Discos de freno de los vehículos

En Desarrollo

Discos de Freno de los Vehículos Los frenos son el dispositivo más potente de un automóvil.

Discos de Freno: Es la superficie contra la cual interactúan las pastillas para frenar el vehículo, debido a que el disco gira solidario con las ruedas. Ese rozamiento entre discos y pastillas produce la transformación de energía cinética en energía calorífica, provocando una reducción de la velocidad. Los frenos son el dispositivo más potente de un automóvil, desarrollan fuerzas equivalentes a más de 500 CV, soportan temperaturas de más de 850º y con la energía que disipan en una sola frenada desde 140 a 0 km/h se podría mantener encendida una bombilla durante todo un año.

El material escogido para fabricar los discos de freno es la fundición gris nodular de grafito laminar, ya que garantiza una estabilidad de las prestaciones durante el periodo de vida de los discos. Existen también, discos de materiales compuestos en matriz de carbono, usados en la alta competición y en los frenos de los aviones, aunque debido al alto coste que tienen son inviables para los vehículos comunes. En la actualidad se están desarrollando discos de freno en aluminio con una base de carburo de silicio, ya que su menor peso los hace muy atractivos, pero la mala disipación de calor que tienen los hacen inviables de momento, ya que necesitan un sobredimensionamiento importante que hacen que pierdan las ventajas del reducido peso.

La composición básica del material de los discos es una fundición gris nodular de grafito laminar, que contiene entre un 92% y un 93% de hierro. Además del hierro otros componentes básicos tales como el silicio, manganeso y otros garantizan la calidad de un elemento crítico en el frenado como es el disco. En el gráfico siguiente podemos ver el porcentaje de los diferentes materiales que junto con el hierro, que supone el 93% del total, el resto de materiales suponen entre el 7% y el 8% que resta de la composición total del disco.

Tipos de Frenos:

1. Frenos carbono cerámicos: Primero se utilizaron en aeronáutica, después los adaptaron los coches de competición y el primer vehículo de calle en incorporarlos fue el Porsche 911 GT2 en 2001. En la actualidad, los incluyen marcas como Ferrari, Jaguar, Porsche, Audi o Mercedes como opción en sus modelos más potentes –cuestan entre 7.000 y 12.000 euros– y son los frenos más resistentes al fadding –pérdida de eficacia por sobrecalentamiento; de hecho, pueden soportar temperaturas de más de 700º sin perder eficacia y picos de más de 850º en frenadas al límite. Parte de su secreto reside en las grandes dimensiones del disco y en que emplean unas pastillas especiales con un coeficiente de fricción un 25% superior que el de unas normales. Para la fabricación de estos discos, primero se moldea un disco compuesto por diminutas fibras de carbono.A continuación, se le somete a un tratamiento térmico con vapor de silicio para solidificarlo, dando como resultado un disco de carburo de silicio con una dureza similar a la de un diamante, gracias a ello duran unos 300.000 km– y un peso de entre cinco y seis kilos –la mitad que uno de hierro equivalente–. Estos discos carbono cerámicos siempre están mordidos por pinzas fijas de aluminio, y las pastillas empleadas suelen incorporar en su cara posterior, la que no entra en contacto con el disco una pieza cerámica denominada backing plate que aísla del calor al líquido de frenos. Las pinzas fijas se fabrican taladrando un bloque de aluminio sobre el que se montan directamente los pistones. Gracias a su gran rigidez, garantizan un excelente tacto del freno.
2. Discos de freno flotantes con pinzas fijas: Los emplean de serie modelos deportivos como el Audi RS4 o el Mercedes C63 AMG. Los discos de tipo flotante se unen al buje, el elemento al que van anclados el disco de freno y la llanta mediante unos pasadores de aluminio que pueden dilatarse libremente. Gracias a ello, se evitan las deformaciones que se producen en los discos normales debido a las diferencias de dilatación entre el disco de hierro y su soporte, y que se traducen en fuertes vibraciones y ruidos cuando se calientan. Por otro lado, estos discos flotantes suelen estar perforados, algo que, además de aligerar peso, tiene como misión evitar la propagación de una hipotética fisura y ayudar a mantener limpia la superficie de contacto de las pastillas para mejorar la capacidad de frenada. Al igual que los carbocerámicos, estos discos suelen estar mordidos por pinzas de freno fijas de entre cuatro y ocho pistones fabricadas en aluminio mediante fresado. Se emplea aluminio porque, además de ser ligero y moldearse con relativa facilidad, es uno de los mejores conductores térmicos que se conocen, retrasando al máximo el calentamiento del líquido de frenos.
3. Discos de freno ranurados (flotantes) con pinzas fijas: Se utilizan habitualmente en los coches de rallyes, aunque también los emplean modelos como el Peugeot RCZ R. Se trata de un disco de freno ventilado y fabricado en fundición de hierro que cuenta con unas ranuras surcos estrechos de bordes afilados sobre su superficie. Al frenar, estas ranuras eliminan los residuos que se generan sobre la superficie de la pastilla, lo que permite mantener constante la capacidad de frenada en condiciones meteorológicas adversas, como lluvia o barro, mejoran la fricción entre la pastilla y el disco hasta un 30% respecto a un disco normal. Su principal inconveniente es que la duración de las pastillas se reduce hasta en un 40% de media; ya que las ranuras la desgastan mucho más rápido que unos discos convencionales. Como en todos los casos anteriores, este tipo de disco suele estar mordido por pinzas de freno fijas de entre seis y ocho pistones fabricadas en aluminio.
4. Discos fijos ventilados con pinzas fijas: Los equipos de frenos con discos ventilados –cuentan con una serie de canales interiores que fuerzan al aire a circular desde el centro del disco hacia el exterior y pinzas fijas se comenzaron a emplear en competición en los años 60. Sin embargo, esta innovación no llegó a los vehículos de calle hasta que Porsche los utilizó, por primera vez, en el 911 Turbo de 1977. Frente a los discos macizos y los frenos de tambor empleados en aquella época, los ventilados aportaban una capacidad de refrigeración inédita, lo que combinado con unas pinzas fijas representó un salto cuántico en lo que a resistencia a fadding se refiere. En la actualidad, modelos como el Porsche Cayenne emplean, de serie, discos y pinzas de este tipo, mientras que marcas como Seat los ofrece de serie el Seat Ibiza Cupra.
5. Discos de freno ventilados con pinzas flotantes: Es el sistema más utilizado del mercado. Los discos son de tipo fijo, lisos, ventilados en el eje delantero y macizos en el trasero. La diferencia clave con el resto de sistemas reside en el empleo de unas pinzas de tipo flotante, que se distinguen de las fijas porque utilizan un solo pistón situado en el lado interior de la pinza que realiza una doble función: por un lado, presiona la pastilla de su lado contra el disco; por otro, desplaza el propio cuerpo de la pinza transversalmente de ahí la denominación de flotante, de manera que el lado exterior de la pinza presione la pastilla de su lado contra el disco. Este sistema es mucho más barato que recurrir a una pinza fija, pero presenta como inconvenientes un tacto peor y una baja resistencia al sobrecalentamiento? aunque resultan más que suficientes para una conducción normal. De hecho, se trata del sistema que el emplean de serie el 80% de los automóviles del mercado.

La geometría del disco de freno:

La geometría de los discos de frenos siempre es la misma, es decir, una superficie circular perfectamente plana. Vamos a ver a continuación, las soluciones y funcionamiento que se han ido aportando para mejorar la disipación del calor que almacena el disco.

El Principio de Funcionamiento de los Frenos:

El principio de funcionamiento de los frenos como ya hemos visto anteriormente se basa en que la energía cinética que lleva el vehículo debe de disiparse en forma de calor. Este calor se acumula principalmente en los discos. Pero lógicamente los discos no pueden almacenarlo infinitamente, sino que debe ser disipado a la atmósfera de una forma eficiente. La forma más sencilla es realizar una circulación de aire que, en contacto con el disco, se caliente y mantenga la temperatura del disco en valores razonables a efectos de su integridad mecánica. Los discos deben de desempeñar dos funciones principales: mover el aire a su alrededor como lo haría un ventilador, y transmitir su energía a la atmósfera como lo hace un radiador. Para cumplir la primera de sus funciones, la propia geometría del disco hace que sea posible la circulación del aire desde la campana hacía el exterior de la pista. Además la velocidad de dicho aire es mayor cuanto mayor sea la temperatura que va adquiriendo. Este proceso se da en los discos macizos, que cumple con su función cuando la energía que han de disiparse es reducida o media. Cuando la energía térmica disipada aumenta, las superficies de un disco macizo ya no son suficientes. Si se intentase aumentar su tamaño tendríamos la limitación impuesta por el tamaño de la rueda por lo cual la solución adoptada por unanimidad es el disco ventilado que permite una mayor disipación térmica en el mismo espacio. Una de las mejoras más significativas encaminada a la reducción de la temperatura que alcanza la campana del disco, se consigue mediante una ranura en forma de canal en la zona situada entre la campana y la banda frenante del disco, lo que antes hemos denominado filtro térmico. La sección de paso de calor se reduce, el gradiente térmico aumenta, es decir, la diferencia de temperatura entre un lado del canal y el otro se hace mayor, lo cual hace que la temperatura de la campana sea menor. Esto es muy importante ya que el calor que se transfiere a la llanta y por consiguiente a la goma del neumático es menor, consiguiendo así que no sufra en exceso la carcasa del neumático. También se consigue una reducción en la deformación del disco al reducirse la temperatura de la campana y sus consiguientes tensiones térmicas. En los discos ventilados la fabricación de un espesor diferente entre las bandas reduce la deformación del mismo. Esto se consigue aumentando el espesor de la pista que va unida a la campana exclusivamente, ya que de aumentar el espesor de las dos pistas, el grueso total del disco aumentaría excesivamente con la necesaria reducción del grueso del material de fricción. Existen discos fabricados en dos piezas independientes, nacidos para la competición. Estos discos constan de una corona de hierro fundido a modo de pistas frenantes y un buje de aleación de aluminio. Las dos partes son solidarias gracias a unos casquillos de fijación. Durante la frenada el disco presenta dos partes diferenciadas: las bandas frenantes (parte caliente) y la campana (parte fría). Este tipo de disco soluciona los problemas de deformación, ya que las bandas frenantes pueden dilatarse sin provocar tensiones que creen grietas. Este tipo de discos permite la deformación radial de las pistas evitando las deformaciones permanentes y las tensiones. Además supone una reducción importante del peso del conjunto. Sin embargo, dado su elevado coste, normalmente solo se utiliza este tipo de disco en competición pero son la solución más extendida en las motocicletas

Las diferentes partes de las que está compuesto un disco:

• LA PISTA: es la superficie en la cual tiene lugar la acción de fricción entre las pastillas y el disco. Está dimensionada de forma que su potencia de disipación se acerque al valor de 250 W/cm2, pero dicho valor puede variar dependiendo de la geometría del disco, ya que si este es ventilado el valor de la potencia de disipación puede alcanzar un valor de 750 W/cm2. Por encima de dichos valores, pueden aparecer daños en el disco, tales como deformaciones geométricas, grietas, depósitos de material de fricción u otros que dañarían el disco de forma irreversible.

• FIJACIÓN: La fijación de los discos está situada en la parte central del mismo. Existe un taladro donde se aloja el buje, así como por la parte trasera un chaflán que debe de apoyarse perfectamente en la mangueta para que el ajuste del disco sea perfecto. Alrededor del taladro donde se aloja el buje, la fijación tiene un cierto número de taladro que permiten el paso de los pernos de anclaje de la rueda. En la mayoría de los discos la fijación del disco se garantiza por unos taladros de menor diámetro que fijan el disco.

• LA CAMPANA: La campana es el cilindro que une la banda, con el plano de fijación. En algunos casos en el interior de la campana sé esta aprovechando para montar un pequeño sistema de freno de tambor de accionamiento mecánico, con la finalidad de que sirva de freno de estacionamiento (Peugeot 406 u otros).

• EL FILTRO TÉRMICO: El filtro térmico es un canal mecanizado, que separa la pista de la fijación, para reducir el calor que pasa de la pista hacía la campana. Con este tipo de canales se evita el calentamiento excesivo de la llanta y por consiguiente del neumático que ya sufre los efectos de la temperatura por su propio uso.

Problemas más comunes del sistema de freno:

• Escape de fluido.

• Holgura en el padal.

• Sobre calentamientos en los frenos.

• Pedal duro.

• Pedal bajo.

• Frenados brusco.

• Frenos ruidosos.

• Desgaste prematuro.

• Pedal no retorna.

• Tirar para un lado.

Las ventajas del freno a disco son:

• Mayor refrigeración.

• Mayor limpieza del sistema.

• Frenado uniforme.

• Facilidad de mantenimiento.

• Auto regulación.

• Superficie de frenado plana.

Mantenimiento de los Discos de Freno:

El mantenimiento de todo el sistema de frenos de un vehículo es fundamental. En primer lugar hay que tener presente que los discos de freno no son infinitamente rígidos sino que como cualquier pieza de un vehículo se deforma. Para evitar lo máximo posible esta deformación, hay que tener en cuenta muchos parámetros, ya que incluso el valor de apriete de las ruedas es uno de los factores que afectan a la deformación del disco. Es necesario que en el montaje de los neumáticos se lleve a cabo bajo el par de apriete que recomienda el fabricante. Usando una llave dinamométrica tarada a 10 kg•m si la llanta es de chapa y a unos 11 kg•m si la llanta es de aleación. Procediendo al apriete de forma equidistante. Las llaves de apriete neumáticas pueden deformar los discos, dando lugar a problemas de vibraciones, ruidos, e incluso roturas de la propia llanta, principalmente si esta es de aleación. Para un buen mantenimiento de los discos de freno conviene revisarlos cada 20000 km. como norma general. Este control no debe de ser solo visual, ya que existe una cota mínima tras la cual el disco debe de ser sustituido. Esta medida llamada MINIMUM THICKNESS (mínimo espesor) viene grabada en los cantos de los discos. Más adelante veremos que sucede cuando este espesor no es respetado. Los controles que se deben realizar, no son solo la medida del espesor con ayuda de un micrómetro de exteriores, sino que además debe de comprobar el alabeo del disco con ayuda de una base magnética y un reloj comparador unido a ella. El proceso de verificación del alabeo se lleva a cabo, pegando la base magnética en la mangueta del vehículo y la punta del reloj comparador debe estar en contacto con la pista frenante del disco. En esta posición se debe poner a cero el reloj. Una vez colocado todo el sistema debemos de hacer girar el disco fijándonos en la desviación que el reloj comparador nos va a ir dando. Si esta variación es mayor a 0,125 mm. Debe de ser sustituido el disco por estar alabeado. Esto se hará patente en el freno ya que al frenar nos producirá vibraciones en el volante, incluso si el alabeo es muy grave se producirán pulsaciones en el pedal. La planitud del disco es una característica crítica para una frenada progresiva y libre de vibraciones no solo en frío sino en caliente. Si esta planitud no se encuentra dentro de los valores requeridos, pueden aparecer puntos calientes “judder” que producen vibraciones muy desagradables al frenar. Como se verá más adelante el “judder” puede aparecer como vibraciones acústicas, vibraciones estructurales en la dirección del vehículo o como pulsaciones en el pedal del freno.

Recomendaciones:

1. Inspeccionar periódicamente (cada 20000km. el estado de los discos).
2. Siempre cambiar los discos por eje (pareja) ya que el coeficiente de fricción (μ) correspondiente al disco de freno, no sólo varía ligeramente de un fabricante a otro, sino que evoluciona con el desgaste del disco. Un mayor coeficiente de fricción (μ) en una rueda supone necesariamente, el no poder frenar el vehículo sobre una trayectoria recta.
3. Es imprescindible el limpiar correctamente el asiento del disco en el buje, ya que de no asentar bien el disco en el buje, se puede producir la deformación del disco, produciéndose un frenado irregular que haría vibrar el volante .Proceder al apriete de los tornillos de sujeción alternativamente y de forma gradual antes de realizar el apriete final con la llave dinamométrica y según los valores del par recomendados por el fabricante del vehículo.
4. Limpiar correctamente el aceite anti-corrosión de los discos, ya que de otra forma, los restos de dicho aceite podría contaminar el material de fricción modificando sus características fricciónales.
5. Medir el alabeo de los discos mediante un reloj comparador. Si la diferencia, entre el valor máximo y mínimo, fuese mayor de 0,125 mm. proceder a desmontar el disco para inspeccionar la superficie de asiento de éste y del buje de rueda y volver a montar en una posición diferente a la anterior para comprobar que el alabeo está dentro del valor máximo admisible.
6. Es imprescindible frenar suavemente durante los primeros 250 km.a fin de realizar un buen asentamiento entre las pastillas y los discos. Este asentamiento prolongará la vida de los discos así como el de las pastillas, además de mejorar la eficiencia del frenado.
7. Inspeccionar periódicamente el espesor de los discos, en la superficie de trabajo. Si el espesor medido está por debajo del mínimo espesor especificado por el fabricante, deberá de ser sustituido el juego de discos. Para saber cual es el mínimo espesor del disco suele venir grabado sobre el canto del disco, con las letras MIN-TH-XX (MINimum THickness XX). En el catálogo del fabricante también aparece la medida del mínimo espesor. Es importante sustituir los discos cuando se encuentran por debajo de esta medida, debido a que la rampa de calentamiento es mucho más acusada produciendo fading, desgaste prematuro en las pastillas y otros tipos de problemas no deseados en el sistema de frenos, como consecuencia del incremento de temperatura.
8. Nunca se deben rectificar los discos a menos que el torno con el que se cuente tenga la precisión necesaria para ello, y la pasada sea una pasada a limpiar, no a desbastar. Esto significa que para rectificar discos se deben dar una serie de consideraciones, ya que nunca debemos de sobrepasar el mínimo espesor recomendado por el fabricante. Al igual que no se debe de rectificar discos en tornos, cuya precisión, rigidez de bancada, etc. no sea la requerida para dejar un acabado superficial bueno. Recordaremos que los discos cuando son fabricados, como todo elemento rotante del vehículo y para que no introduzca vibraciones en el automóvil, deben de ser equilibrado tanto estática como dinámicamente. En ningún caso cuando nos rectifican un disco nos comprueban si el disco sigue estando equilibrado, con lo cual será muy probable, y sobre todo si el rectificado ha sido muy profundo que los discos nos produzcan vibraciones, pero no solo al frenar sino que incluso por el mero hecho de girar.
9. Cambiar siempre las pastillas con el cambio de discos ya que mantener las pastillas usadas, se reducirán de forma importante tanto la vida de los discos como de las pastillas y disminuirá la eficacia del sistema de freno.

Fuentes

http://www.autofacil.es/tecnica/2015/03/23/tipos-frenos-disco-existen/24089.html.

http://www.frum.com.br/manualtecnicoespanhol.pdf

http://www.uhu.es/jcarlos.fortes/DISCOS%20DE%20FRENO.pdf