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Sistema
de Frenos
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Circuitos de frenos, sistemas de mando de frenos y compensadores de frenado
Circuitos de frenos
Según la reglamentación vigente todo vehículo necesita
llevar acoplados dos sistemas de frenado independientes; uno de ellos, el circuito
principal de servicio debe ser capaz de detener el vehiculo en movimiento a
voluntad del conductor y otro circuito, auxiliar, que se emplea para bloquear
las ruedas cuando el vehículo esta estacionado.
Circuito principal de
frenos
El circuito principal es accionado por un mando de pedal situado en el interior
del habitaculo que transmite la fuerza aplicada por el conductor a los elementos
de frenado de las ruedas. La transmisión de esfuerzos se realiza a través
de un circuito hidráulico o neumático, aprovechando la energía
transmitida por estos fluidos a través de un sistema multiplicador de
esfuerzos, para que llegue a las ruedas con la fuerza necesaria para detener
el vehículo.
Circuito auxiliar de
frenos
El circuito auxiliar consiste en un mecanismo de freno mecánico, llamado
freno de mano, accionado desde el interior del vehículo de forma que,
una vez fijado el mando, las ruedas queden bloqueadas para evitar el deslizamiento.
Este mecanismo se aplica generalmente a las ruedas traseras.
Freno complementario
de asistencia
En vehículos pesados de gran tonelaje suele instalarse un tercer freno
de asistencia, cuya misión es colaborar y actuar conjuntamente con el
circuito principal para evitar determinados momentos que, por el continuo uso,
los frenos pierdan efectividad, precisamente cuando más se necesitan.
Entre ellos hay que destacar el freno eléctrico aplicado a la transmisión
del vehículo, el cual entra en funcionamiento a voluntad del conductor
por medio de un mando situado a su alcance en el volante o tablero de mandos.
El funcionamiento de este freno evita el continuo uso a que se veria obligado
el circuito principal, evitando por tanto el desgaste excesivo de ferodos que
producirian una disminución en la eficacia de frenado
Centrandonos en el circuito
principal de frenos podemos distinguir diferentes configuraciones. Las disposiciones
legales exigen una instalación de frenos principal con dos circuitos.
Según la normativa "DIN 74000" hay cinco posibilidades de configurar
los circuitos de frenos en un vehículo. Los circuitos de freno se distinguen
a este fin mediante letras: denominandose las distribuciones en: II, X, HI,
LL y HH
La forma de las letras se asemeja aproximadamente a la disposición de
las tuberias de freno entre el cilindro principal y los frenos de rueda.
De estas cinco posibilidades de distribuir los circuito de freno, las que mas
se utilizan son la II y la X, que requieren un empleo mínimo de tuberías
rígidas, tubos flexibles, empalmes separables y juntas estaticas o dinámicas.
Por eso el riesgo de un fallo a causa de fugas es tan bajo en cada uno de sus
dos circuitos de freno como en un sistema de freno de un circuito. En caso de
fallar un circuito de freno a consecuencia de sobrecarga térmica de un
freno de rueda, son particularmente críticas las distribuciones HI, LL
y HH, puesto que un fallo de ambos circuitos de freno en una rueda puede causar
el fallo total del freno.
Para cumplir las disposiciones legales relativas al efecto del freno auxiliar, los vehículos con carga predominantemente sobre la parte frontal se equipan con la distribución X. La distribución II es apropiada especialmente para turismos con carga sobre la parte trasera.
Sistema
de mando de frenos
Modos de funcionar del sistema de freno
Si un sistema de freno se acciona por completo o parcialmente por la fuerza
muscular del conductor o absolutamente sin ésta, podemos distinguir entre
tres modalidades:
Sistema de freno por
fuerza muscular
En este sistema de freno utilizado en turismos y motocicletas, la fuerza muscular
aplicada al pedal de freno o a la palanca de freno de mano se transmite mecánicamente
(por varillaje o cable de accionamiento) o de modo hidráulico a los frenos
de rueda. La energía para generar la fuerza de frenado procede exclusivamente
de la fuerza física del conductor
Sistema de freno por
fuerza auxiliar
Este sistema es el mas utilizado actualmente en automóviles y vehículos
industriales ligeros. Se incrementa la fuerza muscular del conductor mediante
la fuerza auxiliar de un servofreno. La fuerza muscular amplificada se transmite
hidráulicamente a los frenos de rueda.
Sistema de freno por
fuerza ajena
El sistema de freno por fuerza ajena utilizado generalmente en vehículos
industriales se emplea aisladamente en turismos grandes con ABS integrado.
El freno de servicio de este sistema es accionado exclusivamente por fuerza
ajena.
El sistema trabaja con energía hidráulica (se basa en la presión
de un liquido) y con transmisión hidráulica. El liquido de freno
se almacena en acumuladores de energía (acumuladores hidráulicos).
Una bomba hidráulica genera la presión hidráulica, que
en el acumulador de energía se encuentra continuamente en equilibrio
con la presión del gas. Un regulador de presión conmuta la bomba
hidráulica a marcha en vacío tan pronto como se alcanza la presión
máxima.
Por ser el liquido de freno prácticamente incomprensible, pequeñas
cantidades de liquido de freno pueden transmitir altas presiones de frenado.
En los automóviles antiguos el sistema de mando de los frenos era exclusivamente
mecánico. Sus grandes inconvenientes (lentitud en la transmisión
de esfuerzos, complejidad de los mecanismos, elevados esfuerzos, dificultad
de reglaje y equilibrado y frecuentes averías) ocasionaron su desaparición
hace bastantes años. Sin embargo, se siguen empleando en los sistemas
de mando de los frenos de mano o también llamado freno de estacionamiento.
El sistema de mando hidráulico es el que se emplea desde hace ya bastantes
años en todos los automóviles.
El sistema de mando hidráulico se fundamenta en el hecho de que los líquidos
son prácticamente incomprensibles y que según el principio de
Pascal, la presión ejercida sobre un punto cualquiera de una masa liquida
se transmite íntegramente en todas direcciones.
En la figura inferior se ve la disposición elemental de un sistema hidráulico
de frenos, constituido por un cilindro maestro o principal que genera una presión
sobre el liquido que se transmite a través del circuito hacia un cilindro
receptor o esclavo, que mueve mediante un pistón unas zapatas que son
empujadas contra el tambor.
Cuando el conductor pisa el pedal de freno, se empuja el embolo del cilindro maestro, el cual comprime y desplaza el liquido por la canalización hasta el cilindro de rueda, en donde se produce el desplazamiento de sus émbolos para aplicar las zapatas contra el tambor. Una vez logrado esto, todo esfuerzo posterior del conductor sobre el pedal de freno se traduce en un aumento de presión en el circuito hidráulico, que aplica a las zapatas contra el tambor con mayor fuerza.
Elementos principales de un sistema de accionamiento hidráulico de frenos:
Cilindro principal o
bomba de frenos
Este elemento es uno de los principales del sistema de freno hidráulico,
ya que es el encargado de generar la presión que debe actuar sobre los
pistones y bombines de freno.
La bomba de freno esta constituida por un cilindro (1), con los orificios de
entrada y salida de liquido, dentro del cual se desplaza un pistón (2),
con un retén (3) que hace estanco el interior del cilindro, empujado
por el vástago (4) de unión al pedal de freno. Por delante del
pistón va montada la copela (5), el muelle (6) que mantiene el pistón
en su posición de reposo y la válvula (7) que regula la presión
de salida del líquido. El conjunto va cerrado con una arandela y fiador
elástico (10) que impiden que el pistón salga fuera del conjunto.
El vástago (4) puede ser accionado directamente por el pedal de freno
(como en la figura inferior) o por un servofreno, si lo lleva instalando el
sistema.
El depósito del líquido de frenos puede estar separado del cilindro
principal o puede formar un solo cuerpo con el. El depósito suele llevar
unas marcas de referencia que indican el nivel máximo y mínimo
del liquido. En el tapón de llenado hay una válvula pequeña
o simplemente un orificio, que permite la comunicación con el exterior
para que la presión en su interior sea siempre la atmosférica.
Funcionamiento de un cilindro principal de un solo pistón
En su posición de reposo el pistón está desplazado hacia
la izquierda por la acción del muelle y el interior del recinto esta
lleno de liquido procedente del depósito, que entra por (A) hacia las
cámaras (B) y (C).
Al pisar el pedal de freno la palanca desplaza la varilla (4) que, a su vez,
empuja el pistón (2) hacia delante, comprimiendo el líquido en
la cámara (C) y saliendo a presión por los orificios de la válvula
(7) hacia las conducciones (D) que envían el liquido a los bombines y
ejerciendo presión en (E) para efectuar el cierre del interruptor de
la luz de freno.
Si se levanta el pie del pedal el pistón (2) vuelve a su posición
inicial por la acción del muelle (6) y el interior del cilindro (C) se
llena con el líquido que esta en las canalizaciones debido al vacío
que hace el pistón en su retroceso.
Si el liquido de las conducciones no vuelve a la bomba, con suficiente rapidez
o en la cantidad debida, el vacío interno hace que la guarnición
(5) doble a su bordes hacia el interior, permitiendo que pase líquido
desde la cámara (B), a través de los orificios del pistón,
llenando así el vacío interno. De esta forma, aunque haya perdidas
de líquido en las canalizaciones, se compensa en la misma bomba.
El orificio de llenado sirve también para compensar la dilatación
del líquido, cuando se calientan los frenos, retornando por él
al depósito.
Funcionamiento
de un cilindro principal con doble pistón (bomba tándem)
Para solucionar el inconveniente de las fugas de liquido en el circuito de frenos
que puedan inutilizar el sistema de frenos, se idearon los circuito de freno
independientes, consistentes generalmente en dos circuitos hidráulicos
independientes, que accionan por separado los frenos delanteros y los traseros.
Si hay una fuga en uno de los circuitos el otro sigue funcionando. También
se pueden disponer los circuitos de frenos en forma de "X" (rueda
delantera izquierda con rueda trasera derecha y el otro circuito con las otras
dos).
En cualquiera de los casos, para disponer de doble circuito independiente de
frenos, es necesaria una bomba doble o tándem, consistente en un cilindro
en el que se alojan los pistones (7) y (9), de los que este último, llamado
primario, es accionado directamente por el pedal de freno, mientras que el secundario
(7) o es por la acción del muelle (8) y la presión generada en
la cámara (3). La interconexión de ambos pistones se realiza por
el pulsador deslizante (13), que a partir de una determinada posición
de recorrido del pistón primario hace tope y obliga a desplazarse simultáneamente
al pistón secundario. La posición de reposo se establece en el
pistón secundario (7) por medio del tornillo tope (10), y en el primario
(9) por la fijación trasera (14), similar a la de una bomba convencional.
Por las canalizaciones (2) y (4) llega el liquido a los cuerpos de bomba (1) y (3) desde el depósito de líquido de frenos, y de estos cuerpos salen las canalizaciones (12) para las ruedas delanteras y (11) para las traseras, o bien para los dos circuitos conectados en cualquiera otra posición de las citadas.
Cuando el conductor pisa el pedal de freno, el pistón (9) se desplaza a la izquierda, comprimiendo el líquido en el cuerpo de la bomba (3). La presión obtenida se transmite a las ruedas delanteras por (12) y, al mismo tiempo, empuja el pistón (7) hacia la izquierda, el cual comprime el líquido del cuerpo de bomba (1), obteniendose en él una presión que se aplica a las ruedas traseras por (11).
Como puede
verse en el esquema, esta doble bomba equivale a dos simples, pues cada cuerpo
tiene su propio pistón, copelas, muelle, orificio compensador, etc.,
como una bomba simple; pero presenta la ventaja de que si hay fugas en uno de
los circuitos, el otro sigue funcionando. Si la fuga se produce en el circuito
para las ruedas delanteras, aunque se desplace el pistón (9) no se crea
presión en el cuerpo de la bomba (3) y, por tanto, los frenos delanteros
no actúan; pero el pistón (7) es empujado en principio por el
muelle (8) y, posteriormente, cuando el pistón (9) en su desplazamiento
hace tope con él, lo desplaza un poco mas creando presión en el
cuerpo de la bomba (1), la cual se transmite a los frenos traseros. Si la fuga
ocurriese en este circuito, el desplazamiento del pistón (9) crearía
presión en la cámara primaria (3), que se transmitiría
a los frenos delanteros, mientras que esta misma presión empujaría
al pistón (7) hasta el final de su recorrido (pues no hay oposición
por existir fuga), sin que se creara presión en el cuerpo de bomba (1),
por lo cual no actuarían los frenos traseros.
Dado que las bombas tándem se disponen dos cámaras de presión
independiente, el pistón secundario (7) esta provisto de dos guarniciones
de estanqueidad (5) orientadas en sentido contrario una de la otra. La primera
asegura la estanqueidad de la cámara de compensación secundaria
(por detrás de la copela principal) mientras que la segunda garantiza
la estanqueidad de la cámara primaria de presión (3).
Correctores
de frenado
Debido a que cuando se frena el vehículo parte del peso del mismo se
transfiere al eje delantero, la fuerza de frenado no puede ser la misma en el
eje delantero que en el trasero. Aunque los cilindros receptores de presión
en las ruedas delanteras son mayores que en las traseras, esto significa que
la fuerza de frenado es mayor en las ruedas que tienen el cilindro de frenado
con diámetro mas grande. Aun así se hace necesario la utilización
de un mecanismo (corrector de frenado) que corrija la presión de frenado
en las ruedas traseras teniendo en cuenta distintos parámetros, como
puede ser el peso que soportan teniendo en cuenta si el vehículo circula
en vacío o con carga. Otro parámetro a tener en cuenta por el
corrector de frenada es la deceleración del vehículo en el momento
de la frenada, que puede ser mas fuerte o suave dependiendo de la acción
del conductor sobre el pedal de freno.
Para adecuar
la repartición de la fuerza de frenado a la carga, puede tomarse como
referencia la variación de la distancia del eje trasero y la carrocería,
o de ésta al suelo, para modificar la presión máxima de
frenado de las ruedas traseras.
Otra forma de corregir la fuerza de frenado se hace teniendo en cuenta la deceleración,
esto se consigue mediante un mecanismo que actúa de acuerdo con la inclinación
que toma el vehículo. Generalmente consiste en una bola que se desplaza
sobre un plano inclinado, cortando la presión aplicada a las ruedas traseras
a partir de una determinada inclinación del vehículo.
A pesar de la utilización
de correctores de frenado, no se elimina los riesgos de bloqueo de las ruedas,
que se producen cuando la fuerza de frenado se hace superior a la adherencia
de la calzada. Tampoco eliminan el riesgo de bloqueo que existe por diferencia
de adherencia entre las dos ruedas del mismo eje.
Los correctores de frenado se pueden clasificar en dos grandes grupos: los que actúan solamente en función de la presión de frenado (repartidores) y los que lo hacen además en función de la carga (limitadores y compensadores).
Repartidor
de simple efecto
Tiene la función de limitar la presión de frenado a un valor determinado
en el eje trasero, haciendo que las variaciones de presión en la bomba
de frenos solo afecten al eje delantero. Este sistema se aplica generalmente
a los vehículos donde la repartición de los pesos estáticos
y la altura del centro de gravedad varían poco con la carga. Consiste
(figura inferior) en una válvula (V) provista de un muelle (M), a la
que llega por su parte inferior (E) la presión de la bomba de frenos,
saliendo a cada una de las ruedas traseras por los conductos laterales (S).
Cuando la presión en el circuito sube por encima del valor tarado del
muelle, la válvula se levanta obstruyendo las salidas para las ruedas,
lo que no impide que siga subiendo la presión en la bomba.
De esta manera se consigue limitar la fuerza de frenado aplicada a las ruedas
traseras, tal como muestra en la gráfica de la figura inferior. El repartidor
esta ubicado generalmente cerca del eje trasero y fijado a la carrocería
del vehículo.
Repartidor
de doble efecto
La transferencia de peso del eje trasero al eje delantero durante la frenada,
depende principalmente de la velocidad del vehículo y de la intensidad
de la frenada. Dentro de estos parámetros se pueden diferenciar entre
frenadas fuertes a gran velocidad y a escasa velocidad. En el ultimo caso, la
adherencia de las ruedas traseras no tiene tanta importancia y se puede aumentar
la presión de frenada en este eje, aunque se nos pudieran llegar a bloquear
las ruedas. Para conseguir este funcionamiento se utilizan estas válvulas
acopladas al circuito de frenos del eje trasero.
Funcionamiento
En posición de reposo (figura inferior), el pistón primario (P)
está aplicado contra su apoyo (M) por la acción del muelle (R),
lo mismo que ocurre con el pistón secundario (Q) bajo el efecto del muelle
(r), alojados ambos en el interior hueco del pistón primario (P), el
cual está provisto de dos orificios laterales (t), mientras que el (Q)
dispone de una hendidura transversal (f), que establecen en conjunto un circuito
hacia las ruedas en la posición de reposo, en el cual el líquido
pasa desde la entrada a través de la hendidura (f) y los taladros (t)
para llegar hasta la salida hacia las ruedas rodeando al pistón primario
(P, entre éste y el cuerpo del repartidor), tal como indican las flechas.
Cuando la presión
de envío de la bomba aplicada a la sección (C) supera el valor
de tarado del muelle (R), el pistón primario (P) se desplaza hacía
arriba, mientras que el secundario (Q) se mantiene en equilibrio, por un lado
por la presión ejercida en su cara inferior y por otro por la fuerza
del muelle (r) y la presión ejercida en su parte superior (la reinante
en el circuito trasero de frenos). En estas condiciones, el pistón primario
hace tope y asiento en (N) cortando el circuito directo anteriormente establecido
(corte de presión).
Si el conductor sigue ejerciendo fuerza sobre el pedal de freno (sobrepresión),
dado que el pistón primario ha cortado la comunicación con el
circuito de frenos trasero, la presión aumenta solamente sobre la parte
inferior del pistón (Q) y llegado al limite del valor de tarado del muelle
(r), el pistón secundario se desplaza hacia arriba en el interior del
primario (P) comprimiendo el muelle antagonista. En cuanto al pistón
(Q) se despega de su asiento en el fondo del pistón (P), se permite una
fuga de presión por el interior de ambos, para salir a la ruedas traseras,
aumentado un poco la fuerza de frenado.
Cuando cesa la acción del conductor sobre el pedal de freno, desaparece
la presión en el circuito y ambos pistones, empujados por sus respectivos
muelles, vuelven a su posición de reposo.
Limitador
de tarado variable
En cierto tipo de vehículos, hay que tener en cuenta la variación
de carga para mejorar la eficacia de frenado, como ocurre en los que tienen
el motor y tracción delantera, cuyo eje trasero apenas soporta peso en
vacío y, sin embargo, cuando esta cargado soporta mas del 50% del peso
total. En estos casos, las condiciones de frenado han variado fundamentalmente
y resulta necesaria la utilización de un limitador capaz de variar la
presión de corte para las ruedas traseras, en función del peso
que sobre ellas descansa.
El funcionamiento resulta similar al del "repartidor de simple efecto",
con la salvedad de que la fuerza del muelle antagonista se hará variar
en función de la carga que transporta el vehículo. La palanca
varia su posición comparando la distancia entre el eje y la altura de
la carrocería. Cuanto mayor es la carga, mayor es la tensión sobre
el muelle antagonista y por lo tanto la presión de frenado aumentara
en las ruedas traseras.
Se obtienen de esta forma la curva representada en la gráfica inferior, donde se muestra tres puntos (V) particulares del corte de presión; pero en realidad existe un punto para cada valor de la carga.
Compensador
de frenada
Su funcionamiento es similar al del "repartidor de doble efecto",
con la particularidad de que aquí el muelle antagonista no tiene un tarado
fijo, sino que su tensión depende del peso que carga sobre el eje trasero.
En la figura inferior se muestra la disposición de un compensador de
frenado, donde la fuerza antagonista esta encomendada al muelle (R), que tira
de la palanca (L) a la que aplica contra el vástago del pistón
(I), sometido a la presión hidráulica de accionamiento de los
frenos traseros. A su vez, esta fuerza es función del peso que carga
sobre el eje trasero, puesto que la tensión del muelle viene determinada
por al altura de la carrocería al suelo.
El compensador modula la presión aplicada al circuito trasero de frenos
en función de la carga que actúa sobre este eje y de la presión
del circuito delantero, pues a partir de un determinado valor de ésta
la aplicación al circuito trasero está limitada a un valor proporcional
al del circuito delantero.
En la posición de reposo de este mecanismo el muelle (R) tira de la palanca
(L), que empuja al pistón sobre su tope (3) desplazando la válvula
(2) de su asiento (4), con lo cual se permite el paso de liquido hacia las ruedas
traseras, como muestra el detalle (1) de la figura.
En el frenado, la presión de envío ejerce sobre la sección
del vástago (5) del pistón un esfuerzo opuesto a la fuerza (F)
del muelle (R). Superado el valor de esta última, el pistón sube
y la válvula se cierra cortando la comunicación con los bombines
traseros, lo que constituye un limite de la presión de frenado aplicada.
Si la presión enviada por la bomba sigue aumentando en la cámara
superior (la del conducto A), se llega a un valor mayor del que existe en la
cámara inferior (la del conducto de salida B), con lo cual se somete
al pistón a un esfuerzo del mismo sentido que el del muelle (R), debido
a la diferencia de las secciones (5) y (6) del mismo. De esta manera se produce
un descenso del pistón, que abre nuevamente la válvula, permitiendo
una subida de la presión aplicada a las ruedas traseras. Este nuevo aumento
de presión actúa también sobre la sección (5), obligando
a subir otra vez al pistón, que corta nuevamente la comunicación
con los bombines traseros.
Este ciclo se repite indefinidamente para cada aumento de la presión
de envío de la bomba, obteniendose así un gráfico de la
presión de corte como el representado en la figura, donde cada punto
(V) corresponde a la modificación de la presión aplicada a los
frenos traseros, en función de la presión de envío y de
la carga soportada por las ruedas traseras.
Cuando cesa la presión de frenado, la caída de presión
en la bomba de frenos hace retornar al pistón a su posición de
reposo, restableciendose la comunicación con los frenos traseros, que
permite el retorno del líquido a la bomba.
En los vehículos que disponen un doble circuito de frenos en "X" se hace necesario un tipo de compensador especifico, que posee un diseño de cámara doble, cada una de las cuales dispone de sus propias lumbreras de entrada y salida de líquido, para acomodar el sistema de frenos de circuitos independientes, funcionando ambos circuitos simultáneamente, de manera similar a la descrita en el anterior modelo.
Compensador
de frenada por inercia
Este tipo de compensador de frenado es bastante utilizado debido a su sencillez,
su funcionamiento esta basado en la deceleración obtenida durante el
frenado. Este tipo de compensador se fija al chasis del vehículo en una
posición bien determinada, y en la cercanía de la bomba de frenos.
El dispositivo (figura inferior) lo constituye una válvula de bola posicionada
con un cierto ángulo (A) con respecto a la horizontal. Cuando se acciona
el freno, el líquido llega por (B), pasando a través del difusor
(C) y alrededor de la bola (D), hasta el conducto (F), alcanzando la salida
(E) para los frenos traseros.
A medida que
se aplica mayor presión, la deceleración aumenta de tal manera
que la bola se desplaza a la izquierda a pesar del ángulo de inclinación
de su alojamiento, que determina la deceleración necesaria para que se
produzca el desplazamiento. En ese instante queda cerrado el conducto F.
Éste es el llamado punto de conexión, a partir del cual queda
limitada en principio la presión aplicada a los frenos traseros, que
está actuando sobre la sección (G) del pistón, al mismo
tiempo que el muelle antagonista.
Si la presión enviada por la bomba continua aumentando, su aplicación
sobre la sección (H) del pistón determina un instante en que éste
se desplaza hacia la izquierda, contra la acción de su muelle y la presión
reinante en la cara posterior. Con este movimiento se obtiene la apertura del
conducto (F) y la presión de envío de la bomba se aplica nuevamente
a los frenos traseros, hasta que se produce otra vez el cierre, motivado por
el aumento de presión que actúa sobre la sección (G) del
émbolo, desplazandolo nuevamente a la derecha. Esta secuencia se repite
en función de la deceleración obtenida y la fuerza de frenado
aplicada.
Cuando se deja de accionar el pedal de freno, cae la presión de envío
de la bomba y la deceleración del vehículo disminuye bruscamente,
con lo que la bola (D) regresa a su posición de reposo, permitiendo el
retorno del líquido de los frenos traseros a la bomba.
En caso de avería del compensador, no se repara, se sustituye por otro.
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