Índice Portada
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Índice
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Introducción
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Desarrollo
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Frenos de tambor
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Temperatura de trabajo
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Forma y características de las zapatas
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Tipos y formas de balatas de tambor
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Frenos de disco
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Coeficiente de fricción
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La temperatura y sus efectos
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Tipos de materiales usados para la fabricación de balatas
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Tipos de balatas
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Materiales de fricción y nomenclatura
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Partes de una balata de freno de disco
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Disco de freno y material
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Tipos de disco de freno
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Temperatura de los sistemas de freno de disco y de tambor.
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Temperatura de los disco de freno.
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Conclusión y bibliografía
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Introducción Los materiales de fricción. Las balatas de freno perfecto, el cual por cierto no ha sido inventado, inventado, sería aquel con un coeficiente alto de fricción y una fricción que permaneciera inafectada bajo las condiciones extremas de operación, tales como presión, velocidad, temperatura y humedad. Este material perfecto además de no rayar el tambor, operaría silenciosamente y tendría muy alta duración. Un buen material de fricción es el resultado de una adecuada mezcla de minerales concentrados o aglutinados en un elemento de cohesión que sirve como matriz, siendo esta matriz razonablemente resistente al calor. Los minerales toman la forma cristalina. Para efecto de lograr una buena formulación para la fabricación de balatas, se busca una estructura balanceada que consiste en la combinación adecuada de estos cristales para generar la acción friccionante, la resistencia al desgaste, el tratamiento suave a los tambores y todas las demás propiedades que se deseen. Los materiales y minerales utilizados en la fabricación de las balatas de freno, obviamente deben contar con una dureza inferior a aquellos materiales empleados en la fabricación de tambores, a manera de no lastimarlos. Tanto el asbesto que es un mineral y un cristal, como las fibras metálicas comúnmente empleados en la fabricación de balatas de freno tienen una dureza mayor a la mayoría de los tambores, por lo que sí se usaran por si solos rayarían el tambor. Dada esta condición se debe encontrar un mecanismo para usar tanto el asbesto como las fibras alternativas adecuadamente. Para efecto de controlar esta tendencia a rayar los tambores, se introducen a la formula lubricantes tanto orgánicos como inorgánicos. El elemento de cohesión antes mencionado y que se usa comúnmente en la fabricación de balatas es normalmente resina sintética. Los cristales cuyas características de fricción son las que en realidad son deseables, están contenidas en esa matriz y por consecuencia son forzadas contra el tambor en cada aplicación del freno. Los cristales pueden ser encontrados en todo tipo de formas, tamaños y durezas. Suaves desde un talco, hasta muy duros como el diamante. Hay cristales planos como la mica y cristales muy delgados y finos como el asbesto. Hay cristales redondos como la hematita, y otros cúbicos como la sal marina y la barita. Hay cristales como la calcita, que tienen forma de pirámide. Existen también algunos cristales que se fracturan muy fácilmente como ciertos cuarzos y otros que son muy resistentes como el rubí. Podemos encontrar todo tipo de propiedades, comportamientos y mecanismos de respuesta disponibles para la formulación de productos de fricción, derivados de la química y estructura de los cristales.
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Frenos de Tambor El freno de tambor ha sido utilizado más que cualquier otro diseño de frenos. La potencia de frenado es obtenida cuando las zapatas de freno (balatas) son empujadas y entran en contacto con la superficie interior del tambor que gira junto con el eje. Los frenos de tambor se utilizan principalmente para las ruedas traseras de vehículos de pasajeros y camiones, mientras que los frenos de disco se usan para los frenos delanteros debido a su mayor estabilidad direccional. La placa de soporte (zapata) es una placa de acero prensado, atornillado a la carcasa del eje trasero. Puesto que las balatas (material de fricción) de freno están montadas en la zapata, toda la fuerza de frenado actúa en la zapata.
Zapatas de Freno (Balatas traseras) Zapatas de freno están hechas de dos piezas de acero soldadas entre sí. El material de fricción se une por un adhesivo o por medio de remaches. La pieza en forma de media luna se llama membrana y contiene agujeros y las ranuras de diferentes formas para los resortes de retorno, hardware de sujeción, el acoplamiento de freno de mano y componentes de auto ajuste. Toda la fuerza del cilindro de frenos se aplica a través de la membrana a la placa de respaldo y a la balata (fricción). El borde de la placa de empuje tiene tres muescas en forma de V llamadas puntas laterales. Las puntas laterales se encuentran en la placa de empuje al cual se instalan las balatas.
Zapatas y B alatas: El material de
fricción se une a la placa de empuje. La membrana en forma de media luna contiene agujeros y las ranuras de diferentes formas para muelles de Cada conjunto de freno tiene dos zapatas, una retorno, herrajes de sujeción, primaria y una secundario. La zapata primaria está acoplamiento de freno de mano y ubicada hacia la parte delantera del vehículo y el componentes de auto-ajuste.
revestimiento tiene una posición diferente de la zapata secundaria. Muy a menudo los dos
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son intercambiables, por lo que la inspección detallada de las diferencias es importante. Las balatas deben ser resistentes contra el calor y el desgaste y deben tener un coeficiente de fricción alto. Este coeficiente de fricción debe ser afectado lo menos posible por el calor y la humedad. Los materiales con los que son fabricadas las balatas incluyen, metal en polvo, aglutinantes, cargas y agentes de curado. Metales en polvo, tales como el plomo, el zinc, el latón, el aluminio y otros metales aumentan la resistencia al desvanecimiento de frenado por calor. Los aglutinantes mantienen unidos los materiales de la fricción. Las cargas se añaden al material de fricción en pequeñas cantidades para lograr propósitos específicos, tales como chips de hule para reducir el ruido de los frenos.
Temperatura de trabajo Tambor de Freno El tambor de freno está hecho de un tipo especial de hierro fundido. Se coloca muy cerca de la zapata de freno sin tocarlo, y gira con la rueda y el eje. A medida que el revestimiento es empujado contra la superficie interior del tambor, el calor de fricción puede llegar tan alto como a 320°C (610 °F). El tambor de freno debe ser: 1. 2. 3. 4. 5.
Equilibrado con precisión. Suficientemente rígido. Resistente contra el desgaste. Muy buen conductor del calor. Ligero.
Forma y características de las zapatas Las zapatas de freno están formadas por dos chapas de acero soldadas en forma de media luna y recubiertas un su zona exterior por las balatas de freno, que son los encargados de efectuar el frenado por fricción con el tambor. Las balatas se unen a la zapata metálica por medio de remaches embutidos en el material hasta los 3/4 de espesor del la balata para que no rocen con el tambor, o bien pegados con colas de contacto. El encolado favorece la amortiguación de vibraciones y, como consecuencia, disminuyen los ruidos que éstas ocasionan durante el frenado.
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Tipos de freno de tambor Según la forma de acoplamiento de las zapatas al tambor para ejercer el frenado, los frenos de tambor se clasifican en los siguiente tipos:
Freno de tambor Simplex En este tipo de freno las zapatas van montadas en el plato, fijas por un lado al soporte de articulación y accionadas por medio de un solo bombín de doble pistón. Este tipo de frenos de tambor es de los más utilizados sobre todo en las ruedas traseras. Con esta disposición, durante el frenado, una de las zapatas llamada primaria se apoya sobre el tambor en contra del giro del mismo y efectúa una fuerte presión sobre la superficie del tambor. La otra zapata, llamada zapata secundaria, que apoya a favor del giro de la rueda, tiende a ser rechazada por efecto del giro del tambor, lo que hace que la presión de frenado en esta zapata sea inferior a la primaria.
Invirtiendo el sentido de giro, se produce el fenómeno contrario: la zapata primaria se convierte en secundaria y la secundaria en primaria.
Este tipo de freno de tambor se caracteriza por no ser el más eficaz a la hora de frenar, debido a que las zapatas no apoyan en toda su superficie sobre el tambor, pero destaca por su estabilidad en el coeficiente de rozamiento, es decir, la temperatura que alcanza los frenos en su funcionamiento le afectan menos que a los otros frenos de tambor.
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Freno de tambor Duplex En este freno, y con el fin de obtener una mayor fuerza de frenado, se disponen las zapatas en forma que ambas resulten primarias. Para ello se acopla un doble bombín de pistón único e independiente para cada zapata, los cuales reparten por igual las presiones en ambos lados del tambor. . Estos frenos provistos de bastidores con efecto unilateral son muy eficaces pero sensibles a las variaciones del coeficiente de rozamiento. Presentan la ventaja de que, con su empleo, no se ponen de manifiesto reacciones sobre los rodamientos del buje.
Freno de tambor Twinplex Este tipo de freno de tambor es muy similar al Duplex sa lvo que los puntos de apoyo de las zapatas en vez de ir fijos se montan flotantes. En este freno las dos zapatas son secundarias, pero por un sistema de articulaciones, trabajando en posición flotante, se acoplan al tambor en toda su superficie, evitando el acuñamiento y ejerciendo una presión uniforme sobre el tambor. En un sentido de giro las dos zapatas actuarían como zapatas primarias y en el otro sentido como zapatas secundarias. Freno de tambor Duo-servo Está constituido por dos zapatas primarias en serie, con lo cual se aumenta el efecto de autobloqueo. En este freno, una zapata empuja a la otra mediante una biela de acoplamiento. Es un freno altamente eficaz, pero muy sensible a las variaciones del coeficiente de rozamiento. Se consiguen esfuerzos mas elevados de frenado y las zapatas ejercen en cada sentido de giro igual esfuerzo. Este tipo de freno se emplea mucho en frenos americanos.
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Frenos de disco Las balatas son los elementos que producen la fricción al entrar en contacto con el disco o tambor, generando la acción de frenado. Comportamiento de fluidos Los fundamentos básicos que se deben tomar en cuenta para el conocimiento de los frenos son tres: • Presión hidráulica • Área de contacto • Coeficiente de fricción
Presión hidráulica El principio hidráulico según Pascal nos dice que la presión de un fluido en un recipiente cerrado es la misma en todas direcciones y que a mayor diámetro del contenedor mayor será la fuerza hidráulica del mismo. Esto nos pone en claro que en el sistema de frenos la presión es igual, lo que varía es la fuerza. También nos menciona que un sistema hidráulico si le introducimos aire, el aire si es comprimible, es decir si lo podemos comprimir lo que no pasa con los fluidos, el líquido no se puede comprimir por tal motivo el aire no es deseado dentro de un sistema de frenos hidráulico ya que al accionar el pedal de frenos este se hundirá hasta el piso del auto y los frenos no se accionaran.
Área de contacto El área de contacto tiene un papel muy importante, ya que podemos contar con buena presión hidráulica pero si la balata de freno solo toca el disco al 50% con toda seguridad no parara en la distancia establecida. Una causa muy común en esto es por problemas de caliper desgastado ya que sus herrajes no someten a la pastilla y el caliper acciona del lado o de forma inclinada, resultando con esto falta de frenado y mucho recorrido del pedal de freno. Así mismo en los frenos de tambor trasero si las balatas no están conformadas con el tambor y solo las puntas de la balata hacen contacto o bien solo la parte central es la que hace el contacto, este eje trasero tendrá una pérdida de poder en el frenado considerable. A tal grado que este eje trasero no proporcionara la cantidad de poder adecuada de frenado al vehículo. A su vez este tipo de falla ocasiona que se forcé el eje delantero en la acción por detener el vehículo.
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Coeficiente de fricción El coeficiente de fricción es la capacidad que tienen todos los materiales para deslizarse sobre otros. Es aquí donde el coeficiente de fricción de una balata cumple con su función de aferrarse al disco o tambor y tratar de detenerlo, pero sin llegar a bloquearlo.
La temperatura y sus efectos Uno de los problemas que más se presentan en el sistema de frenos es el sobrecalentamiento ya que este se presenta en forma normal cuando se frena con suavidad alcanzando temperaturas de 350 ºC. Y más aun en una frenada de pánico donde la temperatura supera los 450 ºC. El sistema debe estar preparado para disipar el calor sin afectar a otros componentes del sistema tales como ligas, cubre polvos, liquido de freno; cuando el sobrecalentamiento se presenta en un sistema de frenos delanteros lo primero es revisar el eje trasero ya que ahí puede estar la solución al problema, el vehículo es un sistema hermético en el cual la presión es la es la misma en todo el sistema, pero por las fuerzas de inercia y peso del vehículo los dos ejes no pueden frenar con el mismo poder o con la misma proporción. Por lo anterior, la proporción de frenado ideal es de 75% en el eje delantero y el restante 25% en el eje trasero. Si uno de los ejes no frena en la proporción que le corresponde obligara al otro eje a trabajar extra para poder detener el vehículo. Es así como una desproporción de frenado en el eje puede hacer que la temperatura se incremente en otro hasta llegar a incendiarse, un simple mal conformado en los frenos del tambor puede causar dichas molestias al eje delantero. Otra de las causas del calentamiento se presenta cuando los discos no pueden disipar rápidamente el calor impuesto al momento del frenado. Y esto debido que simplemente son muy delgados en su espesor. Un disco dentro de su espesor correcto disipara la temperatura mucho más rápido que uno delgado por estar fuera de medida, esta condición obliga a la balata a quedarse con este calor el cual solo la cristalizara y no solo a la pastilla sino también al disco, tomara un color azul abrillantado y una superficie tan lisa que será imposible se presente un buen coeficiente llegando solo a deslizar las pastillas sobre la superficie de frenado del disco teniendo una enorme pérdida de poder de frenado. A este efecto se le conoce como cristalización. Los discos ventilados funcionan muy bien para disipar la temperatura ya que cuentan con ventilas que disipan el calor de las bandas del frenado hacia el centro del disco, así el aire que pase por estas disipa la temperatura rápidamente. Sin embargo, si se comete el error de cambiar los discos de posición de un sistema ventilado direccional, en lugar de ayudar con la disipación del calor se incrementa acabando con la vida de las pastillas de freno prematuramente.
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Tipos de materiales usados para la fabricación de balatas. En la actualidad existen diferentes tipos de materiales de fricción para la fabricación de balatas. La base principal puede estar compuesta de materiales semimetálicos, cerámicos o carbónicos, la mayoría de los fabricantes de materiales de fricción emplean en mayor o menor medida la base que a continuación escriben.
Las Fibras: Las fibras son elementos encargados de aglutinar y ligar el resto de los elementos. Es decir, las fibras son el "armazón" de las pastillas de freno, a través de sus múltiples ramificaciones van uniendo el resto de los elementos. Existen dos tipos principales de fibras las sintéticas y las minerales. las más usuales en el campo de fricción son: fibras de vidrio, fibras de aramida, lana de roca, entre otras. Las Cargas Minerales: Estas son las encargadas de dar consistencia mecánica al conjunto, es decir, le aportan resistencia a la abrasión. Están encargadas también, de aportar resistencia a las altas temperaturas. Las más usuales son: barita, magnesita, talco, mica, carbonato, feldespato, entre otros. Componentes Metálicos: Se añaden en forma de polvo o viruta para conseguir homogenizar el coeficiente de fricción así como la transferencia de calor de la pastilla al caliper. Los más usuales son, latón, cobre, bronce, entre otros. Lubricantes o Modificadores de Coeficiente: Son los encargados de hacer variar el coeficiente de fricción normalmente baja, dependiendo del rango de temperatura de funcionamiento. Son empleados en forma de polvo suelen ser grafitos, coque, sulfuros, antracitas, etc. Los Materiales Orgánicos: Son los encargados de aglomerar el resto de los materiales. Cuando alcanzan una determinada temperatura fluyen y ligan el resto de los componentes, hasta que se polimerizan. Las más importantes son las resinas fenólicas termo endurecibles. Los Abrasivos: Cumplen principalmente la misión de incrementar el coeficiente de fricción y también renuevan y limpian la superficie del disco permitiendo la formación de la capa intermedia o también conocida como tercera capa. Hoy en día se busca remplazar los materiales metálicos por otros materiales con mejores características, tanto mecánicas como físicas, un ejemplo de estos materiales son los materiales cerámicos.
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Los materiales cerámicos son compuestos inorgánicos no metálicos con amplias propiedades mecánicas y físicas. Son duros, frágiles, con un alto punto de fusión, baja conductividad eléctrica y térmica, buena estabilidad química y resistencia a la compresión. En la tecnología espacial se utilizan unos materiales cerámicos llamados cermets para fabricar la parte delantera de los cohetes, las placas resistentes al calor de los transbordadores espaciales y otros muchos componentes. Los requerimientos básicos del material de fricción (balatas) son los que establece la propia aplicación del producto. los mas relevantes son: Presentar un coeficiente de fricción adecuado y estable a cualquier rango de temperatura y presión. Mantener un equilibrio entre abrasión y resistencia al desgaste. Una cierta compresibilidad, tanto en frio como en caliente, que haga que el material absorba vibraciones e irregularidades de la otra superficie con la que entra en contacto. Una buena resistencia al choque y al cizallamiento. El parámetro básico que define cualquier material de fricción es su coeficiente de fricción (µ). Durante el desarrollo de nuevas formulaciones, el coeficiente de fricción es ensayado en los dinamómetros de inercia, así como en la maquina de presión constante. Una vez pasada esta fase se ensayan directamente en vehículos equipados para la adquisición de los datos que el ensayo produzca.
Tipo de Material Metálico Semimetálico Cerámica Asbesto Carbono
Coeficiente de Fricción EE EF, FE, o FF FF, FE, FG FF o GG EF o FF
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Tipos de balatas. Balatas orgánicas Son las balatas que no contienen materiales metálicos, generalmente son más suaves y son menos durables y son las que se fatigan más rápido cuando les exiges de más tienen buen coeficiente de fricción, son silenciosas y son recomendadas para un uso moderado. En un uso intenso se desgastan con facilidad.
Balatas semimetálicas Tienen mayor carga de partículas metálicas y su ventaja es que estabilizan el coeficiente de fricción a altas temperaturas, lo que hace que frenen mejor y más aptas para un uso más intenso que las orgánicas. La desventaja de estas balatas es que son más ruidosas.
Balatas cerámicas Como su nombre lo dice, tienen compuestos cerámicos y usan partículas metálicas de cobre lo que les permite mejor comportamiento a altas temperaturas, menor desgaste tanto de la balata como del disco y menor ruido.
Balatas de carbono Son usadas en vehículos de competencia y funcionan muy bien a altas temperaturas, su funcionamiento a baja temperatura es muy malo y es necesario calentarlas antes de usarlas.
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Materiales de fricción y nomenclatura Las Fibras: Las fibras son elementos encargados de aglutinar y ligar el resto de los elementos. Es decir, las fibras son el "armazón" de las pastillas de freno, a través de sus múltiples ramificaciones van uniendo el resto de los elementos. Existen dos tipos principales de fibras las sintéticas y las minerales. Las más usuales en el campo de fricción son: fibras de vidrio, fibras de aramida, lana de roca, entre otras. Las Cargas Minerales: Estas son las encargadas de dar consistencia mecánica al conjunto, es decir, le aportan resistencia a la abrasión. Están encargadas también, de aportar resistencia a las altas temperaturas. Las más usuales son: barita, magnesita, talco, mica, carbonato, feldespato, entre otros. Componentes Metálicos: Se añaden en forma de polvo o viruta para conseguir homogenizar el coeficiente de fricción así como la transferencia de calor de la pastilla al caliper. Los más usuales son, latón, cobre, bronce, entre otros. Lubricantes o Modificadores de Coeficiente: Son los encargados de hacer variar el coeficiente de fricción normalmente baja, dependiendo del rango de temperatura de funcionamiento. Son empleados en forma de polvo suelen ser grafitos, coque, sulfuros, antracitas, etc. Los Materiales Orgánicos: Son los encargados de aglomerar el resto de los materiales. Cuando alcanzan una determinada temperatura fluyen y ligan el resto de los componentes, hasta que se polimerizan. Las mas importantes son las resinas fenólicas termoendurecibles. Los Abrasivos: Cumplen principalmente la misión de incrementar el coeficiente de fricción y también renuevan y limpian la superficie del disco permitiendo la formación de la capa intermedia o también conocida como tercera capa. Hoy en día se busca remplazar los materiales metálicos por otros materiales con mejores características, tanto mecánicas como físicas, un ejemplo de estos materiales son los materiales cerámicos.
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Materi ales C erámic os
Los materiales cerámicos son compuestos inorgánicos no metálicos, en su mayoría óxidos, aunque también se emplean carburos, nitruros, boruros y siliciuros. Tienen amplias propiedades mecánicas y físicas. Debido a sus enlaces iónicos o covalentes, los cerámicos son duros, frágiles, con un alto punto de fusión, baja conductividad eléctrica y térmica, buena estabilidad química, resistencia a la compresión. La cerámica incluye los trabajos de alfarería, porcelana, ladrillos, baldosas y azulejos de gres. Estos productos no sólo se utilizan con fines decorativos o para servicio de mesa, también se utilizan en los materiales de construcción, e incluso para fabricar soportes magnéticos. Las partículas de óxido de hierro constituyen el componente activo de muchos medios de grabación magnética, como las cintas de casete y los disquetes o discos de ordenador (computadora). Los aislantes cerámicos tienen una amplia variedad de propiedades eléctricas y han reemplazado a los materiales convencionales. Se han descubierto en fechas recientes propiedades eléctricas de superconductividad, en la familia de compuestos cerámicos basados en óxido de cobre, a temperaturas mucho más altas que a las que ciertos metales experimentaban este fenómeno. En la tecnología espacial se utilizan unos materiales cerámicos llamados cermets para fabricar la parte delantera de los cohetes, las placas resistentes al calor de los transbordadores espaciales y otros muchos componentes. Los cermets son aleaciones de alta resistencia al calor que se obtienen mediante mezcla, prensado y cocción de óxidos y carburos con metales en polvo. Características Básicas de los Materiales de fricción para la Fabricación de Balatas.
Los requerimientos básicos del material de fricción son los que establece la propia aplicación del producto, los más relevantes son: • Presentar un coeficiente de fricción adecuado y estable a cualquier rango de temperatura y presión. • Mantener un equilibrio entre abrasión y resistencia al desgaste. • Una cierta compresibilidad, tanto en frío como en caliente, que haga que el material absorba vibraciones e irregularidades de la otra superficie con la que entra en contacto. • Una buena resistencia al choque y al cizallamiento. El parámetro básico que define cualquier material de fricción es su coeficiente de fricción (µ). Durante el desarrollo de nuevas formulaciones, el coeficiente de
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fricción es ensayado en los dinamómetros de inercia, así como en la máquina de presión constante. Una vez pasada esta fase se ensayan directamente en vehículos equipados para la adquisición de los datos que el ensayo produzca. El coeficiente de rozamiento o coeficiente de fricción expresa la oposición al movimiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto. Es un coeficiente adimensional. Usualmente se representa con la letra griega μ (mu). La mayoría de las superficies, aun las que se consideran pulidas son extremadamente rugosas a escala microscópica. Cuando dos superficies son puestas en contacto, el movimiento de una respecto a la otra genera fuerzas tangenciales llamadas fuerzas de fricción, las cuales tienen sentido contrario a la fuerza aplicada. La naturaleza de este tipo de fuerza está ligada a las interacciones de las partículas microscópicas de las dos superficies implicadas. El valor del coeficiente de rozamiento es característico de cada par de materiales en contacto; no es una propiedad intrínseca de un material. Depende además de muchos factores como la temperatura, el acabado de las superficies, la velocidad relativa entre las superficies, etc. Compresibilidad es el cambio de espesor en las pastillas por la aplicación de una fuerza normal a la superficie de las pastillas. Conductividad Térmica En los materiales de fricción es la propiedad para la cual tienen la capacidad de transmitir el calor hacia su interior. En el caso de las pastillas de freno es muy importante que la conductividad térmica sea capaz de evacuar el calor hacia el exterior de la pastilla pero se debe controlar ya que si ese calor pasase a través del soporte metálico hasta la pinza, llegaría hasta el liquido de freno, lo cual provocaría que este entre en ebullición con las consecuentes perdidas de eficiencia en frenada. La Fuerza de Cizalladura es la resistencia que presenta el material de fricción a ser separado del soporte cuando sobre el actúa una fuerza tangencial. Este valor es de los más importantes ya que la pastilla de freno cuando se encuentra frenando esta sometida a solo a las fuerzas normales contra el disco sino también a grandes esfuerzos tangenciales que son los que realiza el disco al intentar arrastrar las pastillas en el sentido de giro.
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Partes de una balata de freno de disco.
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Disco de freno. Material. El material 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. El disco puede ser macizo o con huecos (ventilado), por donde circula el aire en forma de ventilador centrífugo En la antigüedad los vehículos montaban sistemas de frenado que consistían en un tambor hecho de hierro que en su interior estaba las zapatas de freno que se accionaban cuando el conductor pisaba el freno, las zapatas se expandían y producían un rozamiento contra el tambor provocando así el frenado. Pero cuando se abusaba mucho del freno se sentir la falta de eficiencia en la frenada ya que alcanzan unas temperaturas muy elevadas por la fricción de materiales, por lo que pronto se verían sustituida por los frenos de discos normalmente en el tren delantero y tambores en la parte de atrás. Actualmente, mucho de los modelos ya montan discos tanto en el tren delantero y trasero para mejorar la eficiencia de frenado, dado que la diferencia entre usar un sistema y otro es más que notoria la ventajas del disco sobre el tambor de freno.
Tipos de discos de frenos Los tipos de discos que podemos ver en la actualidad son muy variados aunque por excelencia en los modelos convencionales actuales se montan disco ventilado delante y un disco macizo detrás suficiente para coches de 100cv. Pero en el mercado existe mucha variación entre modelos y motorizaciones lo que provoca que aquí existan variaciones, vamos analizar los discos de freno:
–Disco macizo: es una pieza solida de metal que mediante la fricción de pastillas, presionadas por una pinza de freno contra los discos de freno es capaz de detener el vehículo, muchos de estos discos los veremos en la parte delantera de coches poco
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potentes(golf 3 Diesel, por ejemplo) o en la parte trasera de muchos coches actuales o con más de 100cv, son la diferencia, por ejemplo, los puentes traseros de un saxo 1,1Lde 60 o 1,4L 75cv con tambor a los 1,6L o 1,6 16v con 90/100 o 120cv respectivamente con disco en el puente trasero. –Discos ventilados: montados en la mayoría de vehículo la diferencia con los macizos es que llevan ventilación interna que permite una disipación del calor más rápido y una respuesta de frena más óptima, una gran mejora.
Discos de freno ventilados –Discos ventilados y perforados: tiene ventilación interna y se diferencias por que tiene unas ranuras o perforaciones por la superficie de los discos, permite un mayor grado de eficiencia en el frenado, lo encontraremos en vehículos más potentes que la media, mercedes AMG y coches por el estilo.
Frenos de discos ventilados y perforados –Discos cerámicos de carbono: tenían hace tiempo aplicaciones deportivas en la F1 o deportes de competición automovilística aunque Brembo en 2002 equipo el Ferrari Enzo de 2002 con ellos, le siguieron Lamborghini, Mercedes, Chevrolet, entre otros.
Frenos de disco cerámicos Actualmente se pueden ver muchos coches en los Ralis nacionales con este sistema, se caracterizan por su color rojo que generan al frenar, necesitan ser calentados antes de iniciar carrera ya que trabajan en una franja de temperatura.
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Frenos de discos cerámicos rojo Actualmente en España si quieres modificar la potencia de frenada de un vehículo deberás hacer una reforma en ficha técnica, para ser homologable.
Temperatura de los sistemas de freno de disco y de tambor. Disco Vs. Tambor
El sistema de frenos de disco se fue desarrollando a la vez que se iban fabricando automóviles cada vez más potentes y pesados, que necesitaran de una respuesta segura, rápida y fiable cuando se accionara su sistema de frenado. Es por tanto, el sistema de frenos de disco, una evolución de los sistemas de frenado en los automóviles y son muchas las ventajas que presentan frente a los tradicionales frenos de zapata y tambor, como a continuación se exponen. Los frenos de discos constituyen un sistema más compacto, ligero de peso y que ocupa menos volumen que los frenos de tambor para iguales prestaciones. Y aunque la superficie de fricción en los frenos de disco suele ser menor a igualdad de tamaño (placa plana en el disco, curva en el tambor) supera al de tambor en resistencia al calentamiento, debido a que es posible una mayor ventilación del disco, al no trabajar encerrado como ocurre con los frenos de tambor. Además, las pastillas de los frenos de disco son más progresivas en la frenada, ya que no se acuñan como sucede con las zapatas y los tambores, dando como resultado una frenada más uniforme. Otra de las ventajas de los frenos de disco como consecuencia de estar mejor ventilados, es que pueden ofrecer una frenada más enérgica, que se traduce en una menor distancia necesaria para la
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parada del vehículo. Esto es así, porque los elementos de fricción en el caso de los frenos de disco van montados al aire, que proporcionan una mejor refrigeración, por lo que la absorción de la energía cinética y su transformación en calor se puede realizar más rápidamente. Por último, otra de las ventajas que merecen ser tenidas en cuenta en los frenos de disco, sobre todo en aquellos donde se usen pastillas de freno de cierta calidad cuyo coeficiente de fricción del material no se altere con la temperatura, es que en ellos no aparece el fenómeno de "fading" que suele presentarse con más asiduidad en los frenos de tambor.
Temperatura de los discos de freno. El "fading" es uno de los fenómenos más peligroso que se pueden presentar en un sistema de frenado, ya que consiste en la pérdida de eficacia de la frenada cuando se calienta. Este fenómeno suele ocurrir por ejemplo en un frenado enérgico o en una situación con frenadas sucesivas (cuando se baja una pendiente pronunciada con el pedal de freno accionado). En este caso, la temperatura entre las superficies en fricción se eleva en gran medida (incluso, por encima de los 650 ºC). Así, los frenos de tambor no dan abastos para evacuar con rapidez todo este calor que se genera. Como resultado el tambor se dilata alejando la superficie de adherencia del contacto con las zapatas, por lo que el vehículo podría quedar por momentos sin freno. En el caso de los discos de frenos, si las pastillas empleadas son de buena calidad, su coeficiente de fricción, que en condiciones normales ronda un valor μ=0,45, al alcanzar unas tempera turas próximas a los 600-650 ºC comienza a bajar ligeramente, pero siempre manteniendo un valor superior a μ=0,35, por lo que la frenada es todavía efectiva y permite mantener el control del vehículo. Sólo en el caso que el
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material que compone las pastillas de freno sea de baja calidad tal que su coeficiente de fricción, por efecto de la temperatura, baje por debajo del límite de μ=0,25, entonces puede resultar peligroso, dado que no sería suficiente para mantener una frenada efectiva. Recordar en todo caso, que el fenómeno "fading" es transitorio, es decir, un sistema de freno que se calienta en exceso y termina desarrollando el fenómeno de "fading", cuando se enfría (por ejemplo, dejando un tiempo sin accionar el pedal de freno) vuelve a su situación original, es decir, las pastillas recuperan su coeficiente de fricción normal y vuelven a ser operativas.
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Conclusión. Es indiscutible que los frenos son uno de los sistemas de seguridad más importantes (si no el que más) del vehículo y que son imprescindibles para perpetrar nuestra integridad, ya que son el principal medio de protección con el que contamos en la carretera, cuando vamos al volante de un coche. El sistema de frenos nos ayuda a disminuir la velocidad y a detener el vehículo, por eso, tiene que funcionar con precisión, y nosotros, como ingenieros debemos asegurarnos de su correcto funcionamiento, preocuparnos de usar el mejor material posible para la elaboración de las balatas, además de dar resistencia y durabilidad, determinando un coeficiente de fricción adecuado a cualquier rango de temperatura y presión, además mantener un equilibrio entre abrasión y resistencia al desgaste y cierta compresibilidad, tanto en frío como en caliente, que haga que el material absorba vibraciones e irregularidades de la otra superficie con la que entra en contacto. Una buena resistencia al choque y al cizallamiento.
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