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Sistema de Frenos

Indice curso

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).

En algunos modelos de bomba, la salida de líquido para el mando de los frenos traseros esta provista de una "válvula de presión residual", cuya misión es la de retener una pequeña porción de líquido en este circuito para dificultar las entradas de aire, como ya se ha explicado.

 

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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