Freno hidráulico

Un freno hidráulico es un mecanismo de frenado que utiliza líquido de frenos , que normalmente contiene éteres de glicol o dietilenglicol , para transferir presión desde el mecanismo de control al mecanismo de frenado.

En 1904, Frederick George Heath, de Redditch (Inglaterra), diseñó y adaptó un sistema de freno hidráulico (agua/glicerina) a una bicicleta utilizando una palanca de manillar y un pistón. Obtuvo la patente GB190403651A por “Mejoras en frenos accionados hidráulicamente para bicicletas y motores”, así como posteriormente por tuberías hidráulicas de caucho flexible mejoradas.

En 1908, Ernest Walter Weight, de Bristol (Inglaterra), ideó e instaló un sistema de frenos hidráulicos (de aceite) en las cuatro ruedas en un automóvil. Lo patentó en Gran Bretaña (GB190800241A) en diciembre de 1908, más tarde en Europa y los EE. UU. y luego lo exhibió en el Salón del Automóvil de Londres de 1909. Su hermano, William Herbert Weight, mejoró la patente (GB190921122A) y ambas fueron asignadas a Weight Patent Automobile Brake Ltd., de 23 Bridge Street, Bristol, cuando se estableció en 1909/10. La empresa, que tenía una fábrica en Luckwell Lane, Bristol, instaló un sistema de frenos hidráulicos en las cuatro ruedas en un chasis Metallurgique, equipado con una carrocería Hill and Boll, que se exhibió en el Salón del Automóvil de Londres de noviembre de 1910. Aunque más automóviles tenían instalado el sistema de frenos y la empresa hizo una gran publicidad, desapareció sin lograr el éxito que merecía.

Malcolm Loughead (quien más tarde cambió la ortografía de su nombre a Lockheed ) inventó los frenos hidráulicos, que patentó en 1917. ^{[2] [3]} "Lockheed" es un término común para el líquido de frenos en Francia.

Fred Duesenberg utilizó frenos hidráulicos de Lockheed Corporation en sus coches de carreras de 1914 ^[4] y su empresa automovilística, Duesenberg , fue la primera en utilizar la tecnología en el Duesenberg Modelo A en 1921.

Knox Motors Company de Springfield, MA, comenzó a equipar sus tractores con frenos hidráulicos a partir de 1915. ^[5]

La tecnología se trasladó al uso automotriz y finalmente condujo a la introducción del sistema de freno de tambor hidráulico autoenergizado (Edward Bishop Boughton, Londres, Inglaterra, 28 de junio de 1927), que todavía se utiliza en la actualidad.

La disposición más común de frenos hidráulicos para vehículos de pasajeros, motocicletas, scooters y ciclomotores, consiste en lo siguiente:

• Pedal o palanca de freno
• Una varilla de empuje (también llamada varilla de accionamiento )
• Un conjunto de cilindro maestro que contiene un conjunto de pistón (compuesto por uno o dos pistones, un resorte de retorno, una serie de juntas / anillos tóricos y un depósito de líquido)
• Líneas hidráulicas reforzadas
• El conjunto de pinza de freno generalmente consta de uno o dos pistones huecos de aluminio o acero cromado (llamados pistones de pinza ), un juego de pastillas de freno conductoras de calor y un rotor (también llamado disco de freno ) o tambor unido a un eje.

El sistema normalmente se llena con un líquido de frenos a base de éter de glicol (también se pueden utilizar otros líquidos).

En un tiempo, los vehículos de pasajeros solían utilizar frenos de tambor en las cuatro ruedas. Más tarde, se utilizaron frenos de disco para las ruedas delanteras y frenos de tambor para las traseras. Sin embargo, los frenos de disco han demostrado una mejor disipación del calor y una mayor resistencia al "desvanecimiento" y, por lo tanto, son generalmente más seguros que los frenos de tambor. Por lo tanto, los frenos de disco en las cuatro ruedas se han vuelto cada vez más populares y han reemplazado a los de tambor en todos los vehículos, excepto en los más básicos. Sin embargo, muchos diseños de vehículos de dos ruedas siguen utilizando un freno de tambor para la rueda trasera.

La siguiente descripción utiliza la terminología y configuración de un freno de disco simple.

Película de entrenamiento del ejército de EE. UU.: Operaciones con frenos hidráulicos (circa 1983)

En un sistema de frenos hidráulicos, cuando se presiona el pedal de freno, una varilla de empuje ejerce fuerza sobre el pistón o los pistones del cilindro maestro, lo que hace que el líquido del depósito de líquido de frenos fluya hacia una cámara de presión a través de un puerto de compensación. Esto da como resultado un aumento de la presión de todo el sistema hidráulico, lo que obliga al líquido a pasar por las líneas hidráulicas hacia una o más pinzas, donde actúa sobre uno o más pistones de pinza sellados por una o más juntas tóricas asentadas (que evitan la fuga del líquido).

Los pistones de la pinza de freno aplican fuerza a las pastillas de freno, empujándolas contra el rotor giratorio, y la fricción entre las pastillas y el rotor hace que se genere un par de frenado , lo que reduce la velocidad del vehículo. El calor generado por esta fricción se disipa a través de los conductos y canales del rotor o se conduce a través de las pastillas, que están hechas de materiales especiales resistentes al calor, como el kevlar o el vidrio sinterizado .

Alternativamente, en un freno de tambor , el líquido ingresa a un cilindro de rueda y presiona una o dos zapatas de freno contra el interior del tambor giratorio. Las zapatas de freno utilizan un material de fricción resistente al calor similar al de las pastillas que se utilizan en los frenos de disco.

La posterior liberación del pedal o la palanca del freno permite que los resortes del conjunto del cilindro maestro devuelvan el pistón maestro a su posición original. Esta acción primero alivia la presión hidráulica en la pinza y luego aplica succión al pistón del freno en el conjunto de la pinza, lo que lo mueve nuevamente a su alojamiento y permite que las pastillas de freno liberen el rotor.

El sistema de frenos hidráulico está diseñado como un sistema cerrado: a menos que haya una fuga en el sistema, no entra ni sale líquido de frenos, ni se consume con el uso. Sin embargo, las fugas pueden ocurrir debido a grietas en las juntas tóricas o a una perforación en la línea de freno. Las grietas pueden formarse si se mezclan dos tipos de líquido de frenos o si el líquido de frenos se contamina con agua, alcohol, anticongelante o cualquier otro líquido. ^[6]

Los frenos hidráulicos transfieren energía para detener un objeto, normalmente un eje giratorio. En un sistema de frenos muy simple, con solo dos cilindros y un freno de disco , los cilindros podrían estar conectados a través de tubos, con un pistón dentro de los cilindros. Los cilindros y los tubos están llenos de un líquido incompresible. Los dos cilindros tienen el mismo volumen, pero diferentes diámetros y, por lo tanto, diferentes áreas de sección transversal. El cilindro que usa el operador se llama cilindro maestro . El freno de disco giratorio estará adyacente al pistón con la sección transversal más grande. Suponga que el diámetro del cilindro maestro es la mitad del diámetro del cilindro esclavo, por lo que el cilindro maestro tiene una sección transversal cuatro veces más pequeña. Ahora, si el pistón en el cilindro maestro se empuja hacia abajo 40 mm, el pistón esclavo se moverá 10 mm. Si se aplican 10 newtons (N) de fuerza al pistón maestro, el pistón esclavo presionará con una fuerza de 40 N.

Esta fuerza se puede aumentar aún más insertando una palanca conectada entre el pistón maestro, un pedal y un punto de pivote. Si la distancia del pedal al pivote es tres veces la distancia del pivote al pistón conectado, entonces multiplica la fuerza del pedal por un factor de 3, al presionar el pedal hacia abajo, de modo que 10 N se convierten en 30 N en el pistón maestro y 120 N en la pastilla de freno. A la inversa, el pedal debe moverse tres veces más que el pistón maestro. Si el pedal se presiona hacia abajo 120 mm, el pistón maestro se moverá 40 mm y el pistón esclavo moverá la pastilla de freno 10 mm.

(Para sistemas de frenado de automóviles típicos de servicio liviano)

En un automóvil de cuatro ruedas, la norma FMVSS 105, 1976; ^[7] requiere que el cilindro maestro esté dividido internamente en dos secciones, cada una de las cuales presuriza un circuito hidráulico separado. Cada sección suministra presión a un circuito. La combinación se conoce como cilindro maestro en tándem . Los vehículos de pasajeros suelen tener un sistema de frenos dividido delantero/trasero o un sistema de frenos dividido en diagonal (el cilindro maestro en una motocicleta o scooter solo puede presurizar una sola unidad, que será el freno delantero).

Un sistema de frenos de circuito dividido delantero/trasero utiliza una sección del cilindro maestro para presurizar los pistones de la pinza delantera y la otra sección para presurizar los pistones de la pinza trasera. En la actualidad, la ley exige un sistema de frenos de circuito dividido en la mayoría de los países por razones de seguridad; si falla un circuito, el otro circuito puede detener el vehículo.

Los sistemas de división diagonal se utilizaron inicialmente en los automóviles American Motors en el año de producción 1967. La parte delantera derecha y la trasera izquierda son servidas por un pistón de accionamiento, mientras que la parte delantera izquierda y la trasera derecha son servidas, exclusivamente, por un segundo pistón de accionamiento (ambos pistones presurizan sus respectivas líneas acopladas desde un solo pedal). Si falla cualquiera de los circuitos, el otro, con al menos una rueda delantera frenando (los frenos delanteros proporcionan la mayor parte de la fuerza de frenado, debido a la transferencia de peso ), permanece intacto para detener el vehículo mecánicamente dañado. En la década de 1970, los sistemas de división diagonal se habían vuelto comunes entre los automóviles vendidos en los Estados Unidos. Este sistema fue desarrollado con el diseño de suspensión de los automóviles con tracción delantera para mantener un mejor control y estabilidad durante una falla del sistema.

En la serie 140 de Volvo , a partir del año modelo 1967, se introdujo un sistema de frenos de disco divididos en triángulo, en el que los frenos delanteros tienen una disposición de cuatro cilindros y ambos circuitos actúan sobre cada rueda delantera y sobre una de las traseras. Esta disposición se mantuvo en las series de modelos posteriores 200 y 700.

El diámetro y la longitud del cilindro maestro tienen un efecto significativo en el rendimiento del sistema de frenos. Un cilindro maestro de mayor diámetro suministra más fluido hidráulico a los pistones de la pinza, pero requiere más fuerza en el pedal de freno y menos recorrido del mismo para lograr una determinada desaceleración. Un cilindro maestro de menor diámetro tiene el efecto opuesto.

Un cilindro maestro también puede utilizar diámetros diferentes entre las dos secciones para permitir un mayor volumen de fluido en un conjunto de pistones de pinza o en el otro, y se denomina cilindro maestro de "ajuste rápido". Se utilizan con pinzas delanteras de "baja resistencia" para aumentar el ahorro de combustible.

Se puede utilizar una válvula dosificadora para reducir la presión de los frenos traseros en caso de frenadas fuertes. Esto limita el frenado trasero para reducir las posibilidades de bloquear los frenos traseros y reduce en gran medida las posibilidades de que el vehículo patine.

El servofreno de vacío o servofreno de vacío se utiliza en la mayoría de los sistemas de frenos hidráulicos modernos que contienen cuatro ruedas; el servofreno de vacío se fija entre el cilindro maestro y el pedal de freno y multiplica la fuerza de frenado aplicada por el conductor. Estas unidades constan de una carcasa hueca con un diafragma de goma móvil en el centro, creando dos cámaras. Cuando se fija a la parte de baja presión del cuerpo del acelerador o del colector de admisión del motor, se reduce la presión en ambas cámaras de la unidad. El equilibrio creado por la baja presión en ambas cámaras evita que el diafragma se mueva hasta que se presiona el pedal del freno. Un resorte de retorno mantiene el diafragma en la posición inicial hasta que se aplica el pedal del freno. Cuando se aplica el pedal del freno, el movimiento abre una válvula de aire que permite la entrada de aire a presión atmosférica a una cámara del servofreno. Dado que la presión aumenta en una cámara, el diafragma se mueve hacia la cámara de menor presión con una fuerza creada por el área del diafragma y la presión diferencial. Esta fuerza, además de la fuerza del pie del conductor, empuja el pistón del cilindro maestro. Se requiere una unidad de refuerzo de diámetro relativamente pequeño; para un vacío del colector muy conservador del 50%, se produce una fuerza de asistencia de aproximadamente 1500 N mediante un diafragma de 20 cm con un área de 0,03 metros cuadrados. El diafragma dejará de moverse cuando las fuerzas en ambos lados de la cámara alcancen el equilibrio. Esto puede deberse al cierre de la válvula de aire (debido a la parada de la aplicación del pedal) o si se alcanza el "agotamiento". El agotamiento se produce cuando la presión en una cámara alcanza la presión atmosférica y no se puede generar fuerza adicional por la presión diferencial ahora estancada. Una vez alcanzado el punto de agotamiento, solo se puede utilizar la fuerza del pie del conductor para aplicar aún más el pistón del cilindro maestro.

La presión del fluido del cilindro maestro viaja a través de un par de tubos de freno de acero hasta una válvula diferencial de presión, a veces denominada "válvula de falla de freno", que realiza dos funciones: iguala la presión entre los dos sistemas y proporciona una advertencia si un sistema pierde presión. La válvula diferencial de presión tiene dos cámaras (a las que se conectan las líneas hidráulicas) con un pistón entre ellas. Cuando la presión en cualquiera de las líneas está equilibrada, el pistón no se mueve. Si se pierde la presión en un lado, la presión del otro lado mueve el pistón. Cuando el pistón hace contacto con una sonda eléctrica simple en el centro de la unidad, se completa un circuito y se advierte al operador de una falla en el sistema de frenos.

Desde la válvula diferencial de presión, los tubos de freno llevan la presión a las unidades de freno en las ruedas. Dado que las ruedas no mantienen una relación fija con el automóvil, es necesario utilizar una manguera de freno hidráulica desde el extremo de la línea de acero en el bastidor del vehículo hasta la pinza en la rueda. Si se permite que los tubos de freno de acero se flexionen, se favorece la fatiga del metal y, en última instancia, la falla de los frenos. Una mejora habitual es reemplazar las mangueras de goma estándar por un juego que está reforzado externamente con cables trenzados de acero inoxidable. Los cables trenzados tienen una expansión insignificante bajo presión y pueden dar una sensación más firme al pedal de freno con un menor recorrido del pedal para un esfuerzo de frenado determinado.

El término "frenos hidráulicos de potencia" también puede referirse a sistemas que funcionan según principios muy diferentes, en los que una bomba impulsada por el motor mantiene una presión hidráulica continua en un acumulador central. El pedal de freno del conductor simplemente controla una válvula para purgar la presión en las unidades de freno de las ruedas, en lugar de crear la presión en un cilindro maestro presionando un pistón. Esta forma de freno es análoga a un sistema de frenos de aire , pero con fluido hidráulico como medio de trabajo en lugar de aire. Sin embargo, en un freno de aire, el aire se purga del sistema cuando se sueltan los frenos y se debe reponer la reserva de aire comprimido. En un sistema de frenos hidráulicos de potencia, el fluido a baja presión regresa desde las unidades de freno de las ruedas a la bomba impulsada por el motor cuando se sueltan los frenos, por lo que el acumulador de presión central se vuelve a presurizar casi instantáneamente. Esto hace que el sistema hidráulico de potencia sea muy adecuado para vehículos que deben detenerse y arrancar con frecuencia (como los autobuses en las ciudades). El fluido que circula continuamente también elimina los problemas de congelación de piezas y de acumulación de vapor de agua que pueden afectar a los sistemas de aire en climas fríos. El autobús AEC Routemaster es una aplicación bien conocida de los frenos hidráulicos de potencia y las generaciones sucesivas de automóviles Citroën con suspensión hidroneumática también utilizaron frenos hidráulicos de potencia total en lugar de los sistemas de frenos de automoción convencionales. La mayoría de las aeronaves de gran tamaño también utilizan frenos hidráulicos de potencia en las ruedas, debido a la inmensa cantidad de fuerza de frenado que pueden proporcionar; los frenos de las ruedas están vinculados a uno o más de los sistemas hidráulicos principales de la aeronave, con la adición de un acumulador para permitir que la aeronave frene incluso en caso de una falla hidráulica.

Los sistemas de frenos de aire son voluminosos y requieren compresores de aire y tanques de reserva. Los sistemas hidráulicos son más pequeños y menos costosos.

El fluido hidráulico no debe ser comprimible. A diferencia de los frenos de aire , en los que se abre una válvula y el aire fluye hacia las líneas y las cámaras de freno hasta que la presión aumenta lo suficiente, los sistemas hidráulicos dependen de una sola carrera de un pistón para forzar el paso del fluido a través del sistema. Si se introduce vapor en el sistema, se comprimirá y es posible que la presión no aumente lo suficiente para activar los frenos.

Los sistemas de frenos hidráulicos a veces están sujetos a altas temperaturas durante su funcionamiento, como al descender pendientes pronunciadas. Por este motivo, el fluido hidráulico debe resistir la vaporización a altas temperaturas.

El agua se vaporiza fácilmente con el calor y puede corroer las partes metálicas del sistema. El agua que entra en las líneas de freno, incluso en pequeñas cantidades, reaccionará con la mayoría de los líquidos de freno comunes (es decir, aquellos que son higroscópicos ^{[8] [9]} ) causando la formación de depósitos que pueden obstruir las líneas de freno y el depósito. Es casi imposible sellar completamente cualquier sistema de frenos contra la exposición al agua, lo que significa que es necesario cambiar regularmente el líquido de frenos para garantizar que el sistema no se llene demasiado con los depósitos causados ​​por las reacciones con el agua. Los aceites ligeros a veces se utilizan como fluidos hidráulicos específicamente porque no reaccionan con el agua: el aceite desplaza el agua, protege las piezas de plástico contra la corrosión y puede tolerar temperaturas mucho más altas antes de vaporizarse, pero tiene otros inconvenientes en comparación con los fluidos hidráulicos tradicionales. Los fluidos de silicona son una opción más cara.

El " desvanecimiento de los frenos " es una condición causada por el sobrecalentamiento en la que la efectividad de frenado se reduce y puede perderse. Puede ocurrir por muchas razones. Las pastillas que se acoplan a la parte giratoria pueden sobrecalentarse y "esmaltarse", volviéndose tan suaves y duras que no pueden agarrar lo suficiente para frenar el vehículo. Además, la vaporización del fluido hidráulico bajo temperaturas extremas o la distorsión térmica pueden hacer que los revestimientos cambien su forma y se adapten a una menor área de superficie de la parte giratoria. La distorsión térmica también puede causar cambios permanentes en la forma de los componentes metálicos, lo que resulta en una reducción en la capacidad de frenado que requiere el reemplazo de las piezas afectadas.

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