Compresión en el árbol transmisor, aunque de menor valor e importancia que la disipación de la energía producida por la fricción, merece gran consideración, sobretodo en los automóviles de pasajeros, la compresión del motor, que se utiliza también como freno, ya que al quitar el pie del acelerador deja de entrar suficiente combustible al motor; pero este sigue siendo forzado a girar con velocidad por efecto del esfuerzo de torsión que le impone, a través de la transmisión, el movimiento del vehículo. Esto hace que, al subir el pistón el tiempo de compresión, consuma más energía (comprimiendo los gases y produciendo calor por compresión) que la que genera en el tiempo de fuerza. Esta energía es calorífica y se disipa por el radiador y los gases de escape. Como ahora el motor consume más energía de la que produce, la diferencia se roba a la acumulada en el vehículo, reduciendo su velocidad.
Este efecto no se produce si el motor se desconecta del resto de la transmisión, bien por desembragarse el coche, los engranes de la transmisión, o porque la transmisión automática del vehículo contenga algún sistema de rueda libre que impide el arrastre automático del vehículo o contenga algún sistema de rueda libre que impide el arrastre del motor por la transmisión cuando se suelta el acelerador.
Algunos fabricantes cuentan con esta contrapresión para hacer más eficiente el efecto del frenado, equilibrar su acción y proveer a las ruedas traseras de zapatillas de frenos hidráulicos de menor diámetro que en las delanteras en los carros con cambios manuales.
Otros efectos: aunque de menor valor, no deben desconocerse otros efectos de la acción del frenaje que también contribuyen a disipar la energía acumulada en el vehículo y que son los esfuerzos que se ejercen sobre las partes relacionadas con este mecanismo. Por ejemplo: la aplicación de las zapatas contra las tamboras crea una torsión que se transmite por el plato soporte al Housing o al tren delantero, según sea el caso y que finaliza en una distorsión en los muelles o en las articulaciones delanteras. Aunque no tenemos medios de medir la temperatura que esta crea, todo material que se tuerce, comprime o flexiona aumenta su temperatura, la cual forma parte de la energía acumulada en el vehículo, que también se disipa en forma de calor en esos puntos, aunque con un valor muy pequeño si se la compara con la disipada por la fricción.
El punto de apoyo principal de la acción de frenado es el contacto de las gomas con el pavimento. Es muy digno recordar el refrán que dice: "los frenos pueden parar las ruedas, pero son las gomas las que paran los vehículo" Al respecto, es bueno observar que la acción sobre las gomas debe ser gradual, no importa lo rápido que se ejerza, pues si la rueda se tranca violentamente, el efecto de fricción desaparece de las tamboras y zapatas y pasa en su totalidad al punto de contacto entre las gomas y el pavimento, o bien, se pierde el agarre y se produce el patinazo. Si el agarre entre las gomas y el pavimento es firme, la fricción se traslada a este punto y el calor generado daña gravemente a las gomas, que no están preparadas para soportar temperaturas tan altas.
La temperatura que se genera por la fricción de frenado es muy alta. Para darnos una idea de la enorme disipación de energía que representa, consideremos que la acción de frenado, cuando es eficiente, detiene la velocidad del vehículo en aproximadamente una sexta parte del tiempo que este toma en alcanzarla y esta cantidad de calor debe eliminarse de las distintas partes para que no se la destruya. Al igual que en el motor, el aire el que finalmente se lleva la temperatura generada, la cual se transmite por contacto entre las distintas partes y el aire la disipa de las mismas al rozarlas.
Mecanismo básico
El mecanismo básico está constituido por placas de respaldo, soporte, resorte, zapatas, forros y otras piezas, montadas en los ejes del vehículo como partes fijas y accionadas por cierta fuerza para retardar el movimiento rotativo de los tambores.
3. 1 FUNCIONAMIENTO DEL MECANISMO BÁSICO.
El movimiento de ensanche de las zapatas de los frenos contra el tambor, resulta en un frote que retarda la rotación de los tabores. Dicha acción de retardamiento genera calor en diferentes grados, dependiendo de la velocidad y de la presión aplicada. Todo el calor debe ser absorbido por el tambor y disipado en la atmósfera
La velocidad del vehículo se reduce al disminuir esta energía calorífica almacenada, y el vehículo, finalmente, se detiene cuando toda la energía del movimiento se convierte en calor. La mayor parte del calor es disipada por el tambor a la atmósfera, ya que los frenos aíslan bastante las zapatas y por consiguiente transmiten menos calor al mecanismo básico
3.2 CALOR PRODUCIDO POR ROZAMIENTO.
Conocemos que dos cuerpos que se friccionan mutuamente experimentan aumento de temperatura en las superficies de contacto, proporcional a la resistencia creada por la fricción de ambos cuerpos. En este caso ocurre una transformación de la energía mecánica en energía calorífica.
El calor se propaga de tres maneras:
1. por conducción. Cuando avanza a través de la masa de un cuerpo o por varios contactos.
2. por convección. Caso frecuente en los líquidos y en los gases, donde, al establecerse una diferencia de densidad, la masa caliente sube y la fría baja.
3. por radiación. Cuando el calor pasa de un cuerpo a otro, atravesando el espacio ocupado como por ejemplo. Por el aire, el calor se propaga de esta forma, incluso en el vació. Como recibe la tierra el calor del sol, así recibe un cuerpo algo distante del fuego, el calor que emite la llama.
Newton, basado en distintas experiencias, estableció la ley sobre el enfriamiento de los cuerpos, que dice: Todo cuerpo en contacto con la atmósfera se enfría por radiación y, a la vez, por conducción. Si el aire se mueve, el enfriamiento es más rápido porque nuevas partículas de aire frió reemplazan en cada instante a las que se calentaron por contacto con el cuerpo. La rapidez del enfriamiento es directamente proporcional a la diferencia entre la temperatura del cuerpo y a la del espacio que le rodea.
Después de recordar este principio de física, para tener una información que se le relaciona con la materia, seguiremos hablando de los mecanismos básicos de los frenos.
a. Informes generales de los frenos.
La efectividad y la eficiencia de cualquier sistema de frenos dependerán de los cuidados que recibe, de la calidad de los forros y piezas de repuesto que usen y de las condiciones actuantes a que estén sujetos.
Hablaremos brevemente sobre las partes componentes de los diferentes sistemas de frenos y de los métodos recomendados de conservación. Si se observan dichos métodos, la eficiencia de los frenos será superior.
b. sistemas de control de los frenos.
Todos los sistemas actuantes para el control de los frenos permiten que la zapata retorne hasta el tope proporcionado, cuando no está en acción.
Cuando el sistema de control hace que los frenos regresen a su punto máximo de retroceso, se puede esperar que estos rindan un servicio de mayor duración, con un mínimo de ajustes. En los sistemas de frenos mecánicos, es de la mayor importancia que el ajuste de los diferentes ángulos entre las varillas y palancas sea exacto. Para que los frenos operen con eficiencia máxima, el ángulo entre la varilla y palanca deberá ser de 900 (ángulo recto) al poner los frenos.
En frenos mecánicos no debe haber ningún juego ni contragolpe en el pedal o en las palancas operativas. En sistemas hidráulicos de freno, el juego libre debe ser de 6 mm en el pedal, antes de que el pistón en el cilindro principal se empiece a mover. Las conexiones del varillaje de sistemas de frenos mecánicos e hidráulicos deberán se cuidadosamente inspeccionadas. Algunas veces, la palanquilla de frenos tiene más de un agujero para horquillas.
c. Lubricación.
La lubricación regular de todas las piezas necesarias en el sistema de frenos es de la mayor importancia para que el sistema pueda operar bien. Piezas como cojinetes, las conexiones de las horquillas, los controles de cables, líneas, o cualquier otra pieza que tenga movimiento, deberán ser lubricadas. Nunca deben lubricarse excesivamente los cojinetes exteriores del eje trasero y el diferencial, para evitar que los forros se llenen de grasa.
Al hacer una reparación de frenos, deben reemplazarse todos los retenes para grasas, si no están en debidas condiciones.
Tipos de muelles (resortes) para frenos
En los sistemas de frenos se usan dos clases comunes de muelles, a saber: muelles de compresión y de tención.
Su funcionamiento es muy importante para la aplicación y retorno de los frenos. Los muelles en cuestión deben ser inspeccionados en cuanto a su longitud, sin comprimirlos, altura, deterioro causado por oscilación, compresión y tención, así como estiramiento. Los ganchos y ojillos de los muelles deberán estar de acuerdo con las piezas donde acoplan. Para acelerar el retorno de los frenos, algunas beses los mecánicos instalan barios muelles adicionales del retroceso en diferentes puntos del sistema de frenos. Esto es perjudicial para el perfeccionamiento satisfactorio de los frenos, pues aumenta la presión del pedal y es completamente innecesario. Por regla general se podrá comprobar que la lubricación debida y los ajustes correctos harán que el sistema de frenos funcione perfectamente.
Tamboras de frenos
Los frenos de tambor tienen dos zapatas semicirculares que presionan contra la superficie interna de un tambor metálico que gira con la rueda. Las zapatas están montadas en un plato de anclaje; este plato está sujeto en la funda del eje trasero o en la suspensión para que no gire. Cuando el conductor pisa el pedal del freno, la presión hidráulica aumenta en el cilindro maestro y pasa a cada cilindro de rueda. Los cilindros de rueda empujan un extremo de cada zapata contra el tambor, y un pivote, llamado ancla, soporta el otro extremo de la zapata.
En el ancla, generalmente hay un ajustador de freno. Cuando las balatas, que van unidas a las zapatas, se desgastan, hay que acercar más las zapatas al tambor con un ajustador de rosca para mantener la máxima fuerza de frenado. En algunos automóviles se debe hacer un ajuste manual a intervalos de 5,000 a 10,000 kilómetros.
Los fabricantes de automóviles prestan actualmente mucha atención a los materiales de que están hechas las tamboras. La práctica moderna, lo que más se usa para la tambora son aleaciones de hierro fundido de la mejor calidad.
En aquellos casos en que ciertas materias abrasivas logran meterse en los frenos, cuyas tamboras están sujetas a altas temperaturas y sean de acero prensado al bajo carbono o simplemente hierro fundido, las superficies de las tamboras se rompen. Las astillas desprendidas se incrustan en los forros, cortan y destrozan la superficie de las tamboras.
Las tamboras de frenos pueden funcionar bien, solamente hasta la temperatura crítica del metal de que estén hechas. Cuando las tamboras estén fabricadas de metal de calidad inferior, los materiales de fabricación conservarán su eficiencia adecuada, en tanto que el metal de las tamboras se desintegrará por causa de las intensas temperaturas generadas en la superficie de fricción. Como resultado, las tamboras hechas de aleaciones metálicas de alta calidad son absolutamente necesarias para el buen funcionamiento de los frenos.
Cuando se rebasan los límites de la capacidad práctica del mecanismo de los frenos, la temperatura empieza a subir con mayor rapidez de lo que se puede disipar, y, entonces, se llega a temperaturas extraordinariamente altas. En dichos casos, la expansión extrema debida al calor de las tamboras, impide que halla un contacto completo entre los frenos de las zapatas y la superficie de las tamboras y hacen que ciertos puntos queden sujetos a presiones y temperaturas normalmente altas, tanto en las tamboras como en los forros. Estas temperaturas hacen también que se alteren las características de fricción de los forros. Los forros se cristalizan y se queman; las tamboras se calientan, se agrietan y se deforman; es posible que el vehículo se quede sin medios de parar y si no se dejan que se enfríen los frenos, su eficacia se reducirá rápidamente (Fig. 1.1).
Al atender los frenos, las tamboras deben ser examinadas cuidadosamente para ver si su superficie está laminada, si tiene grietas causadas por altas temperaturas y picaduras de superficie; además debe comprobarse si están deformadas, torcidas o ensanchadas en la orilla o no están concéntricas(Fig. 1.2).
Las tamboras de los frenos pueden reacondicionarse siempre que las rajaduras no sean muy profundas y las tamboras no estén muy deformadas; sin embargo, nunca debe recortársele mucho el metal, porque cuando las tamboras quedan muy delgadas se calientan y deforman más rápidamente. Siempre que sea posible, debe consultarse las especificaciones del fabricante para determinar que cantidad de material puede ser torneado.
Al reacondicionar tamboras de frenos, es de la mayor importancia que su superficie quede perfectamente lisa; por consiguiente, deben terminarse esmerilándolas finamente. Antes de instalarlas, deben limpiarse para eliminar toda partícula metálica y de material abrasivo que puedan tener.
Durante los primeros centenares de Kilómetros, los frenos no deberán aplicarse muy severamente, pues las tamboras reacondicionadas son parecidas a un motor con los cilindro nuevamente esmerilados y hay que tener cuidado para que se vayan asentando. Las tamboras deben ser reacondicionadas por pares, para que queden exactamente iguales; esto es preciso para que las dos tamboras delanteras o traseras, según sea el caso, sean idénticas. De otro modo, el frenaje de un lado del vehículo puede ser diferente al del otro lado.
5.1 EFECTO ENERGÉTICO.
El efecto de la rotación de la tambora del freno crea un arrastre en ambas zapatas. En las zapatas primarias este arrastre se ejerce en la misma dirección en que la zapata se aplica al tambor, contribuyendo a aumentar la acción del frenaje. En las zapatas secundarias, el efecto es contrario a la dirección en que se aplica la zapata, lo cual contribuye a disminuir la acción de frenaje.
Lógicamente, si se invierte el giro del tambor, en el caso de una marcha atrás, la acción de la zapata también se invertiría, pasando la secundaria a tener la acción de la primaria. La falta de energía propia o "arrastre" reduce las fuerzas de frenaje.
Si cada una de las zapatas está anclada por separado (en suspensión), la zapata energizada por la rotación de avance del tambor es la zapata "Primaria" o de "acción delantera". La acción que se produce en las zapatas secundarias, hace que se le denomine o llame zapatas de reversa (Fig. 1.4)
Si las zapatas están unidas entre sí por un eslabón flotante, la fuerza accionante es transmitida de un zapata a la otra, formando una especie de cuña o accionamiento propio. La primera zapata junto a la fuerza accionante, en la misma dirección de rotación del tambor, es la zapata que está unida a la "primaria" es la "secundaria" (Fig. 1.5).
En algunos sistemas de frenos hay dos zapatas que accionan hacia el frente, impulsadas por cilindros hidráulicos gemelos. La energía propia de las zapatas es de la mayor importancia en todos los vehículos, ya que suministra una poderosa fuerza de frenaje controlable con un ligero toque de pedal.
La potencia de frenaje, igual y pareja en cada una de las ruedas, es esencial para poder parar eficientemente. Dicha igualdad depende del ajuste de las clavijas de anclaje, del estado de las tamboras, del contacto de los forros, del desgaste de la superficie de rodadura, de los neumáticos y de las limitaciones del ángulo superior de divergencia.
5.2 PARTES DE LA TAMBORA DE FRENO.
1. Tambor del freno 2. Zapata
3. Balata 4. Resortes de retorno de las zapatas
5. Ancla 6. Plato de anclaje
7. Cable de ajuste 8. Pistón hidráulico
9. Cilindro de rueda
6. MATERIALES DE FORROS PARA FRENOS.
Los forros para frenos son de varios tipos, fabricados por varias técnicas y compuestos de diferentes combinaciones, a fin de obtener la resistencia característica de flote deseada. Los tipos principales en uso hoy en día son los tejidos, los moldeados y los hechos en bloque. Los forros están hechos de un material duro y tenso, y están sujetos a las zapatas por medio de remaches o pegamento, o por medio de un procedimiento de fusión térmica, con un adhesivo especial tratado térmicamente en la zapata.
Los materiales usados para la fabricación de forros para frenos, incluyendo asbestos, son caucho (natural o sintético), resinas, aceites secantes, coque, carbón, bronce, cinc, plomo y varios otros metales. Estos materiales son recocidos, tratados y vulcanizados por medio de aplicación de presión y calor para formar los forros de cualquier forma, contextura, densidad, dureza y características de fricción deseable.
Al igual que los forros bordeados, usados para automóviles, pero muchos más gruesos y más anchos, los bloques para frenos usados en camiones de servicio pesado están elaborados para que ajusten al lado interior o exterior de las tamboras, estando sujetos a gruesas zapatas o cintas de acero prensado o de hierro fundido. Tales frenos son, por lo regular, operados por medio de aire bajo presión, o por cilindros de vacío, o por electricidad.
Por consiguiente, los forros para frenos deben tener las siguientes características: un coeficiente constante de fricción, mientras dure en servicio; resistencia y recuperación completa de los efectos de agua y aceite; resistencia a la compresión; adaptables a las tamboras existentes de aleación de metal fundido; de material uniforme y calidad controlada en su manufactura; vida larga y exenta de ruido, sin tendencia a deslizamiento, y mínimo desgaste.
En todos los trabajos que se hagan, es de gran importancia que los forros sean de alta calidad. Esto garantiza que los resultados finales se traduzcan en frenos seguros, lo que al final de cuentas es una de las principales características que puede tener un vehículo. Los forros de alta calidad no solamente garantizan un grado máximo de seguridad en razón a su elevada eficiencia, sino que también son de mayor duración, no producen ruidos y tampoco dañan las tamboras.
Para obtener los mejores resultados, es sumamente importante que se pongan, al mismo tiempo, forros a todas las zapatas de los frenos del vehículo. Aunque los forros usados no estén todos completamente gastados, es difícil lograr el ajuste debido y la distribución exacta de la potencia del frenaje, a menos que se instalen forros en todas las zapatas al mismo tiempo
7. TIPOS DE SISTEMAS DE FRENOS
Los sistemas de frenos pueden ser operados mediante dispositivos mecánicos, hidráulicos, de presión de aire y por electricidad. No obstante, todos funcionan, esencialmente, de la misma manera. El dispositivo accionador fuerza las zapatas de frenos contra las tamboras rotatorias de las ruedas cuando el que maneja oprime el pedal del freno. La fricción entre las zapatas de freno y las tamboras disminuye la velocidad de las ruedas o las detiene, de manera que el automóvil queda frenado.
La figura 1.6 muestra un mecanismo de freno de rueda delantera desarmado, de manera que puede verse la relación existente entre las piezas. Cuando el mecanismo está ensamblado, la tambora de freno ajusta alrededor de las zapatas. En la figura 1.7 aparece un mecanismo de freno de rueda trasera desarmado.
Las zapatas de freno, como se ha dicho, están cubiertas o forradas con material de amianto que puede soportar el calor y efecto de agarre que se producen cuando la zapata es forzada contra la tambora. Durante un frenaje brusco, la zapata puede resultar forzada contra la tambora a una presión de hasta 1000 libras. Como la fricción aumenta a medida que aumenta a carga o la presión, se produce un fuerte agarre friccional sobre la tambora y un pronunciado efecto de frenaje en la rueda del vehículo (Fig. 1.6 y 1.7).
También se produce una gran cantidad de calor debido al efecto friccional entre las zapatas y la tambora. Cuando la tambora frota contra las zapatas, ambas se calientan. En realidad, en circunstancias extremas de frenaje, las temperaturas pueden llegar a 5000 F (2600C). Parte de este calor pasa a través de los forros o revestimientos de frenos hasta las zapatas y placas de respaldo, donde es radiado hacia el aire circundante. Pero la mayor parte de ese calor es absorbido por la tambora. Algunas tamboras tienen aletas enfriadoras que proporcionan superficie radiadora adicional para disponer del calor con mayor rapidez. El exceso de temperatura no es bueno para los frenos, ya que puede chamuscar el forro o revestimiento (o banda); además una vez que el forro y las zapatas están calientes, se produce una menor acción efectiva de frenaje. Esta es la razón por la cual los frenos pierden su efectividad cuando se usan continuamente durante períodos relativamente largos, como ocurre, por ejemplo, al descender una colina o un declive pronunciado (Fig. 1.8)
8. PREGUNTAS DE CONTROL.
1. ¿Qué mecanismo se emplea para detener o aminorar la marcha en los medios automotores?
2. Para detener un medio automotor. ¿Qué transformación de energía se experimenta?
3. ¿Qué usted entiende por fricción?
4. ¿Por qué se puede utilizar la compresión?
5. ¿Cuál es el principal punto de apoyo de la acción de frenado?
6. ¿Cómo está constituido el mecanismo actuante en un sistema de frenos?
7. ¿A qué se llama mecanismo actuante en un sistema de frenos?
8. ¿Cómo funciona el mecanismo básico?
9. ¿Cuáles son las formas en las que se propaga el calor?
10. ¿Cuál debe ser aproximadamente el juego libre del pedal en un sistema hidráulico?
11. ¿Cuál es la acción que se produce en cada zapata?
12. ¿Qué características deben reunir los forros para las zapatas?
13. ¿Por qué es recomendable poner el forro a todas las zapatas al mismo tiempo?
14. ¿A qué se llama efecto energético?
15. Al sufrir desperfectos una tambora de frenos. ¿Sabe usted cuales son los componentes de esta?
9. BIBLIOGRAFÍA.
Principal.
COLECTIVO DE AUTORES. Sistema de dirección y freno de los vehículos automotores – C. Habana: Ed. Científico Técnica, 1981, 720 p.
Complementaria.
MICROSOFT ENCARTA 2006[DVD]. 1993-2005 Microsoft Corporation.
Autor:
Lic. Alexbier Hidalgo Batista
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