Freno de servicio

Sistema hidráulico

El freno de servicio debe ser capaz de detener el vehículo de forma segura, rápida y eficaz, independientemente de la velocidad, carga o pendiente en la que se encuentre. Su trabajo debe ser regulable, y tiene que estar constituido por al menos dos circuitos independientes, permitiendo que el sistema siga siendo funcional en caso de avería de uno de ellos.

En turismos se emplean sistemas de mando hidráulico como freno de servicio, mientras que en los vehículos industriales de mayor tonelaje son más comunes los sistemas neumáticos.

Sistema hidráulico

El sistema está generalmente formado por: un pedal de accionamiento, un servofreno, una bomba hidráulica con depósito para el líquido de frenos, un corrector de frenada para el eje trasero (opcional), un dispositivo de freno (ya sea disco o tambor) y las tuberías que unen los componentes mencionados.

Al accionar el pedal de freno, se desplaza el vástago que lo une al émbolo maestro situado en el interior de la bomba, siendo la fuerza del conductor asistida y aumentada de forma proporcional por el servofreno. El desplazamiento del émbolo cierra el paso de líquido de frenos desde el depósito, sellando el circuito y generando una presión que aumenta al incrementarse la fuerza de accionamiento del pedal. La presión del líquido se transmite por las tuberías hasta los émbolos receptores situados en las pinzas de freno, ejerciendo fuerza sobre ellos y desplazándolos hasta presionar las pastillas contra el disco. La fuerza recibida por las pastillas genera una fuerza de fricción que frena el disco. Al soltar el pedal de freno, retrocede el émbolo de la bomba por la acción de un muelle, abriendo de nuevo el conducto del circuito con el depósito de líquido de frenos, liberando la presión del circuito.

La transmisión de movimiento y fuerzas mediante líquidos se basa en los conceptos físicos del principio de Pascal, que para un mejor entendimiento del sistema, se explican a continuación.

Leyes fundamentales de los líquidos

Los fluidos o líquidos son conjuntos de moléculas separadas a una cierta distancia que se mueven libremente sin variación apreciable de sus propiedades. Estas propiedades son la viscosidad, la tensión superficial, la masa y peso específicos y la densidad, entre otras, y nos permiten caracterizar y cuantificar el comportamiento del líquido en cuestión.

La rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos, tanto en reposo como en movimiento, y sus posibles aplicaciones es la mecánica de fluidos, que establece las siguientes propiedades fundamentales de los líquidos:

  • Isotropía: los líquidos siempre presentan un mismo comportamiento y propiedades independientemente de la dirección. La propiedad contraria se denomina anisotropía.
  • Movilidad: los fluidos carecen de forma propia, se amoldan al recipiente que los contiene.
  • Viscosidad: se define como la resistencia de un fluido a la deformación producida por tensiones cortantes o tensiones de tracción, es decir, al deslizamiento respecto otro objeto. Esta resistencia es proporcional a la velocidad de la deformación.
  • Compresibilidad: es la propiedad por la cual los líquidos disminuyen su volumen cuando son sometidos a presión. En los líquidos, esta disminución es mínima, por lo que comúnmente se dice que un líquido no se puede comprimir.

Principio de Pascal

El principio de Pascal dice que: la presión ejercida sobre un fluido estático, incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente indeformable, se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y puntos de contacto del fluido. Aplicado al sistema de frenos, significa que la presión ejercida por el émbolo de la bomba de freno, se transmite por igual a todos los puntos del circuito hidráulico.

Además, por este mismo principio se consigue multiplicar la fuerza aplicada sobre la bomba con respecto a los émbolos de accionamiento, al igual que en una prensa hidráulica. Esto es debido a la diferencia de diámetro del émbolo maestro (bomba) respecto al émbolo receptor (pinza).

Utilizando como ejemplo la siguiente figura, la fuerza (F1) aplicada en el émbolo de menor superficie (S1), genera una presión (P1) sobre el fluido que se transmite íntegramente al conjunto del mismo. Por el principio de Pascal, esta presión (P2) será igual a la que ejerce el fluido sobre el émbolo de mayor superficie (S2), es decir que P1 = P2.

La presión se define como la fuerza ejercida en una unidad de superficie P = F/S, por lo que si la presión del líquido en el lado del émbolo pequeño es igual a la del émbolo grande, se obtiene la siguiente ecuación:

\( \frac{F_1}{S_1} =\ \frac{F_2}{S_2} \)

Por tanto, la diferencia de fuerzas entre los émbolos será mayor cuanto más diferencia exista entre sus respectivas superficies:

\( F_1\ =\ F_2\ \times (\frac{S_1}{S_2}) \)

\( F_2\ =\ F_1\ \times (\frac{S_2}{S_1}) \)

Ejemplo para el principio de Pascal
Ejemplo para el principio de Pascal

Por ejemplo, si se ejerce una fuerza (F1) de 20 N sobre el émbolo maestro que tiene una superficie (S1) de 2 cm2, ¿cuánta fuerza emitirá (F2) el émbolo receptor el cual tiene una superficie (S2) de 10 cm2?

Para conocer el resultado, primero se utiliza la fórmula antes mencionada para obtener la fuerza del émbolo receptor (F2) y se sustituye por los valores conocidos, quedando de la siguiente manera:

\( F_2\ =\ F_1\ \times (\frac{S_2}{S_1}) =\ 20\ \times (\frac{10}{2}) \)

A continuación se realiza el cálculo, dividiendo primero la superficie del émbolo receptor por la del émbolo maestro (10/2 = 5) y después se multiplicará por la fuerza ejercida (20 X 5) dando un resultado de 100 N. Así pues, la fuerza emitida en el cilindro receptor será 5 veces mayor a la aplicada en el cilindro maestro, pues la superficie es 5 veces mayor.

\( F_2\ =\ 20\ \times (\frac{10}{2}) =\ 20\ \times 5\ =\ 100\ N \)

De la misma manera, el desplazamiento del émbolo receptor (e2) será 5 veces menor que la del émbolo maestro (e1). Esto es debido a que el volumen desplazado por el émbolo maestro será igual al que desplaza al émbolo receptor. Teniendo en cuenta la diferencia de superficies entre ellos, el recorrido resulta inversamente proporcional.

Estructura del circuito hidráulico de frenado

Según la actual normativa, se exige que la instalación del sistema de frenos se realice en dos circuitos independientes como medida de seguridad en caso de avería de uno de los dos circuitos. De esta forma, el circuito afectado dejará de ser práctico pero el otro frenará de manera normal. La separación de los circuitos se realiza en la misma bomba de freno y puede tener cinco configuraciones distintas aceptadas por la normativa: en II, X, HI, LL o HH.

Distribución II

Distribución por eje: un circuito actúa en el eje delantero y el otro en el trasero. Puesto que las ruedas delanteras soportan más peso durante las frenadas, si actuase únicamente el circuito trasero, el sistema de frenado tendría menos de la mitad de su potencia total. Requiere un empleo mínimo de tubería y tiene un riesgo de fallo muy bajo.

Distribución II
Distribución II
Distribución X

Distribución en diagonal: cada circuito actúa sobre una rueda delantera y la trasera opuesta, con esto se consigue una potencia de frenado de un 50% en caso de avería, aunque debido a la mayor potencia de frenado en el eje delantero, puede provocar una frenada desequilibrada. Al igual que en el sistema anterior, no es necesario un gran número de tuberías además de implicar un bajo riesgo de fallo. Es la distribución más utilizada actualmente.

Distribución en X
Distribución en X
Distribución HI

Distribución 4+2: un circuito actúa en las cuatro ruedas y el otro únicamente en las delanteras. Es rara su utilización debido a que en caso de fallo por sobrecalentamiento de los frenos, ambos circuitos se verían afectados.

Distribución HI
Distribución HI
Distribución LL

Distribución triangular: cada circuito actúa sobre las ruedas delanteras y una trasera. Al igual que la distribución HI, está en desuso por la pérdida de eficacia de todo el sistema en caso de sobrecarga térmica.

Distribución LL
Distribución LL
Distribución HH

Distribución en doble diagonal: cada circuito actúa sobre las cuatro ruedas. En caso de sobrecalentamiento, ambos circuitos quedan afectados. Emplea más tuberías, por lo que resulta muy costoso y prácticamente no se ha utilizado en vehículos fabricados en serie.

Distribución HH
Distribución HH