principios de operación de los frenos

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Teoría y prácticaClave de referencia: TP11-01

Principios de operación de los frenos

Este título se puede adquirir

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Mecánico.

El libro de texto del que proviene la información de este documento, se utiliza ampliamente en escuelas técnicas mexicanas, públicas y privadas. La gran cantidad de ilustraciones y explicaciones gráficas que contiene, son de gran utilidad para un rápido y mejor aprendizaje, de ahí su amplia aceptación entre profesores e instructores.

Los temas generales que se estudian en este libro son:

• Frenos: principios de operación• El sistema de frenos

convencional• Componentes del sistema de

frenos convencional• Elementos activos del frenado• Diagramas de los circuitos de

frenado• Características del sistema de

frenos antibloqueo (ABS)• Mantenimiento al sistema de

frenos: mantenimiento, purgado y diagnóstico al sistema ABS

• Guía de identificación de fallas: pedal de freno duro, vibración, frenado no adecuado, pedal de freno bajo y ruido

La edición fue desarrollada por la prestigiada editorial mexicana Mecánica Automotriz Fácil, y forma parte de una colección orientada a la formación técnica automotriz.

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Reparación del sistema de frenos convencionales y ABS

I. PRINCIPIOS QUE LOGRAN EL FRENADO

Primero, debemos saber que un fre-no es un3 dispositivo que detiene el movimiento de una máquina o vehículo. Los frenos de un automó-vil detienen el giro de la llanta mediante dispositivos de frena-do, ya sea de tambor o de disco, para detener por completo la unidad.

Ahora bien, el funcionamiento de los frenos se basa en conceptos teóricos como la energía cinética, la fuerza de fric-ción, el impulso y la iner-cia, la energía calorífica, etc., que se relacionan en-tre sí. Aunque no los es-tudiaremos a fondo, es necesario conocerlos para

comprender la importancia y apli-cación que tienen en un sistema de frenos y establecer las bases que nos ayudarán a entender la función de los componentes del mismo.

La energía del movimiento

Esta energía, conocida como ciné-tica o de movimiento, está relacio-

nada directamente con el movimiento del vehículo. Se genera a través del im-pulso proporcionado por el motor. En el momento de frenar, esta energía se trans-forma en energía calorífi-

Teoría y práctica02


ca; pero de ella hablaremos más adelante.

¿Cómo se detiene el movimiento?

Pero, ¿qué detiene al vehículo? La fuerza de fricción, que es la resis-tencia al movimiento que se genera entre una superficie sobre otra. Con base en esto, podemos decir que la fuerza de fricción es “la propor-ción de resistencia ejercida para detener el movimiento de un cuer-po”. Se utiliza para contrarrestar la

Junto con la energía ci-nética actúan el impulso (que se define como “la

variación en la cantidad de mov-imiento de un cuerpo, ocasionada por el empuje que se produce du-rante un periodo de tiempo”, que normalmente es un segundo) y la inercia (que es la resistencia que opone un cuerpo a un cambio en su estado, ya sea de movimiento o de reposo; esto sucede cuando, por ejemplo, el vehículo se en-cuentra en movimiento, y para detenerlo se requiere aplicarle una fuerza externa).

Energía cinéticaA la energía en movimiento se le conoce como energía cinética. Por ejemplo, el movimiento de un martillo para golpear un clavo, o el movimiento del agua, de una bala, etc.La energía cinética es mayor en la medida que con más velocidad se desplaza el objeto.

energía cinética y detener el movi-miento. Cuando es aplicada la fuer-za de fricción, la energía cinética se convierte en calorífica.

En el sistema de frenos de un automóvil, esta fuerza se presenta entre los dispositivos de fricción; también se aplica entre la superfi-cie del pavimento y la llanta o neu-mático.

Existen dos factores que afectan la fricción del vehículo: el desliza-miento positivo y el deslizamiento negativo.

Un cuerpo que posee una mayor masa, podrá adquirir una mayor iner-

cia durante su movimiento requi-riendo de una mayor fuerza para detenerlo.

Deslizamiento negativoEste efecto se manifiesta cuan-do, en el intento de interrum-pir el movimiento de un cuer-po mediante la acción de una fuerza externa, éste se desli-za o patina sobre la superficie de rodamiento. En un vehícu-lo en movimiento si de repente se aplican los frenos, sus ruedas dejarán de girar; pero debido a la inercia y la energía cinética que el vehículo adquirió duran-te su desplazamiento, la unidad se “patinará” sobre el pavimen-to.

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Deslizamiento positivoEste efecto se manifiesta en cuerpos en reposo, a los que se somete a movimiento rotati-vo y se les transmite una súbi-ta aceleración. Se deslizan sobre el plano de rodadura, hasta que vuelven a adquirir adherencia y comienzan a desplazarse en él.

El deslizamiento positivo se presenta en un vehículo, cuan-do se encuentra en alto total y enseguida se acelera a fondo; en vez de girar, las ruedas “pati-nan” sobre el pavimento debido a la pérdida de adherencia sobre el mismo. Esto también puede ocurrir cuando el vehículo tran-sita por caminos mojados, con hielo o con nieve.

Energía calorífica

Ya explicamos que cuando al movimiento (energía cinética) se le aplica una fuerza de fric-ción, se transforma en energía calorífica. Ésta se transmite de los cuerpos más calientes a los más fríos, hasta que alcanzan un estado de equilibrio y cesa la transmisión de energía. Esto es justamente lo que sucede con los componentes de frenado: el calor que se genera es tan inten-so, que en muchos diseños auto-motrices se requieren entradas de aire hacia estos elementos para permitir su ventilación y su enfriamiento.

Efecto fadingLa característica fundamental de un buen sistema de frenos, consiste en transformar la ener-gía cinética en calorífica, y en

El deslizamiento total de una o más ruedas del vehículo, puede ser ocasionado por una insuficiente tracción entre cada una de ellas y la superficie de camino; o por una mala distribución del peso de la carga que lleva el vehículo, entre otros factores

Sobre aceleración

Deslizamiento positivo

Control direccional

Fuerza de adherencia

Superficie

de

camino

Deslizamiento Negativo

hacerlo de la manera más rápida posible. Esto causa focos de ca-lor que incluso superan el rango de 600°C. La temperatura tie-ne efectos secundarios y ocasio-na el efecto fading, que signifi-ca “desvanecimiento” (en este caso, en los frenos).

Cuando se frena en una si-tuación límite de eficacia, fácil-mente puede encontrarse con que el calor acumulado no tie-ne tiempo de ser cedido al aire y a las piezas próximas. Y si de inmediato se produce una nue-va frenada al límite, otra a con-tinuación y así sucesivamen-te, el calor acumulado origina una pérdida de capacidad de frenado que exige una mayor fuerza hacia el pedal. Si se in-



siste en esta situación, llega-rá un momento en que el mate-rial de fricción de las pastillas se cristaliza debido a la alta temperatura. Y a partir de ese momento, los frenos queda-rán prácticamente inutilizados. Desde el punto de vista del fa-bricante, la mejor manera de lu-char contra el fading es utili-zar frenos capaces de deshacerse del calor lo más rápido posible. Por eso los frenos de disco son mucho más efectivos que los de tambor, pues como están en contacto directo con el aire, di-sipan inmediatamente el calor que acumulan.

II. PRINCIPIOS DE OPE-RACIÓN DEL FRENADO

Otro concepto básico es el Prin-cipio de Pascal, que se aprove-cha en dispositivos que multi-plican una fuerza aplicada y la transmiten a un punto de apli-cación. Los ejemplos más comu-nes de estos dispositivos son el gato hidráulico, el freno de aire y los frenos hidráulicos (conven-cionales y ABS); su funciona-miento se basa precisamente en este Principio; y para compren-derlo claramente, primero debe-mos conocer conceptos como la hidráulica y los fluidos.

La hidráulica y los fluidos

La palabra “hidráulica” viene del griego hydraulikós, que sig-nifica “órgano de agua”. Es una rama de la Física que se relacio-na con el estudio de las propie-dades mecánicas de los fluidos y su aplicación para generar ener-gía.

La mecánica de fluidos po-dría parecer solamente un nom-bre nuevo para una ciencia an-tigua. Pero es más que eso; corresponde a un enfoque espe-cial para estudiar el comporta-miento de los líquidos y los ga-ses.

Los principios básicos del movimiento de los fluidos se de-sarrollaron lentamente a través de los siglos, como resultado del trabajo de muchos científicos: Leonardo Da Vinci, Galileo Gali-lei, Evangelista Torricelli y Blai-se Pascal, por mencionar sólo al-gunos.

¿Qué es un fluido?Para clasificar los materiales que se encuentran en la natu-raleza, pueden utilizarse diver-sos criterios. Desde el punto de vista de la ingeniería, uno de los más interesantes es el que con-sidera el comportamiento de los elementos frente a situacio-nes especiales. De acuerdo con esto, se definen los estados bási-cos de los materiales: líquidos,

Una de las aplicaciones prácticas de Pascal se encuentra en el gato hidráulico, el cual consiste en dos émbolos comunicados por un líquido (aceite) donde la presión ejercida en cada uno de los émbolos estará en función del área y la fuerza que se puede ejercer sobre cada émbolo pero logrando el equilibrio entre ambos.

El agua es un claro ejemplo de las características que reunen los fluidos.

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gaseosos y plasmáticos.Los que nos interesan son los líquidos, y su comportamiento como fluí-dos.

Esta clasificación depende principalmente del estado, y no del material en sí. De esta mane-ra, lo que define al fluido es su comportamiento.

Entre los comportamientos que diferencian a los f luidos, está la forma en que reaccionan cuando se les aplica una fuerza: se desplazan en todas direccio-nes, es decir, se expanden, si no hay un recipiente sólido que los contenga. Por eso los fluidos tie-nen la capacidad de tomar la for-ma del recipiente que los con-tiene.

Circuito hidráulicoEn el caso de los sistemas de frenos, se utiliza un circuito hi-dráulico a través del cual transi-ta un fluido líquido. Un circuito es una estructura o camino inte-grado por diversos componentes interconectados mediante un con-ducto o tubería, a través del cual fluye un líquido o gas.

El Principio de Pascal aplicado en el sistema de frenos

En los sistemas de frenos, el flui-do se emplea para transmitir po-tencia de un punto a otro y ge-nerar energía. Esta transmisión de potencia se basa en el Princi-pio de Pascal, el cual señala que “el incremento de presión aplica-da a una superficie de un fluido incompresible (líquido), conteni-do en un recipiente indeforma-ble, se transmite con el mismo

1 Ser el medio transmisor de energía

Lubricar los componentes del sistema

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Dentro del circuito hidráulico de frenos, el fluido tiene cuatro funciones básicas:

Unidad hidráulica (incluye cilindro maestro, depósito de fluido, válvulas y actuadores)

Circuito hidráulico de frenos

Minimizar las fugas

Disipar el calor generado en el sistema

Bomba Cilindro

Fuerza

Conexión hidráulica

Fuerza

Bomba

Piston

Vástago

CamisaÉmbolo

Carrera

Carrera

Carrera

Conexión hidráulicaCilindro

A

B

La prensa hidráulica es una aplicación del principio de Pascal. Consta de dos émbolos que difieren en diámetro, cada uno colocado en un recipiente, los cuales están intercomunicados por

un tubo (A). Al aplicar fuerza al pistón más pequeño, se eleva el pistón mayor y se incrementa la fuerza aplicada (B).



valor a cada una de las partes del mismo”. Esta base es fundamen-tal para la operación de máqui-nas hidráulicas y sistemas de po-tencia hidráulica. Veamos por qué.

Supongamos que dos reci-pientes que difieren en tamaño, están interconectados mediante un conducto y contienen el mis-mo líquido. En este caso, la fuer-za aplicada en el recipiente de menor tamaño, transmite pre-sión, a través del fluido, al reci-piente de mayores dimensiones; y por lo tanto, se incrementa la fuerza. En otras palabras, el flui-do busca “escapar” o, valga la redundancia, fluir en todas di-recciones.

El sistema de frenos hidráu-lico basa su funcionamiento en este efecto, el cual puede re-presentarse con el esquema del Principio de Pascal.

Pero, ¿cómo se accionan los frenos?

Ahora que ya conoces los con-ceptos básicos del funciona-miento del sistema de frenado, te preguntarás: ¿Cómo se rela-cionan para accionar a los fre-nos?

Pues bien, la respuesta pue-de resumirse en cuatro grandes momentos:

Un motor genera energía cinética y, como consecuencia, el movimiento del vehículo.

Cuando el vehículo requiere ser frenado, el conductor ejerce presión sobre el circuito hidráulico del sistema de frenos. Lo hace a través del pedal, y en ese momento se cumple el Principio de Pascal.

Cuando el fluido ejerce presión, los componentes del sistema de frenos son activados y se genera entre ellos una fuerza de fricción para contrarrestar el movimiento.

El resultado de todo el proceso se manifiesta como energía calorífica.

La prensa hidráulica es una máquina que se basa en el Principio de Pascal,

para transmitir y multiplicar una fuerza aplicada. Aprovechando la diferencia de diámetros entre los cilindros hidráulicos que componen la prensa, la presión ejercida por el fluido se modifica a partir de una leve fuerza aplicada sobre una superficie pequeña, y es equivalente a una gran fuerza aplicada en una superficie de mayor extensión, siendo proporcionalmente iguales.

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