Sistema de Frenos Automovil

SISTEMA DE FRENOS

Introducción

El sistema de frenos en un vehículo tiene la misión de reducir la velocidad, hasta llegar a detenerlo si fuera preciso. El efecto de frenado consiste en absorber la energía cinética producida por el vehículo en movimiento, energía que es transformada en calor por el rozamiento mutuo entre los elementos de frenado, tales como zapatas de freno y tambor, pastillas de freno con su disco, etc., y disipado a la atmósfera.

En la acción de frenado intervienen otras fuerzas, además del sistema de frenos. De ellas destacan los rozamientos de los órganos de la transmisión, la resistencia opuesta por el aire al desplazamiento del vehículo y el mismo motor cuando actúa como freno por girar más rápido las ruedas que el propio motor.

Fuerza de frenado

La fuerza de frenado (Ff) que hay que aplicar a un vehículo para disminuir su velocidad o detenerlo esta en función del peso del vehículo (P) y del coeficiente de adherencia en las ruedas (µ). Por lo tanto la Fuerza de frenado viene determinada por esta expresión.

Ff= P x µ

El coeficiente de adherencia en las ruedas está en función del desgaste de los neumáticos y del estado del terreno sobre el que se desplaza el vehículo. A continuación se dan algunos valores del coeficiente de adherencia (µ).

Naturaleza de la carretera	Estado	Neumáticos nuevos	Neumáticos viejos
Hormigón	Seco Mojado	1,00 0,7	1,00 0,5
Asfalto grueso	Seco Mojado	1,00 0,7	1,00 0,5
Asfalto normal	Seco Mojado Barro Hielo	0,6 0,5 0,2 0,05	0,6 0,3 0,1 <0,05

Consecuencias del Frenado

Si al vehículo en movimiento se le aplica una fuerza igual y de sentido contrario a la fuerza que produce el movimiento, se origina en él una aceleración negativa o deceleración que llega a anular el movimiento ya que, para detener el vehículo, hay que anular el trabajo desarrollado absorbiendo la energía cinética producida en el movimiento; es decir, se debe aplicar una fuerza de frenado (Ff) que anule la fuerza de impulsión (Fi).

Si la fuerza de frenado (Ff) aplicada a una rueda es menor que la fuerza de impulsión en la misma (Fi), la resultante es positiva y hace que el vehículo se desplace, aunque con menor intensidad. Por el contrario, si se aplica una mayor fuerza de frenado (Ff > Fi), la resultante es negativa, creándose un par de fuerzas contrario al giro motor que bloquea la rueda y produce el arrastre de la misma.

La fuerza de frenado tiene que ser la adecuada, un exceso de esta, no significa que el vehículo se detenga antes, ya que, para frenar, hay que transformar en calor la energía de la fuerza de impulsión (Fi). Si se bloquea la rueda, al no haber rozamiento entre sus elementos de frenado, deja de convertirse en calor la energía cinética del desplazamiento y, por tanto, el vehículo seguirá en movimiento hasta que la energía sea eliminada por otro medio, lo que ocurre por efecto del rozamiento del neumático contra el terreno.

El bloqueo de las ruedas provoca un efecto de frenado desequilibrado. El frenado desequilibrado trae consigo una pérdida de control del vehículo. Si el bloqueo de las ruedas se produce en uno solo de los ejes se origina la pérdida de control del vehículo, de forma que, si el bloqueo se produce sobre las ruedas traseras, el arrastre producido en ellas tiende a ponerlas por delante de las delanteras, ya que estas están frenadas, manifestándose el efecto por bandazos traseros en el vehículo. Si el bloqueo se produce sobre las ruedas delanteras, el arrastre en ellas, al no avanzar (por estar detenidas las traseras), se traduce en una desviación lateral del vehículo con la correspondiente pérdida del control de la dirección.

De todo lo expuesto se deduce que la fuerza de frenado debe ser tal, que detenga rápidamente la rueda pero sin llegar a bloquearla. Como la fuerza de frenado (Ff) también está en función del peso del vehículo (P) y del coeficiente de adherencia en los neumáticos, se pone de relieve la importancia que tiene el estado de los mismos, así como las condiciones del terreno en el momento de frenado.

Un neumático desgastado disminuye el coeficiente de adherencia y, por tanto, la eficacia en los frenos. Lo mismo ocurre cuando el neumático pierde contacto con la calzada por el estado del suelo debido a la lluvia, barro, nieve, etc. Estas condiciones hacen disminuir el par resistente en las ruedas, de forma que la fuerza de frenado aplicada debe ser menor para que el vehículo no patine.

Reparto de frenada

Considerando que tenemos en las cuatro ruedas el mismo grado de adherencia, la fuerza de frenado se distribuye por igual entre las ruedas delanteras y las traseras en función del peso que soportan. En el reparto de la fuerza de frenado hay que tener en cuenta que, en el momento de frenado y por efecto de la inercia, aparece una fuerza (F) que aplicada al centro de gravedad del vehículo (C.G), desplaza el conjunto de elementos suspendidos (peso total del vehículo) hacia adelante. Este efecto obliga a modificar las cargas sobre los ejes, ya que parte del peso se desplaza de las ruedas traseras a las delanteras, con lo cual aumenta la adherencia de éstas al suelo, debiéndose aplicar, por tanto, una mayor fuerza de frenado a las ruedas delanteras.

El peso transferido (Pt) en función de la fuerza (F), denominado carga dinámica, que depende del peso del vehículo y de la velocidad de desplazamiento, origina, en el momento de frenado, una inclinación del vehículo cuyo ángulo (ß) depende de la situación del centro de gravedad y de la distancia entre ejes, así como de las características de flexibilidad en la suspensión de sus ejes.

El valor del peso transferido al eje delantero suele ser aproximadamente el 20% del peso total del vehículo, calculándose en la mayoría de los casos por la formula:

Pt = 0,2 x P

Al diseñar un vehículo, el fabricante tiene en cuenta este efecto, a fin de no sobrepasar la fuerza de frenado en cada una de las ruedas, obteniéndose así una gran eficacia en los frenos. Esta llega al 100% cuando la fuerza de frenado es igual al peso real que descansa sobre cada rueda al frenar.

Generalmente nunca se alcanza ese grado de eficacia en los frenos, considerándose buenos frenos cuando la eficacia es igual o mayor al 80% y malos frenos cuando es igual o inferior al 50%.

Repartos de cargas en el vehículo

El reparto de cargas sobre los ejes del vehículo, según la posición del grupo motopropulsor, suele estar comprendido entre los siguientes valores:

• Motor delantero y propulsión trasera: el 50% para cada eje

• Motor y tracción delantera: el 60% en el eje delantero y 40% en el trasero.

• Motor y propulsión traseros: el 40% en el eje delantero y el 60% en el trasero. 

La influencia del frenado en las ruedas también se manifiesta en las curvas. En ellas, junto a la fuerza de frenado aplicada a las ruedas, aparece una fuerza transversal consecuencia de la fuerza centrifuga, que hace aumentar o disminuir la adherencia del neumático con el suelo, en función del peso transferido en la curva hacia las ruedas exteriores, las cuales ganan adherencia, mientras la pierden las interiores. Si en estas circunstancias se frena, puede llegarse a bloquear prematuramente cualquiera de las ruedas interiores, en particular la trasera, con el consiguiente derrapado del vehículo y pérdida de estabilidad.

Distancia de Frenado

Se llama distancia de parada, al espacio recorrido por el vehículo desde que se accionan los frenos hasta que se detiene por completo. Esta distancia depende de la fuerza de frenado, grado de adherencia al suelo en ese momento, velocidad del vehículo, fuerza y dirección del viento, etc., factores todos ellos variables y muy difíciles de determinar que no permitirán calcular con exactitud el valor de la distancia de parada.

La distancia de parada de los vehículos suele calcularse por medio de una fórmula simplificada; en esta fórmula no se tiene en cuenta la resistencia del viento, se considera que los neumáticos están en buen estado y se aplica la máxima fuerza de frenado.

 D =  V2 / e x 254

D = distancia de parada en metros
V2 = velocidad en Km/h
e = porcentaje de eficacia de los frenos
254 = constante para que las distancias vengan expresadas en metros.

Dando valores a esta fórmula, con una eficacia de frenada conocida, se puede representar en una gráfica como la siguiente, la distancia de parada en función de la velocidad del vehículo. Como se puede apreciar la distancia de parada no crece proporcionalmente a la velocidad, ya que, a 50 km/h le corresponderían 12 metros de distancia de parada y sin embargo al doble de velocidad (100 km/h) le corresponderían 47 m.

Como se puede apreciar, la distancia de parada (D) no depende para nada del peso del vehículo (a mayor peso hay más adherencia), sino del cuadrado de la velocidad y de la eficacia de los frenos. Por ello la distancia de parada es igual para un vehículo pesado que para un turismo, siempre que la velocidad y la eficacia de los frenos sea las mismas.

Disposiciones legales para la instalación de frenos en los vehículos

Estas disposiciones implantadas por decreto ley y tenidas en cuenta por los fabricantes de automóviles, son contrastadas por la Jefatura de Industria para poder dar de alta a los vehículos fabricados. Entre ellas se pueden destacar las siguientes:

1.     Todo vehículo debe tener dos sistemas de frenos, independientes uno del otro, de forma que pueda funcionar uno de ellos cuando falle el otro.

2.   Uno de los sistemas debe actuar mecánicamente y poderse fijar cuando el vehículo quede estacionado.

3.     Los frenos de servicio deben actuar enérgicamente sobre el vehículo en movimiento, debiendo producir una deceleración mínima de 2,4 m/s².

4.     De tener que utilizar el freno auxiliar de estacionamiento como freno de emergencia, éste debe ser capaz de producir una deceleración mínima de 1,5 m/s².

5.     Los remolques con dos o más ejes deben disponer de una instalación propia de frenado capaz de producir una deceleración mínima de 2,5 m/s² y, al desconectarse del vehículo de arrastre, sus ruedas deben de quedar bloqueadas automáticamente.

6.     Los remolques de un solo eje, no necesitan instalación de frenos propia cuando la carga por eje remolcado sea inferior a la mitad del peso en vacío del vehículo tractor.

7.  Los vehículos cuyo peso total sea superior a las 5,5 t, deben ir equipados con un tercer freno de servicio.

8.     Todos los frenos de servicio deben llevar, tanto en el vehículo tractor como en el remolque, una señalización luminosa de color rojo situada en la parte trasera de los mismos, de forma que indique a los demás conductores que está realizando esta maniobra.

TIPOS DE SISTEMA DE FRENO

Freno de servicio

Es el freno casi siempre utilizado para contener o parar la marcha del coche. Generalmente la fuerza de frenado será aplicada por el conductor en un pedal de freno.

Freno de estacionamiento

Es el sistema de frenado independiente del freno de servicio, que es utilizado para dejar inmovilizado un coche al estar estacionado. Generalmente la fuerza de frenado se aplica por el conductor en una palanca o bien sobre un pequeño pedal predispuesto para ese fin.

Freno de emergencia

Se trata de un sistema de freno separado del freno de servicio, este sistema de emergencia es de actuación automática al existir un fallo en el sistema de servicio, o también puede ser aplicado por un mando que equipa al coche con ese objetivo específico.

Sistemas de Freno Existentes

Freno por el Motor

Consiste en aprovechar la resistencia al giro que contrapone el motor, por su compresión, al ser arrastrado desde las ruedas motrices impulsado por la inercia del coche en movimiento. En coches pesados se logra mejorar este sistema obstruyendo momentáneamente el sistema de escape.

Freno Mecánico

Consiste en el comando mecánico de los elementos de roce para lograr el frenaje.
Este comando puede ser de 2 tipos:

• Comando mecánico por medio de piolas:
  Se consigue hacer actuar los elementos de roce, trasmitiendo la fuerza de aplicación a través de piolas de acero. Entre su aplicación encontramos el freno para estacionamiento.

• Comando mecánico por medio de varillas metálicas:
  Se consigue hacer actuar los elementos de roce, trasmitiendo la fuerza de aplicación a través de varillas de acero. Entre sus aplicaciones encontramos el Freno para estacionamiento, aplicación de elementos en sistemas neumáticos.

Frenos Hidráulicos

Consiste en la transmisión por medios hidráulicos del esfuerzo de frenaje aplicado al pedal de frenos, para hacer actuar a los elementos de frenado.


Frenos Asistidos o Servofreno

Se trata de un sistema de frenos hidráulicos al cual se le ha dado una ayuda para aliviar el esfuerzo del conductor, logrando una fuerza mayor de aplicación. Puede ser Servofreno por vacio que es el tipo más usado, o también del tipo Servofreno por presión de aire, para coches pesados (bomba x motor y liquido a cilindro con aire sale a presión)

Presentación Sistema de Frenos Hidráulico para Automóviles 

Frenos Neumáticos

Sistema de frenos que para trasmitir la fuerza de frenado aplicada al pedal de freno, ocupa aire comprimido a una presión cierta, la que actúa sobre los elementos de frenaje

Frenos Eléctricos

Dependiendo de la forma de aplicar a electricidad se pueden distinguir dos tipos de sistema de frenos eléctricos:

• Freno eléctrico:

Consiste en hacer actuar los elementos de frenaje por medio de la aplicación proporcional de un actuador. Esta proporcionalidad se logra dosificando la corriente gracias a una resistencia eléctrica.

• Ralentizador  eléctrico:

Este sistema es como un generador eléctrico que para hacer actuar los campos magnéticos ocupa grandes cantidades de energía proporcionada por el impulso del coche, haciéndolo frenar.

Este dispositivo puede estar aplicado a las ruedas, al cardan u otro eje conectado a las ruedas del coche.