Descripción y eficacia del sistema de frenado

Descripción y eficacia del sistema de frenado

El sistema de frenado es el conjunto de órganos que tienen por función disminuir y detener la velocidad de un vehículo en movimiento de forma controlada, estable y eficaz, o mantenerlo inmóvil cuando se encuentra detenido.

Para ello, este sistema debe contrarrestar la fuerza que desplaza el vehículo (fuerza de impulsión) desarrollando una fuerza de sentido contrario (fuerza de frenado). En los automóviles, la fuerza de frenado se realiza transformando la energía cinética del vehículo en energía térmica (calor) por la fricción de un elemento móvil (tambores o discos de freno) con un elemento inmóvil (zapatas o pastillas de freno). El calor generado se disipa por radiación a la atmósfera.

Fuerza de frenado
Fuerzas de impulsión y de frenado

El sistema de frenado debe lograr detener el vehículo en la menor distancia posible y bajo cualquier condición, lo cual implica una elevada exigencia de diseño y fabricación.

Eficacia del sistema de frenado

La eficacia de frenado es la magnitud del rendimiento del sistema de frenado: el vehículo debe detenerse en un tiempo y distancia mínimos aplicando un esfuerzo sobre el pedal moderado. Se cuantifica por la deceleración (aceleración negativa) que sucede durante el proceso de frenado. Se considera que la eficacia del sistema de frenado alcanza el 100% cuando la deceleración medida es igual a la aceleración de la gravedad (9,8 m/s2), también representada como 1G. En el desarrollo y transcurso de la frenada participan múltiples factores influyentes en la eficacia, por lo cual resulta necesario conocer unos conceptos previos:

Deceleración

En física, la aceleración (a) es la magnitud que indica la variación de velocidad de un cuerpo en una unidad de tiempo, es decir la unidad de medida que indica cuanto se incrementa la velocidad en un tiempo determinado, por convención de medida establecido en 1 segundo. Por lo general, se entiende que dicha variación es positiva, es decir, que el objeto aumenta de velocidad según transcurre el tiempo. Cuando la variación es negativa (como en una frenada) se denomina comúnmente deceleración o desaceleración.

aceleracion y deceleracion
Aceleración y deceleración máximas

La aceleración se calcula restando la velocidad inicial a la velocidad final para obtener la diferencia o incremento de velocidad y dividiendo el resultado entre el tiempo transcurrido en el proceso. La deceleración se calcula de igual forma pero obteniendo un resultado negativo por ser la velocidad final necesariamente inferior a la velocidad inicial ( disminución de la velocidad). La aceleración se expresa en m/s2 y es un valor básico para calcular las fuerzas y distancias de frenado.

Cuando el cálculo de la deceleración de un vehículo resulta inferior a 9,8 m/s2 se obtiene una eficacia de frenado inferior al 100% y si resulta superior una eficacia superior al 100%, por extraño que pueda parecer. La eficacia de frenado 100% no es la máxima posible, tan solo un valor arbitrario consensuado a nivel mundial. Una magnitud referida a un valor aceptado como referente común consensuado y establecido como método de indicación habitual.

En competiciones automovilísticas, por ejemplo, se suele indicar la deceleración sufrida por los pilotos en los impactos sufridos en los accidentes, que resulta en valores muy superiores a 1G (9,8 m/s2) dada la gran velocidad inicial y el corto espacio de tiempo que tarda el vehículo en detenerse al colisionar con otros objetos.

La gravedad es la fuerza de atracción que ejerce la enorme masa del planeta Tierra sobre la materia que la rodea.  La fuerza de la gravedad aplicada sobre un objeto suspendido en el aire provocará su desplazamiento en dirección a la superficie terrestre incrementando su velocidad en 9,8 metros cada segundo. De este modo, si la caída del objeto durase 3 segundos, su velocidad al impactar contra el suelo seria de 9,8 x 3 = 29.4 metros por segundo por actuar la gravedad a su favor, acelerando su movimiento. De forma inversa, un objeto en movimiento ascendente desplazándose a 29.4 metros por segundo sin ninguna fuerza a favor tardará 3 segundos en alcanzar la velocidad 0 por actuar la gravedad en su contra como fuerza de deceleración.

Energía cinética

La energía cinética (Ec) es la resultante del trabajo desarrollado para lograr el desplazamiento de un objeto, es decir, la fuerza aplicada sobre un cuerpo durante cierto tiempo para que este alcance una determinada velocidad. La energía cinética de un cuerpo se obtiene de dos valores fundamentales; la masa (m) del objeto y la velocidad (v) a la que se desplaza: a mayor masa o velocidad, más energía cinética se acumula. Para detener un vehículo, el trabajo desarrollado por la fuerza de frenado debe ser superior a la energía cinética del mismo, de lo contrario solamente se conseguiría reducir su velocidad, pero no detenerlo por completo. Su resultado se expresa en Joules (J).

La energía cinética acumulada por la materia es la responsable de que esta continúe en movimiento un determinado tiempo aun cuando no actué  sobre ella ninguna fuerza externa a favor, efecto conocido como movimiento inercial o inercia. En ese momento se considera que la fuerza que mantiene el movimiento es la desarrollada por la energía cinética acumulada en la materia, que es la energía previamente empleada para lograr el desplazamiento y conseguir una determinada velocidad que no se ha transformado en otro tipo de energía ( calor por fricción por ejemplo).

Energia cinetica

El efecto de la masa de un automóvil sobre la energía cinética es sencillo, a más peso, mayor fuerza de frenado se necesita, del mismo modo que fue necesaria mas energía para lograr la velocidad . Un ejemplo sería la diferencia de fuerzas necesarias para detener un automóvil de 1.500 kg y un camión de 3.000 kg que circulan a 30 km/h (8,33 m/s). Para detener el camión, sería necesaria el doble de fuerza de frenado.

La importancia de la velocidad sobre la energía cinética resulta mucho mayor, puesto que no afecta de forma lineal, sino que aumenta exponencialmente (al cuadrado). Eso quiere decir que dos vehículos de igual peso, desplazándose uno de ellos al doble de velocidad que el otro, 30 km/h (8,33 m/s) y 60 km/h (16,67 m/s), no requerirá el doble de fuerza de frenado para detenerse, sino cuatro veces más.

Fuerza de ejecución

La fuerza de ejecución es la fuerza que realiza el conductor sobre el mando del freno para modular la frenada. Según la magnitud de dicha fuerza se obtendrá una potencia de frenado mayor o menor. En los automóviles antiguos, la fuerza de frenado necesaria era desarrollada de forma directa por el conductor. Hoy en día el conductor, en muchos casos, no podría ejercer la fuerza suficiente como para de tener el vehículo en la distancia idónea; por ello, se multiplica la fuerza mediante palancas o circuitos hidráulicos consiguiendo así mayor poder de fricción y una utilización más cómoda del sistema de frenos.

Fuerza de frenado

Es la fuerza que se desarrolla para disminuir la velocidad o detener el vehículo, se calcula multiplicando la masa (m) del vehículo por la deceleración (d) y su resultado se expresa en Newtons (N). Traducido al vehículo, es la fuerza total que desarrollan las pastillas contra los discos de freno, por eso no se tienen en cuenta factores como la adherencia del neumático.

Representación y fórmula de la fuerza de frenado
Representación y fórmula de la fuerza de frenado

La fuerza de frenado total del vehículo es la resultante de la suma de las fuerzas de frenado realizadas por todos los elementos frenantes del vehículo.

Para frenar un vehículo A de 2500 kg y lograr la misma deceleración que un vehículo de B 1250 kg de modo que ambos se detengan en la misma distancia partiendo de la misma velocidad inicial el equipo de frenos del mas pesado deberá desarrollar el doble de fuerza que el del vehículo mas ligero. Por ello los vehículos deben disponer de un equipo de frenado acorde a su peso y el de su carga como mínimo, de modo que en condiciones de adherencia aceptables todos los vehículos puedan detenerse en distancias parecidas. La fuerza desarrollada por los elementos de frenado debe garantizar la seguridad del propio vehículo y de los demás usuarios de la vía.

El sistema de frenos debe ser capaz de desarrollar una fuerza de frenado mayor que la suma de las fuerzas contrarias, es decir, a la suma de la fuerza de impulsión desarrollada por la energía cinética, la fuerza de la gravedad en caso de estar situado el vehículo sobre un plano inclinado y la fuerza del motor transmitida a las ruedas ( si el motor se encuentra empujando). En la actualidad, la potencia de frenado máxima de los automóviles supera con creces tales exigencias, siendo la adherencia de los neumáticos sobre el pavimento el factor determinante en la eficacia y deceleración reales conseguidos.

Efectos producidos por la transferencia de pesos

La fuerza de frenado debe distribuirse entre las ruedas en función del peso que soportan, el cual varía según la disposición del motor, caja de cambios, número de ocupantes, etc. 

Puesto que el vehículo no es un "elemento sólido rígido" y posee gran parte de su masa suspendida, la fuerza inercial resultante de la energía cinética produce una transferencia de la carga de atrás hacia adelante durante la frenada, sobrecargando el eje delantero y modificando la capacidad de frenado máxima de cada rueda. Coloquialmente este efecto se conoce como "cabeceo". 

Por este motivo, los frenos se disponen para que actúen más intensamente sobre las ruedas delanteras, ya que dicha sobrecarga aumenta su adherencia y eleva su punto de bloqueo. El bloqueo sucede cuando la fuerza de frenado supera el límite de adherencia del neumático sobre la superficie.

El reparto de frenado varía en cada vehículo en función de la distribución de pesos, el centro de gravedad, la dureza de la suspensión, etc, pero suele ajustarse de manera que se reparta entre un 55 y un 70% en el eje delantero y entre un 30 y 45% en el eje trasero. La distribución de frenada inicial se consigue montando unos frenos delanteros de mayor diámetro y superficie que los traseros. Adicionalmente y como sistema de distribución activa, se utilizan correctores de frenada hidráulicos para el eje trasero (actualmente sustituidos por la regulación antibloqueo de ruedas del ABS).

Equipo de fricción completo

La rápida basculación del vehículo durante la transferencia de pesos puede llegar a provocar el bloqueo de las ruedas, alargando la distancia de frenado. Si el bloqueo ocurre en las ruedas delanteras, se produce una pérdida de la dirección y del control de trayectoria del vehículo. Si este fenómeno ocurre en una curva, se denomina subviraje. Si el bloqueo se produce en las ruedas traseras, el vehículo tiende a girar sobre si mismo y pivotar sobre su eje delantero. A este fenómeno se le denomina sobreviraje.

También puede llegar a producirse la alteración de la trayectoria sin producirse el bloqueo de las ruedas. Esto ocurre por un frenado desequilibrado entre las ruedas de un mismo eje. Si la adherencia sobre el terreno es igual en ambas ruedas, su causa es un defecto en el sistema de frenos que resulta más perceptible cuanto mayor es la velocidad.

Basculación del vehículo durante la frenada
Basculación del vehículo durante la frenada

Superficie de contacto

Es la superficie en la que dos elementos entran físicamente en contacto y se mide en m2. En los sistemas de freno suele referirse a la superficie de rozamiento entre la pastilla y el disco, entre la zapata y el tambor, o entre el neumático y la calzada; en todos los casos, a mayor superficie de contacto, mayor fuerza de frenado. La variación de las dimensiones de alguno de los elementos mencionados influye directamente sobre la fuerza de frenado.

Si se reduce el área de contacto entre la pastilla y el disco o la zapata y el tambor aumenta la temperatura en la zona de fricción ya que se reduce la superficie para transmitir el calor. Esto puede provocar el sobrecalentamiento en los elementos de frenado, reduciendo su eficiencia y la duración de los mismos.

El sistema de frenado basa su rendimiento en la fricción y en la transmisión de calor; cuanto más calor se evacue, más energía cinética se transformará y el frenando el vehículo de manera más eficaz.

Ventilación del disco de freno

Coeficiente de fricción

Este parámetro expresa el poder de fricción, es decir, la fuerza de oposición al movimiento en dirección opuesta que ofrecen las superficies de dos elementos en contacto, se representa con la letra griega μ (mi) y cuanto mayor sea su valor, mayor será la fuerza de frenado.

La mayoría de superficies, aunque a simple vista parezcan pulidas, a escala microscópica muestran rugosidades que al estar en contacto y ser puestas en movimiento una respecto a la otra, crean una fuerza contraria a la dirección del movimiento. La magnitud de esta fuerza depende de las partículas que forman las superficies implicadas, es decir, los materiales empleados en la fabricación de las mismas.

Existen dos tipos de fricción; la estática y la dinámica. La fricción estática es la resistencia que impide que un cuerpo inicie el movimiento y la dinámica es la magnitud constante que se opone al movimiento una vez este ha comenzado. Para determinar el coeficiente de fricción de los diferentes materiales utilizados en los sistemas de frenos, se analiza su comportamiento en los denominados dinamómetro de inercia y dinamómetro de Krauss. Una vez superada esta fase, se prueban directamente en vehículos equipados con sensores específicos para recopilar los datos necesarios de temperatura, vibración, etc. A continuación algunos ejemplos:

Tabla de coeficientes de fricción de algunos materiales
Tabla de coeficientes de fricción de algunos materiales

En el sistema de frenado se tiene en cuenta el coeficiente de fricción entre el ferodo de la pastilla o zapata y el metal utilizado en la fabricación de los discos y tambores.

Coeficiente de adherencia

Es el coeficiente de fricción entre el neumático y el asfalto y al igual que el coeficiente de fricción, es un valor experimental y se determina sobre un valor máximo de 1. En última instancia, el contacto del neumático con el terreno es lo que determina la eficacia y el límite de la fuerza de frenado real del vehículo. El coeficiente de adherencia depende de los materiales empleados en la fabricación del neumático, su desgaste y superficie de contacto, la velocidad y el tipo de terreno por el que se desplaza. Por ejemplo: un valor alto (0,9) corresponde a un neumático en buen estado junto a una superficie rugosa y muy adherente, mientras que un valor bajo (0,2) puede darse en condiciones de un pavimento mojado junto con neumáticos desgastados.

Tabla de ejemplo de los coeficientes de adherencia del neumático
Tabla de ejemplo de los coeficientes de adherencia del neumático

En la tabla podemos ver como a igualdad de compuestos, un neumático desgastado tiene más adherencia en una calzada seca que un neumático nuevo, esto se debe a la relación que existe con la superficie de contacto. Un neumático nuevo dispone de ranuras de aproximadamente 8 mm de profundidad que sirven para evacuar el agua en caso de circular por una calzada mojada. Estas mismas ranuras, reducen la superficie de contacto total del neumático. Al tratarse de un neumático usado, estas ranuras ven reducida su profundidad (el mínimo legal es de 1,6 mm) aumentando a su vez la superficie y la adherencia del neumático.

Con la calzada mojada pasa lo contrario, esa mayor superficie del neumático usado crea menos presión sobre el suelo, por lo que no puede romper la tensión superficial del agua que se encuentra en la calzada, favoreciendo al "aquaplaning".

¿Sabías que...?

El momento de mayor adherencia del neumático es cuando está deslizando ligeramente. Aproximadamente con un 10% de deslizamiento la fricción dinámica alcanza su valor máximo y la fricción estática todavía no ha desaparecido por completo, incrementándose la adherencia.

Aerodinámica

Cuando el vehículo se desplaza a través del aire aparecen fuerzas generadas por el movimiento de ambos elementos. Estas fuerzas crecen de forma exponencial al aumentar de la velocidad, alcanzando valores significativos únicamente a alta velocidad, por lo que no se suele tener en cuenta en los cálculos de las fuerzas de frenado.

Durante el avance del vehículo, actúan principalmente dos tipos de fuerzas aerodinámicas: la fuerza de sustentación, que actúa de forma perpendicular al avance del vehículo, es decir, lo empuja contra el suelo, y la resistencia aerodinámica; que es la fuerza que actúa en sentido contrario al avance del vehículo, de forma parecida a la fuerza de frenado. Estas fuerzas modifican las cargas dinámicas que soportan las ruedas, es decir, varían el reparto de pesos del vehículo incidiendo en la adherencia de los neumáticos.

La magnitud de las fuerzas aerodinámicas depende de cuatro factores: la densidad del aire, la velocidad (tanto del vehículo como del propio aire), la superficie frontal y el coeficiente aerodinámico del vehículo.

Efectos de la aerodinámica
Efectos de la aerodinámica

En los modelos más deportivos y en competición, se emplean alerones móviles que actúan como frenos aerodinámicos. Cuando el conductor frena a alta velocidad, estos varían su inclinación aumentando la resistencia al aire, la adherencia de la parte trasera del vehículo y limitando la transferencia de pesos.

Fuerza de frenado máxima (sin deslizamiento)

Es la fuerza límite que se puede desarrollar para frenar un vehículo sin producirse deslizamiento de las ruedas sobre la calzada. Se calcula teniendo en cuenta el coeficiente de adherencia del neumático (μ) y el peso (P) del vehículo (en física es la masa multiplicada por la gravedad). Su valor se expresa en Newtons (N).

También se puede calcular la fuerza de frenado máxima para cada eje, en este caso sustituyendo el peso total del vehículo por el que soporta cada eje durante la frenada, por lo que hay que tener en cuenta el reparto de frenada.

Los sistemas de frenos se diseñan teniendo en cuenta estos valores, pues una frenada deja de ser efectiva cuando un neumático se bloquea. Al bloquearse el neumático, el sistema de frenos deja de transformar energía cinética en calor (el disco no se mueve respecto a la pastilla), por lo tanto, el vehículo seguirá desplazándose y la única fuerza que actuará en contra del movimiento será la realizada por la fricción del neumático sobre la superficie de la calzada. El coeficiente de fricción estática de los neumáticos contra el suelo es mucho mayor que el de fricción dinámica (se considera que la superficie de contacto entre el neumático y el suelo es un punto estático que varia constantemente de posición) de modo que puede transmitir mayor fuerza.

Representación y fórmulas de las fuerzas que actúan en un frenado sin deslizamiento
Representación y fórmulas de las fuerzas que actúan en un frenado sin deslizamiento

Difícilmente en condiciones de frenado real se pueda lograr la máxima fuerza de frenado en las 4 ruedas del vehículo de forma simultanea, puesto que el peso que soporta cada rueda y que determina su límite de adherencia varia de forma dinámica durante la frenada. La distribución de pesos sobre las ruedas es demasiado variable. Los pasajeros, la carga, el combustible,la inclinación lateral de desagüe de la calzada, el peraltado en algunas curvas... modifican las condiciones de funcionamiento cada fracción de segundo.

Inclinación de la calzada

Otro factor que no se suele tener en cuenta es el de la inclinación de la calzada, esto es debido a que durante las condiciones operativas normales del vehículo la inclinación suele ser muy pequeña.

Cuando el automóvil circula por una pendiente, actúan dos fuerzas principales: El peso del vehículo (P), que debido a la fuerza de la gravedad se descompone en una fuerza perpendicular al suelo (Py) y en una fuerza longitudinal (Px) en dirección a la base de la pendiente, y la fuerza de fricción (Fr), que siempre se opone al movimiento del vehículo.

Fuerzas que intervienen en una frenada sobre un plano inclinado
Fuerzas que intervienen en una frenada sobre un plano inclinado

Cuando se circula en una pendiente ascendente, tanto el peso del vehículo como la fuerza de fricción actúan en sentido a la base de la pendiente y oponen resistencia al avance del vehículo, por tanto, la fuerza de frenado se verá incrementada como si se dispusiera de un coeficiente de fricción mayor.

Al circular por una pendiente descendiente, la fuerza de fricción sigue oponiéndose al movimiento, pero en este caso el peso desarrolla una fuerza que sigue la misma dirección que el vehículo. En esta situación, la "eficacia" de frenado resulta menor y su fuerza equivaldría a la de un coeficiente de fricción menor.

Distancia y tiempo de frenado

La distancia de frenado (e) es el espacio que recorre el vehículo desde que se aplica el freno hasta que el vehículo se detiene completamente. Con este valor se puede apreciar la eficacia de trabajo del conjunto, siendo el objetivo del sistema que dicha distancia sea la menor posible. Una manera de calcularlo es teniendo en cuenta la velocidad (v) y la deceleración (a) del vehículo. Su valor se expresa en metros (m).

El tiempo de frenado es el tiempo total que necesita el conductor para detener el vehículo completamente. En el tiempo de frenado también influye el conductor además del sistema de frenado. Se calcula dividiendo la velocidad entre la deceleración del vehículo y su valor se expresa en segundos (s). Se puede dividir en las siguientes fases:

  • Tiempo de reacción (t0): es el tiempo que transcurre desde que el conductor toma la decisión de frenar hasta que aplica el freno.
  • Tiempo de respuesta (t1): es el tiempo que transcurre desde que se comienza a accionar el pedal de freno hasta que empieza a actuar la fuerza de frenado.
  • Tiempo umbral (t2): es el tiempo que transcurre desde que empieza a actuar la fuerza de frenado hasta que alcanza un cierto valor; el 75% según la normativa europea.
  • Tiempo de frenado activo (t3): es el tiempo que transcurre desde que empieza a actuar la fuerza de frenado hasta que se detiene el vehículo.
  • Tiempo de frenado total (t4): es el tiempo que transcurre desde que el conductor toma la decisión de frenar hasta que el vehículo se ha detenido completamente.
Gráfica de los tiempos de frenado
Gráfica de los tiempos de frenado

Atención

Debido a los numerosos factores que afectan a la frenada de un vehículo y a que se trata de un sistema de seguridad, no se deben realizar modificaciones en el sistema de frenado. En caso de hacerlas, es necesario que un ingeniero cualificado realice los cálculos y pruebas necesarias para asegurar la efectividad de dicho sistema.