Cómo funcionan los frenos automotrices: guía completa de sistemas de frenos

Frenos automotrices convierta la energía cinética de su vehículo en energía térmica a través de la fricción, deteniendo su automóvil de forma controlada. Cuando presiona el pedal del freno, La presión hidráulica multiplica la fuerza del pie de 3 a 6 veces. , empujando las pastillas de freno contra los discos o tambores giratorios para crear la fricción necesaria para desacelerar. Los vehículos modernos utilizan frenos de disco, frenos de tambor o una combinación de ambos, junto con sistemas sofisticados como ABS y distribución electrónica de la fuerza de frenado para garantizar una potencia de frenado segura y confiable.

La Fundación del Sistema de Frenos Hidráulicos

El sistema hidráulico constituye la columna vertebral del frenado de los automóviles modernos. Cuando pisa el pedal del freno, se activa un cilindro maestro que contiene líquido de frenos. Este sistema sellado funciona según el principio de Pascal, donde la presión aplicada a un fluido encerrado se transmite igualmente por todo el sistema.

Operación del cilindro maestro

El cilindro maestro alberga dos pistones que crean presión en circuitos hidráulicos separados. Los sistemas de doble circuito se volvieron obligatorios en 1967. después de que las normas de seguridad exigieran redundancia: si un circuito falla, el otro mantiene una capacidad de frenado parcial. El cilindro maestro típico genera 800-1200 psi de presión hidráulica durante el frenado normal y hasta 2000 psi durante las paradas de emergencia.

Propiedades del líquido de frenos

El líquido de frenos debe permanecer incompresible en condiciones extremas y al mismo tiempo resistir temperaturas de -40 °F a más de 400 °F. Los fluidos PUNTO 3, PUNTO 4 y PUNTO 5.1 están basados en glicol con diferentes puntos de ebullición:

La naturaleza higroscópica de los fluidos a base de glicol significa que absorben la humedad con el tiempo, lo que reduce el punto de ebullición y reduce el rendimiento de frenado. Los fabricantes recomiendan cambiar el líquido de frenos cada 2 o 3 años. independientemente del kilometraje.

Componentes y función del freno de disco

Los frenos de disco dominan los vehículos modernos debido a su superior disipación de calor y su rendimiento constante. El sistema consta de un rotor unido al cubo de la rueda, una pinza que alberga pistones hidráulicos y pastillas de freno que crean fricción contra el rotor.

Diseño del rotor de freno

Los rotores vienen en varias configuraciones, cada una optimizada para diferentes aplicaciones:

• Rotores sólidos Son piezas fundidas de una sola pieza que se utilizan en los ejes traseros de vehículos económicos donde la generación de calor es menor.
• Rotores ventilados Cuentan con paletas de enfriamiento internas que bombean aire a través del rotor, lo que reduce las temperaturas entre 100 y 200 °F durante el frenado brusco.
• Rotores perforados Tienen orificios que liberan la acumulación de gas y reducen el peso, pero pueden agrietarse bajo estrés térmico extremo.
• Rotores ranurados use ranuras para canalizar el polvo de los frenos y mantener la mordida de las pastillas, común en vehículos de alto rendimiento

La mayoría de los rotores de los automóviles de pasajeros miden entre 10 y 14 pulgadas de diámetro y pesan entre 15 y 25 libras. Las aplicaciones de alto rendimiento utilizan rotores de hasta 16 pulgadas con un espesor que oscila entre 28 y 32 mm para manejar paradas bruscas repetidas desde 60 mph en menos de 110 pies .

Tipos de calibradores y funcionamiento

Las pinzas vienen en dos diseños principales. Las pinzas flotantes utilizan un solo pistón que empuja una pastilla contra el rotor mientras tira del cuerpo de la pinza para aplicar la pastilla opuesta. Este diseño cuesta menos y aparece en la mayoría de los vehículos económicos y de gama media. Fixed calipers mount rigidly and use opposed pistons—typically 4, 6, or 8—to apply pressure evenly from both sides. Las pinzas fijas ofrecen entre un 15 y un 20 % más de fuerza de sujeción con una mejor gestión del calor, lo que los convierte en estándar en autos deportivos y sedanes de lujo.

Composición de las pastillas de freno

Las pastillas de freno modernas combinan múltiples materiales para equilibrar las características de fricción, ruido, polvo y desgaste. Las almohadillas semimetálicas contienen entre un 30 % y un 65 % de contenido metálico, incluidos acero, hierro y cobre, lo que proporciona una excelente transferencia de calor y durabilidad para 40.000-70.000 millas de vida útil . Las almohadillas cerámicas utilizan fibras cerámicas y materiales no ferrosos que producen menos polvo y ruido pero cuestan entre un 40 y un 60 % más. Las almohadillas orgánicas ofrecen un funcionamiento silencioso pero se desgastan más rápido y funcionan mal cuando están mojadas.

Mecánica de frenos de tambor

Los frenos de tambor encierran los componentes de fricción dentro de un tambor giratorio, utilizando zapatas de freno curvas que presionan hacia afuera contra la superficie interna del tambor. Si bien son reemplazados en gran medida por discos en los ejes delanteros, los tambores siguen siendo comunes en los ejes traseros de camiones y automóviles económicos debido a los menores costos de fabricación y la integración efectiva del freno de estacionamiento.

Diseño de calzado delantero y trasero

La mayoría de los sistemas de tambor utilizan una configuración de zapata delantera y trasera. La zapata delantera se mueve en la dirección de rotación del tambor, creando un efecto autoenergizante que multiplica la fuerza de frenado. La zapata de arrastre se mueve contra la rotación, proporcionando estabilidad y evitando el bloqueo. Este arreglo entrega potencia de frenado constante con un 25-30 % menos de esfuerzo del pedal que los sistemas de discos equivalentes.

Función del cilindro de rueda

La presión hidráulica del cilindro maestro ingresa a un cilindro de rueda que contiene dos pistones opuestos. Estos pistones empujan las zapatas de freno hacia afuera contra la tensión del resorte de retorno. El diámetro interior típico del cilindro de rueda mide entre 0,75 y 1,0 pulgadas de diámetro, lo que genera suficiente fuerza para crear 400-600 libras de presión entre el zapato y el tambor .

Limitaciones de disipación de calor

El diseño cerrado atrapa el calor dentro del conjunto del tambor, lo que limita la capacidad de frenado brusco y repetido. Los tambores pueden alcanzar entre 400 y 600 °F durante el uso normal, pero las temperaturas sostenidas por encima de 500 °F provocan que los frenos se desvanezcan a medida que los materiales de fricción pierden efectividad. Esta retención de calor explica por qué los vehículos modernos utilizan frenos de disco en los ejes delanteros, que manejan 60-70% de la fuerza de frenado total durante la desaceleración.

Sistemas de refuerzo de frenos

Los servofrenos amplifican la fuerza del pedal para reducir el esfuerzo del conductor y al mismo tiempo mantener un control preciso. Sin asistencia, detener un vehículo de 3500 libras a velocidades de autopista requeriría más de 150 libras de presión en el pedal, una demanda insostenible para la mayoría de los conductores.

Reforzador de freno de vacío

El refuerzo de vacío utiliza el vacío del colector de admisión del motor para crear un diferencial de presión a través de un diafragma. Cuando presiona el pedal del freno, se abre una válvula para admitir la presión atmosférica en un lado del diafragma mientras mantiene el vacío en el otro. esto Diferencia de presión de 14,7 psi empuja una varilla que asiste al cilindro maestro, multiplicando la fuerza de entrada por 3-4 veces. Un refuerzo típico mide entre 8 y 11 pulgadas de diámetro y se monta entre el conjunto del pedal y el cilindro maestro.

Asistencia de frenado hidráulico

Los motores diésel y los vehículos turboalimentados a menudo carecen de suficiente vacío, por lo que requieren sistemas de asistencia hidráulica. Estos utilizan una bomba impulsada por un motor para presurizar el fluido hidráulico para 2000-3000 psi , almacenado en un acumulador. El sistema proporciona un impulso constante independientemente de la carga del motor y permite funciones avanzadas como el frenado automático de emergencia.

Impulsores electromecánicos

Los vehículos híbridos y eléctricos utilizan servofrenos electromecánicos ya que carecen de funcionamiento continuo del motor. Un husillo de bolas o caja de cambios accionado por motor amplifica la entrada del pedal, proporcionando una respuesta inmediata e integrándose perfectamente con los sistemas de frenado regenerativo que pueden recuperarse. hasta el 70% de la energía cinética durante la desaceleración.

Sistemas de frenos antibloqueo

El ABS evita el bloqueo de las ruedas durante una frenada brusca modulando la presión hidráulica hasta 15 veces por segundo. El sistema mantiene la tracción de los neumáticos, lo que permite el control de la dirección y al mismo tiempo maximiza la potencia de frenado. El ABS reduce la distancia de frenado entre un 10 y un 20 % sobre pavimento mojado y más aún sobre hielo o grava.

Operación de componentes

Cada rueda tiene un sensor de velocidad que monitorea la velocidad de rotación. Cuando el módulo de control ABS detecta que una rueda desacelera más rápido que las demás, lo que indica un bloqueo inminente, ordena a un modulador hidráulico que reduzca la presión en el freno de esa rueda. El sistema pasa por tres fases:

1. Mantener la presión Mantiene la fuerza de frenado actual cuando las ruedas comienzan a patinar.
2. Disminución de presión Libera la presión del freno para restaurar la rotación de la rueda.
3. Aumento de presión vuelve a aplicar la fuerza de frenado a medida que la rueda recupera tracción

Características de rendimiento

Los sistemas ABS modernos procesan los datos de los sensores cada 5 a 10 milisegundos, ajustando la presión de los frenos con una precisión de milisegundos. El sistema típico mantiene una relación de deslizamiento óptima entre el 10 y el 20 %, donde la fricción de los neumáticos alcanza su punto máximo. Esto explica la sensación de pulsación del pedal durante la activación del ABS: el modulador hidráulico hace girar rápidamente las válvulas para controlar la presión.

Distribución electrónica de la fuerza de frenado

EBD optimiza el equilibrio de frenos entre los ejes delantero y trasero en función de las tasas de carga y desaceleración del vehículo. Durante el frenado, el peso se transfiere hacia adelante, lo que reduce la tracción de los neumáticos traseros. El EBD reduce la presión del freno trasero proporcionalmente para evitar el bloqueo prematuro de la rueda trasera y al mismo tiempo maximiza la efectividad del freno delantero.

El sistema monitorea las velocidades de las ruedas individuales y calcula continuamente la distribución óptima de la presión. En una camioneta cargada, EBD podría enviar 75% de la fuerza de frenado al eje delantero , mientras que un deportivo vacío recibe una proporción más equilibrada de 65-35. Este ajuste dinámico mejora la estabilidad y reduce las distancias de frenado en diferentes condiciones.

Requisitos de mantenimiento del sistema de frenos

El mantenimiento adecuado garantiza un rendimiento de frenado constante y evita fallas prematuras de los componentes. Comprender los patrones de desgaste y los intervalos de servicio ayuda a identificar problemas antes de que comprometan la seguridad.

Vida útil de las pastillas y del rotor

Las pastillas de freno generalmente requieren reemplazo cada 30 000 a 70 000 millas, según el estilo de conducción y la composición del material. La mayoría de las pastillas incluyen indicadores de desgaste: pestañas metálicas que entran en contacto con el rotor cuando el espesor de la pastilla alcanza 3 mm, la especificación mínima de seguridad . Los rotores duran entre 50 000 y 100 000 millas, pero es necesario medirlos durante el reemplazo de las pastillas. Un espesor inferior a la especificación mínima o un descentramiento de la superficie superior a 0,002 pulgadas requiere el reemplazo del rotor.

Inspección y reemplazo de fluidos

La prueba del líquido de frenos mide el contenido de humedad y el punto de ebullición. El líquido contaminado aparece de color marrón oscuro en lugar de ámbar claro y puede contener partículas visibles. Las pruebas profesionales muestran que Un contenido de humedad del 3 % reduce el punto de ebullición en un 25 % , lo que aumenta significativamente el riesgo de desvanecimiento durante los descensos de montañas o las paradas bruscas repetidas.

Señales de advertencia de problemas con los frenos

• Los chirridos o chirridos indican que las almohadillas están desgastadas y requieren reemplazo inmediato.
• La pulsación del pedal sugiere rotores deformados con una variación de espesor que excede las especificaciones
• La sensación suave o esponjosa del pedal indica aire en las líneas hidráulicas o desgaste interno del cilindro maestro
• El vehículo que se desplaza hacia un lado durante el frenado indica que los pistones de la pinza están atascados o las pastillas están contaminadas
• El aumento de las distancias de frenado sugiere una degradación general del sistema que requiere una inspección exhaustiva

Abordar estos síntomas rápidamente previene daños a otros componentes y mantiene el margen de seguridad esencial para paradas de emergencia.