Servofreno

Descripción

La función del servofreno es amplificar la fuerza ejercida por el conductor sobre el pedal de freno. El aumento de la fuerza transmitida a la bomba de freno repercute tanto en la potencia de frenado como en la comodidad de uso del sistema, al requerir menor esfuerzo físico por parte del conductor. Las mayores presiones de trabajo permiten la utilización de elementos frenantes relativamente compactos, lo cual contribuye a disminuir la masa no suspendida del vehículo.

El incremento de la fuerza de salida efectuada por el servofreno puede oscilar entre 5 y 10 veces la fuerza de entrada, en función de la construcción y tamaño del mismo.

El sistema más utilizado es el denominado Mastervac y consiste en un servofreno neumático integrado en serie entre el pedal de freno y el émbolo maestro, situado habitualmente en el vano motor. Su principio de funcionamiento se basa en la diferencia de presiones aplicadas sobre una membrana en un mismo sentido.

Servofreno seccionado
Servofreno seccionado

El servofreno está compuesto por dos cámaras separadas por una membrana -11- o diafragma. La cámara situada en el extremo más cercano a la bomba de freno se denomina cámara de vacío -2- y en ella se encuentra el resorte de retención -14- cuya función es devolver la membrana a su posición de reposo y retenerla durante el accionamiento del pedal de freno. A esta cámara le llega vacío (presión inferior a la presión atmosférica) a través de la válvula de vacío de sentido único -15- al ponerse en marcha el motor. Situada en el lado del pedal de freno se encuentra la cámara de presión -3- que durante el funcionamiento del servofreno será provista de presión atmosférica a través del tapón filtrante -6- y alberga en su interior el cuerpo de mando formado por: el vástago de empuje -4- procedente del pedal de freno, la válvula de presión -8- cuya función es cerrar el paso de comunicación con la cámara de vacío, los resortes -7 y 10- encargados de mantener estables los movimientos de la válvula de presión y el émbolo distribuidor -9-, cuyo cometido es ejercer presión sobre el disco de reacción -12- y este a su vez sobre el émbolo de mando -13- que actuará directamente sobre el émbolo maestro de la bomba de freno.

Componentes del servofreno tipo Mastervac
Componentes del servofreno tipo Mastervac

Funcionamiento

Fase de reposo

Con el servofreno en estado de reposo y con el motor apagado, la membrana y el émbolo distribuidor ejercen presión contra la válvula de presión por efecto del resorte de retención. La posición en la que se encuentra la válvula de presión mantiene abierto el paso que comunica ambos lados de la membrana, por lo que en ambas cámaras existe la misma presión (presión atmosférica, aproximadamente 1000 mbar).

Al arrancar el motor con el pedal de freno en reposo, el aire de ambas cámaras es succionado a través de la válvula de vacío por la propia aspiración del colector de admisión o la bomba de vacío. Las cámaras aún comunicadas reducen su presión por igual, acumulando en este caso de vacío (entre 300 y 500 mbar) por lo que el servofreno no ejerce ninguna fuerza.

Paso a la cámara de vacío abierto
Paso a la cámara de vacío abierto

Fase de accionamiento

Cuando el conductor pisa el pedal de freno desplaza el vástago de empuje en dirección a la bomba de freno. Primero, dicho vástago recupera el juego de mando y después comienza a ejercer presión sobre el resorte de la válvula de presión. El muelle se comprime ligeramente y transmite la presión a la válvula de presión, desplazándola junto con el émbolo distribuidor. El desplazamiento provoca el contacto entre la válvula de presión y el cuerpo central de la membrana, cerrando el paso que comunica las cámaras de vacío y de presión.

Paso a la cámara de vacío cerrado
Paso a la cámara de vacío cerrado

El vástago de empuje contacta y desplaza el émbolo distribuidor hasta presionar y deformar levemente el disco de reacción, transmitiendo su movimiento al émbolo de mando. La válvula de presión permanece estática junto con el cuerpo de la membrana por efecto del resorte de retención. El desplazamiento del émbolo distribuidor respecto la válvula de presión abre el conducto que permite la entrada de aire atmosférico filtrado por el tapón a la cámara de presión de la membrana, estableciéndose una diferencia de presiones entre las dos cámaras del servofreno.

El grado de apertura del paso de aire exterior viene dado por la deformación del disco de reacción, ligeramente flexible. Cuando se realiza una frenada suave y progresiva la deformación es mínima, por lo que el grado de apertura de la válvula, incremento de presión en la cámara y fuerza de asistencia serán pequeños. Cuando se realiza una frenada de mayor intensidad, aumenta la deformación del disco de reacción, siendo la apertura de la válvula, el aumento de presión y en consecuencia, la fuerza de asistencia mayor.

Paso a la cámara de presión abierto
Paso a la cámara de presión abierto

La diferencia de presiones a un lado y otro de la membrana provoca su deformación. Al estar fijada a la carcasa exteriormente, se desplaza por su centro en el sentido de accionamiento del vástago de empuje, ejerciendo fuerza sobre la parte externa del disco de reacción, deformándolo. Al igualarse el recorrido de avance del émbolo distribuidor (consecuencia de la fuerza aplicada por el conductor) y el del cuerpo central de la membrana (provocado por la diferencia de presiones), la válvula de presión vuelve a cerrar el paso de entrada de aire exterior a la cámara de presión, sellando ambas cámaras.

Paso a la cámara de presión cerrado
Paso a la cámara de presión cerrado

Fase de mantenimiento y aumento de fuerza

Al mantenerse pisado el pedal de freno pero sin aumentar la fuerza aplicada, las cámaras se mantienen selladas y por tanto, permanece la asistencia. La fuerza total ejercida sobre el émbolo de mando del servofreno y en consecuencia, sobre el émbolo maestro de la bomba de frenos, es en este momento el valor resultante de la suma de la fuerza ejercida por el conductor sobre el pedal y la generada por la diferencia de presiones sobre la superficie de la membrana.

Como el líquido de frenos no es compresible, al pisar el pedal se establece una fuerza en sentido contrario al émbolo de mando que es transmitida al disco de reacción. Si la presión del circuito es muy elevada provoca su deformación, efecto que hace retornar levemente el émbolo de mando, disminuyendo la fuerza de frenado.

Para realizar mayor fuerza de frenado será necesario pisar con más fuerza el pedal provocando una nueva deformación del disco de reacción y restableciendo la comunicación entre la presión atmosférica y la cara posterior de la membrana. En consecuencia se produce una mayor diferencia de presiones entre ambas cámaras del servofreno y aumenta la amplificación de la fuerza de asistencia.

Fase de retorno

Cuando se libera el pedal para interrumpir la frenada, el vástago de empuje y el émbolo distribuidor retornan solidarios junto al pedal de freno por la acción de sus respectivos resortes y por efecto de la presión hidráulica. Dicho desplazamiento provoca el contacto entre el émbolo distribuidor y la válvula de presión, cerrando el conducto que conecta el aire exterior y la cámara de presión. El conjunto de mando sigue desplazándose a su posición de reposo mientras que la membrana permanece estática por la presión existente en el interior de la cámara de presión. El movimiento de la válvula de presión respecto el cuerpo de la membrana abre el paso que comunica ambas caras del diafragma, siendo la presión existente succionada por el motor a través de la válvula de vacío, creando nuevamente el equilibrio de presiones en el interior del servofreno. La membrana retorna a su posición de reposo por la fuerza ejercida por el resorte de retención.

Apertura del paso durante el retroceso
Apertura del conducto durante el retroceso

Servofreno tándem

Para vehículos que requieren de una gran fuerza de frenado también se utilizan servofrenos tándem, cuya diferencia más significativa es que equipan dos diafragmas en paralelo -2 y 4- separados por una pared intermedia indeformable -3-, de esta manera se obtienen cuatro cámaras de trabajo, dos de presión -12- y dos de vacío -13-. Este diseño es ventajoso para vehículos que necesitan un gran refuerzo de la fuerza de frenado sin aumentar el diámetro del diafragma.El aumento de fuerza prácticamente duplica a la que se consigue con un servofreno simple del mismo diámetro al sumar el trabajo efectuado por la segunda membrana.

Componentes del servofreno tándem
Componentes del servofreno tándem

Su funcionamiento es igual al Mastervac simple. Sin accionar el pedal de freno, el vacío llega a todas las cámaras por los conductos A y B. Una vez se acciona el pedal, el vástago de empuje presiona la válvula de presión que cierra el conducto A. Al mantenerse en movimiento el vástago de empuje respecto la válvula de presión, se deforma el disco de reacción y se separa el émbolo distribuidor, abriéndose el conducto que permite entrar el aire a presión atmosférica hasta las dos cámaras de presión conectadas entre ellas por el conducto B. En este momento se produce la diferencia de presión que desplaza las membranas. La fuerza combinada de las dos membranas y la del pedal de freno actúan sobre el disco de reacción y por lo tanto sobre el émbolo de mando del servofreno.

Una vez se libera el pedal de freno, el vástago de empuje retrocede de forma solidaria al pedal, cerrando el paso que permite la entrada de aire exterior y abriendo posteriormente el conducto A por donde el aire es aspirado hasta restablecer el equilibrio de presiones entre todas las cámaras. Las membranas retornan a la posición de reposo mediante el resorte de retención.