frenos de disco eran de fabricación europea, y los automóviles estadounidenses adoptaron la tecnología a fines de la década de 1960 después de la invención de las pinzas fijas que hicieron que la instalación fuera más barata y más compacta. [3]
Los frenos de disco ofrecen un mejor rendimiento de frenado en comparación con los frenos de tambor . Ofrecen una mejor resistencia al " desvanecimiento de los frenos " causado por el sobrecalentamiento de las pastillas de freno y también pueden recuperarse rápidamente de la inmersión (los frenos húmedos son menos efectivos). A diferencia de un freno de tambor, un freno de disco no tiene un efecto de servofreno: la fuerza de frenado siempre es proporcional a la presión aplicada en la palanca del pedal de freno. Sin embargo, muchos sistemas de frenos de disco tienen asistencia de servofreno ("Brake Booster") para reducir el esfuerzo del pedal del conductor. [ cita requerida ]
Las pastillas de freno de disco son más fáciles de inspeccionar y reemplazar que los revestimientos de fricción del freno de tambor.
Existen numerosos tipos de pastillas de freno, dependiendo del uso previsto del vehículo, desde las más blandas y agresivas (como las de competición) hasta las más duras, más duraderas y menos agresivas. La mayoría de los fabricantes de vehículos recomiendan un tipo específico de pastilla de freno para su vehículo, pero los compuestos se pueden cambiar (ya sea comprando una marca de pastilla diferente o actualizando a una pastilla de alto rendimiento de la gama de un fabricante) según los gustos personales y los estilos de conducción. Siempre hay que tener cuidado al comprar pastillas de freno no estándar, ya que los rangos de temperatura de funcionamiento pueden variar, como las pastillas de alto rendimiento que no frenan de manera eficiente cuando están frías o las pastillas estándar que se desgastan con una conducción intensa. En los coches que sufren un desgaste excesivo de los frenos , el problema se puede minimizar instalando pastillas de freno de mejor calidad y más agresivas.
Las características más importantes que se tienen en cuenta al seleccionar un material de pastillas de freno son las siguientes:
Otro requisito material que se tiene en cuenta es la compresibilidad de las pastillas de freno; si son demasiado compresibles, el recorrido del freno o el desplazamiento del líquido del servofreno pueden ser excesivos. [7] El material de las pastillas de freno también debe ser poroso para minimizar el efecto que tiene el agua en el coeficiente de fricción. [7]
Después de la Primera Guerra Mundial, cuando la velocidad de los automóviles comenzó a aumentar, el amianto se añadió como un ingrediente común a las pastillas de freno porque las investigaciones demostraron que sus propiedades le permitían absorber el calor (que puede alcanzar los 500 °F) y al mismo tiempo proporcionar la fricción necesaria para detener un vehículo. [8] Sin embargo, cuando los graves riesgos para la salud del amianto finalmente comenzaron a hacerse evidentes, se tuvieron que encontrar otros materiales. Las pastillas de freno de amianto han sido reemplazadas en gran medida por materiales orgánicos sin amianto (NAO) en los países del primer mundo. [9] Hoy en día, los materiales de las pastillas de freno se clasifican en una de las cuatro categorías principales, como sigue:
La resina de fenol formaldehído se utiliza con frecuencia como agente aglutinante . El grafito puede servir como material de fricción y como agente aglutinante. [11] Otro material de fricción que se utiliza habitualmente es el silicato de circonio . [9] Un productor italiano está realizando una investigación para utilizar el cemento como un agente aglutinante barato y que consume menos energía. [12] La siguiente tabla describe la composición de una pastilla de freno común. [9]
Existen factores ambientales que determinan la selección de los materiales de las pastillas de freno. Por ejemplo, el proyecto de ley SSB 6557 [13] aprobado en el estado de Washington en 2010 limita la cantidad de cobre que se permite utilizar en los materiales de fricción, que con el tiempo se reducirá a cantidades mínimas, debido al impacto negativo de los altos niveles de cobre en la vida acuática. Para su sustitución se han desarrollado diferentes combinaciones de materiales, aunque todavía no se dispone de ningún sustituto directo. [14] Se están estudiando otros materiales, como los compuestos elaborados con antimonio.
Los vehículos tienen diferentes requisitos de frenado. Los materiales de fricción ofrecen fórmulas y diseños específicos para cada aplicación. Las pastillas de freno con un coeficiente de fricción más alto proporcionan un buen frenado con un menor requisito de presión en el pedal de freno, pero tienden a perder eficiencia a temperaturas más altas. Las pastillas de freno con un coeficiente de fricción más bajo y constante no pierden eficiencia a temperaturas más altas y son estables, pero requieren una mayor presión en el pedal de freno.
Las pastillas de freno deben revisarse al menos cada 5000 millas para detectar desgaste excesivo o irregular. Si bien el desgaste de las pastillas de freno es exclusivo de cada vehículo, generalmente se recomienda reemplazarlas cada 50 000 millas [6] , mientras que los discos de freno (o rotores) suelen durar más y deben reemplazarse cada 70 000 millas.
Los fallos en las pastillas de freno pueden tener muchos efectos en el rendimiento de un vehículo. En el siguiente cuadro se describen algunos problemas comunes que pueden ser causados por el mal funcionamiento de las pastillas de freno: [8]
La Oficina Nacional de Normas (NBS) comenzó a realizar pruebas de materiales de frenos en los EE. UU. en 1920. Luego, la configuración de prueba se compartió con los fabricantes que la querían para que pudieran comenzar a probar sus propios productos. [15] Con el tiempo, la NBS continuó desarrollando nuevos instrumentos y procedimientos para probar pastillas y revestimientos, y estas normas finalmente se convirtieron en las normas para el Código de seguridad para frenos y pruebas de frenos del Comité de Normas de Ingeniería Estadounidense. [15]
La prueba SAE J661 se utiliza para determinar la fricción de diferentes materiales de pastillas de freno probando un revestimiento cuadrado de 1 pulgada (25 mm) con un tambor de freno. Esta prueba arroja valores para coeficientes de fricción en caliente y en frío, que luego se combinan con designaciones de letras. [7] La siguiente tabla describe qué letra corresponde a cada rango de coeficiente de fricción. Un ejemplo de la designación sería "GD", donde "G" es el coeficiente normal, mientras que "D" representa el coeficiente calentado. [7]
Existen diferentes sistemas para la catalogación de las pastillas de freno. El sistema más utilizado en Europa es el sistema de numeración WVA . [16]
El sistema de catalogación utilizado en América del Norte y reconocido en todo el mundo es el sistema de numeración de piezas estandarizado para frenos y revestimientos de embrague emitido por el Friction Materials Standards Institute (FMSI). La misión del FMSI es "mantener y mejorar este sistema de numeración de piezas estandarizado para todos los vehículos de carretera en uso en América del Norte". [17]
Un tipo de pastilla de freno utilizada en frenos de llanta .
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