Freno

Un freno es un dispositivo mecánico que inhibe el movimiento al absorber energía de un sistema en movimiento. ^[1] Se utiliza para frenar o detener un vehículo, una rueda o un eje en movimiento, o para evitar su movimiento, generalmente mediante fricción. ^[2]

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La mayoría de los frenos utilizan comúnmente la fricción entre dos superficies presionadas entre sí para convertir la energía cinética del objeto en movimiento en calor , aunque se pueden emplear otros métodos de conversión de energía. Por ejemplo, el frenado regenerativo convierte gran parte de la energía en energía eléctrica , que puede almacenarse para su uso posterior. Otros métodos convierten la energía cinética en energía potencial en formas almacenadas tales como aire presurizado o aceite presurizado. Los frenos de corrientes de Foucault utilizan campos magnéticos para convertir la energía cinética en corriente eléctrica en el disco de freno, la aleta o el riel, que se convierte en calor. Aún hay otros métodos de frenado que incluso transforman la energía cinética en diferentes formas, por ejemplo transfiriendo la energía a un volante giratorio.

Los frenos se aplican generalmente a ejes o ruedas rotatorios, pero también pueden adoptar otras formas, como la superficie de un fluido en movimiento (flaps desplegados en el agua o el aire). Algunos vehículos utilizan una combinación de mecanismos de frenado, como los autos de carreras de aceleración con frenos en ambas ruedas y un paracaídas, o los aviones con frenos en ambas ruedas y flaps de aceleración elevados en el aire durante el aterrizaje.

Como la energía cinética aumenta cuadráticamente con la velocidad ( ), un objeto que se mueve a 10 m/s tiene 100 veces más energía que uno de la misma masa que se mueve a 1 m/s y, en consecuencia, la distancia de frenado teórica , al frenar en el límite de tracción, es hasta 100 veces mayor. En la práctica, los vehículos rápidos suelen tener una resistencia aerodinámica significativa, y la energía perdida por la resistencia aerodinámica aumenta rápidamente con la velocidad.${\displaystyle K=mv^{2}/2}$

Casi todos los vehículos con ruedas tienen algún tipo de freno. Incluso los carros de equipaje y los carros de la compra pueden tenerlos para su uso en una rampa móvil . La mayoría de los aviones de ala fija están equipados con frenos de rueda en el tren de aterrizaje . Algunos aviones también cuentan con frenos de aire diseñados para reducir su velocidad en vuelo. Algunos ejemplos notables incluyen planeadores y algunos aviones de la Segunda Guerra Mundial , principalmente algunos aviones de combate y muchos bombarderos en picado de la época. Estos permiten que el avión mantenga una velocidad segura en un descenso pronunciado. El bombardero en picado Saab B 17 y el caza Vought F4U Corsair utilizaron el tren de aterrizaje desplegado como freno de aire.

Los frenos de fricción de los automóviles almacenan el calor del frenado en el tambor o en el disco durante el frenado y luego lo conducen al aire gradualmente. Al viajar cuesta abajo, algunos vehículos pueden usar sus motores para frenar .

Cuando se presiona el pedal de freno de un vehículo moderno con frenos hidráulicos contra el cilindro maestro , en última instancia, un pistón empuja la pastilla de freno contra el disco de freno , lo que reduce la velocidad de la rueda. En el caso del tambor de freno, ocurre algo similar, ya que el cilindro empuja las zapatas de freno contra el tambor, lo que también reduce la velocidad de la rueda.

Los frenos pueden describirse en términos generales como frenos que utilizan fricción, bombeo o electromagnetismo. Un freno puede utilizar varios principios: por ejemplo, una bomba puede hacer pasar un fluido a través de un orificio para crear fricción:

Los frenos de fricción son los más comunes y se pueden dividir en general en frenos de " zapata " o " pastilla ", que utilizan una superficie de desgaste explícita, y frenos hidrodinámicos, como los paracaídas, que utilizan la fricción en un fluido de trabajo y no se desgastan explícitamente. Normalmente, el término "freno de fricción" se utiliza para referirse a los frenos de zapata/pastilla y excluye los frenos hidrodinámicos, aunque los frenos hidrodinámicos utilizan la fricción. Los frenos de fricción (pastilla/zapata) suelen ser dispositivos giratorios con una zapata estacionaria y una superficie de desgaste giratoria. Las configuraciones comunes incluyen zapatas que se contraen para frotar el exterior de un tambor giratorio, como un freno de banda ; un tambor giratorio con zapatas que se expanden para frotar el interior de un tambor, comúnmente llamado " freno de tambor ", aunque son posibles otras configuraciones de tambor; y pastillas que aprietan un disco giratorio, comúnmente llamado " freno de disco ". Se utilizan otras configuraciones de freno, pero con menos frecuencia. Por ejemplo, los frenos de carro PCC incluyen una zapata plana que se sujeta al riel con un electroimán; El freno Murphy aprieta un tambor giratorio, y el freno de disco Ausco Lambert utiliza un disco hueco (dos discos paralelos con un puente estructural) con zapatas que se ubican entre las superficies del disco y se expanden lateralmente.

Un freno de tambor es un freno de vehículo en el que la fricción es causada por un conjunto de zapatas de freno que presionan contra la superficie interior de un tambor giratorio. El tambor está conectado al cubo giratorio de la rueda de carretera.

Los frenos de tambor se encuentran generalmente en modelos de automóviles y camiones más antiguos. Sin embargo, debido a su bajo costo de producción, también se instalan frenos de tambor en la parte trasera de algunos vehículos nuevos de bajo costo. En comparación con los frenos de disco modernos, los frenos de tambor se desgastan más rápido debido a su tendencia a sobrecalentarse.

El freno de disco es un dispositivo para frenar o detener la rotación de una rueda de carretera. Un disco de freno (o rotor en inglés estadounidense), generalmente hecho de hierro fundido o cerámica , está conectado a la rueda o al eje. Para detener la rueda, el material de fricción en forma de pastillas de freno (montadas en un dispositivo llamado pinza de freno ) se fuerza mecánica , hidráulica , neumática o electromagnéticamente contra ambos lados del disco. La fricción hace que el disco y la rueda acoplada disminuyan la velocidad o se detengan.

Los frenos de bombeo se utilizan a menudo cuando una bomba ya forma parte de la maquinaria. Por ejemplo, un motor de pistón de combustión interna puede tener el suministro de combustible detenido y, entonces, las pérdidas de bombeo internas del motor crean algo de frenado. Algunos motores utilizan un control de válvula llamado freno Jake para aumentar considerablemente las pérdidas de bombeo. Los frenos de bombeo pueden descargar energía en forma de calor o pueden ser frenos regenerativos que recargan un depósito de presión llamado acumulador hidráulico .

Los frenos electromagnéticos también se utilizan a menudo cuando un motor eléctrico ya forma parte de la maquinaria. Por ejemplo, muchos vehículos híbridos de gasolina y electricidad utilizan el motor eléctrico como generador para cargar baterías eléctricas y también como freno regenerativo . Algunas locomotoras de ferrocarril diésel y eléctricas utilizan los motores eléctricos para generar electricidad que luego se envía a un banco de resistencias y se descarga en forma de calor. Algunos vehículos, como algunos autobuses de tránsito, no tienen un motor eléctrico, pero utilizan un freno "retardador" secundario que es efectivamente un generador con un cortocircuito interno. Los tipos relacionados de este tipo de freno son los frenos de corrientes de Foucault y los frenos electromecánicos (que en realidad son frenos de fricción accionados magnéticamente, pero que hoy en día también suelen llamarse simplemente "frenos electromagnéticos").

Los frenos electromagnéticos reducen la velocidad de un objeto mediante inducción electromagnética , que crea resistencia y, a su vez, calor o electricidad. Los frenos de fricción aplican presión sobre dos objetos separados para reducir la velocidad del vehículo de manera controlada.

Los frenos a menudo se describen según varias características, entre ellas:

• Fuerza máxima : la fuerza máxima es el efecto de desaceleración máximo que se puede obtener. La fuerza máxima suele ser mayor que el límite de tracción de los neumáticos, en cuyo caso el freno puede provocar que las ruedas patinen.
• Disipación de potencia continua : los frenos suelen calentarse durante el uso y fallan cuando la temperatura es demasiado alta. La mayor cantidad de potencia (energía por unidad de tiempo) que se puede disipar a través del freno sin que falle es la disipación de potencia continua. La disipación de potencia continua a menudo depende, por ejemplo, de la temperatura y la velocidad del aire de refrigeración del ambiente.
• Desvanecimiento : a medida que el freno se calienta, puede volverse menos efectivo, lo que se denomina desvanecimiento del freno . Algunos diseños son inherentemente propensos al desvanecimiento, mientras que otros son relativamente inmunes. Además, las consideraciones de uso, como la refrigeración, a menudo tienen un gran efecto en el desvanecimiento.
• Suavidad : un freno que se mueve con fuerza, pulsa, vibra o ejerce una fuerza de frenado variable puede provocar derrapes. Por ejemplo, las ruedas de ferrocarril tienen poca tracción y los frenos de fricción sin un mecanismo antiderrapante suelen provocar derrapes, lo que aumenta los costos de mantenimiento y genera una sensación de "golpe, golpe" para los pasajeros.
• Potencia : los frenos suelen describirse como "potentes" cuando una pequeña aplicación de fuerza por parte de una persona produce una fuerza de frenado superior a la habitual para otros frenos de la misma clase. Esta noción de "potente" no se relaciona con la disipación continua de potencia y puede resultar confusa, ya que un freno puede ser "potente" y frenar con fuerza con una aplicación suave del freno, pero tener una fuerza máxima inferior (peor) que un freno menos "potente".
• Sensación del pedal : la sensación del pedal de freno abarca la percepción subjetiva de la potencia de frenado en función del recorrido del pedal. El recorrido del pedal se ve influenciado por el desplazamiento del líquido de freno y otros factores.
• Arrastre : los frenos tienen una cantidad variable de arrastre en la condición sin freno dependiendo del diseño del sistema para adaptarse a la flexibilidad total del sistema y la deformación que existe durante el frenado con la capacidad de retraer el material de fricción de la superficie de frotamiento en la condición sin freno.
• Durabilidad : los frenos de fricción tienen superficies de desgaste que deben renovarse periódicamente. Las superficies de desgaste incluyen las zapatas o pastillas de freno, y también el disco o tambor de freno. Puede haber desventajas; por ejemplo, una superficie de desgaste que genera una fuerza máxima alta también puede desgastarse rápidamente.
• Peso : los frenos suelen ser un "peso añadido" en el sentido de que no cumplen ninguna otra función. Además, los frenos suelen estar montados sobre las ruedas y el peso no suspendido puede perjudicar significativamente la tracción en algunas circunstancias. El "peso" puede referirse al propio freno o puede incluir una estructura de soporte adicional.
• Ruido : Los frenos suelen generar un pequeño ruido cuando se aplican, pero a menudo generan chirridos o ruidos de rechinamiento que son bastante fuertes.

Los componentes básicos son los componentes del conjunto de frenos que se encuentran en las ruedas de un vehículo, llamados así porque forman la base del resto del sistema de frenos. Estas piezas mecánicas que se encuentran alrededor de las ruedas están controladas por el sistema de frenos de aire.

Los tres tipos de sistemas de frenos básicos son los frenos de leva en “S”, los frenos de disco y los frenos de cuña. ^[3]

La mayoría de los vehículos de pasajeros y furgonetas ligeras modernos utilizan un sistema de frenos asistido por vacío que aumenta en gran medida la fuerza que aplica el conductor a los frenos del vehículo. ^[4] Esta fuerza adicional es proporcionada por el vacío del colector generado por el flujo de aire que se obstruye por el acelerador con el motor en marcha. Esta fuerza se reduce en gran medida cuando el motor funciona con el acelerador completamente abierto, ya que la diferencia entre la presión del aire ambiente y la presión del aire del colector (absoluta) se reduce y, por lo tanto, el vacío disponible disminuye. Sin embargo, rara vez se aplican los frenos con el acelerador a fondo; el conductor quita el pie derecho del pedal del acelerador y lo mueve al pedal del freno, a menos que se utilice el pie izquierdo .

Debido al bajo vacío a altas revoluciones, los informes de aceleración involuntaria suelen ir acompañados de quejas de frenos defectuosos o debilitados, ya que el motor de altas revoluciones, al tener el acelerador abierto, no puede proporcionar suficiente vacío para accionar el servofreno. Este problema se agrava en los vehículos equipados con transmisión automática, ya que el vehículo cambia automáticamente a una marcha inferior al aplicar los frenos, lo que aumenta el par entregado a las ruedas motrices en contacto con la superficie de la carretera.

Los vehículos de carretera más pesados, así como los trenes, generalmente aumentan la potencia de frenado con aire comprimido , suministrado por uno o más compresores.

Aunque lo ideal sería que un freno convirtiera toda la energía cinética en calor, en la práctica una cantidad significativa puede convertirse en energía acústica , lo que contribuye a la contaminación acústica .

En el caso de los vehículos de carretera, el ruido producido varía significativamente según la construcción de los neumáticos , la superficie de la carretera y la magnitud de la desaceleración. ^[5] El ruido puede tener diferentes causas. Estas son señales de que puede haber problemas con el desgaste de los frenos con el tiempo.

Las averías en los frenos de los trenes pueden producir chispas y provocar incendios forestales . ^[6] En algunos casos muy extremos, los frenos de disco pueden ponerse al rojo vivo y incendiarse. Esto ocurrió en el GP de Toscana, cuando el coche Mercedes W11 casi incendió los frenos de disco de carbono delanteros, debido a la baja ventilación y al alto uso. ^[7] Estos incendios también pueden producirse en algunas furgonetas Mercedes Sprinter , cuando el sensor de ajuste de carga se bloquea y los frenos traseros tienen que compensar a los delanteros. ^[8]

Al frenar, siempre se pierde una cantidad significativa de energía, incluso con el frenado regenerativo , que no es perfectamente eficiente . Por lo tanto, una buena medida del uso eficiente de la energía al conducir es observar cuánto se frena. Si la mayor parte de la desaceleración se debe a una fricción inevitable en lugar de al frenado, se está exprimiendo la mayor parte del servicio del vehículo. Minimizar el uso de los frenos es una de las conductas que maximizan el ahorro de combustible .

Si bien siempre se pierde energía durante un frenado, un factor secundario que influye en la eficiencia es el "arrastre al soltar el freno", o arrastre que ocurre cuando el freno no se acciona intencionalmente. Después de un frenado, la presión hidráulica cae en el sistema, lo que permite que los pistones de la pinza de freno se retraigan. Sin embargo, esta retracción debe adaptarse a toda la flexibilidad del sistema (bajo presión), así como a la distorsión térmica de los componentes como el disco de freno o el sistema de frenos se arrastrará hasta que el contacto con el disco, por ejemplo, golpee las pastillas y los pistones hacia atrás de la superficie de fricción. Durante este tiempo, puede haber un arrastre de freno significativo. Este arrastre de freno puede provocar una pérdida de potencia parásita significativa, lo que afecta el ahorro de combustible y el rendimiento general del vehículo.

En la década de 1890, los frenos de bloque de madera quedaron obsoletos cuando los hermanos Michelin introdujeron neumáticos de caucho. ^[9]

Durante la década de 1960, algunos fabricantes de automóviles reemplazaron los frenos de tambor por frenos de disco. ^[9]

En 1966, el ABS se instaló en el gran turismo Jensen FF . ^[9]

En 1978, Bosch y Mercedes actualizaron su sistema de frenos antibloqueo de 1936 para el Mercedes Clase S. Ese ABS es un sistema totalmente electrónico, de cuatro ruedas y multicanal que luego se convirtió en estándar. ^[9]

En 2005, el ESC, que aplica automáticamente los frenos para evitar la pérdida de control de la dirección, se volvió obligatorio para los transportistas de mercancías peligrosas sin registradores de datos en la provincia canadiense de Quebec. ^[10]

Desde 2017, numerosos países de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa (CEPE) utilizan el Sistema de Asistencia de Frenado (BAS), una función del sistema de frenado que deduce un evento de frenado de emergencia a partir de una característica de la demanda de frenado del conductor y en tales condiciones ayuda al conductor a mejorar el frenado. ^[11]

En julio de 2013 ^[11] se promulgó el reglamento 131 de la CEPE sobre vehículos. Este reglamento define los sistemas avanzados de frenado de emergencia (AEBS) para vehículos pesados ​​con el fin de detectar automáticamente una posible colisión frontal y activar el sistema de frenado del vehículo.

El 23 de enero de 2020 ^[11] se promulgó el reglamento 152 sobre vehículos de la CEPE, que define los sistemas avanzados de frenado de emergencia para vehículos ligeros.

A partir de mayo de 2022, en la Unión Europea, por ley, los vehículos nuevos dispondrán de un sistema avanzado de frenado de emergencia. ^[12]

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• Cómo funcionan las cosas: frenos