Frenos de disco: Pastillas de freno

Pastillas de freno

Pastillas de freno

Son el elemento fijo del dispositivo de freno y se hallan sujetas por la pinza de freno o su soporte al buje de la rueda. Sobre ellas se produce el principal desgaste del conjunto de fricción debido al roce sobre el disco para realizar el frenado del vehículo. Su desgaste depende de la naturaleza del compuesto utilizado y de la proporción entre las respectivas superficies de los discos y las pastillas.

Pastillas de freno
Vista de unas pastillas de freno

Para realizar correctamente su función, las pastillas deben tener unas cualidades muy específicas:

  • Soportar altas temperaturas sin deformarse.
  • Ser resistentes a la abrasión.
  • Mantener el coeficiente de rozamiento (μ) estable incluso a altas temperaturas.
  • Disponer de buena conductividad térmica.
Tabla de fricción correcta e incorrecta
Tabla de coeficiente de fricción correcto e incorrecto en función de la temperatura

Las pastillas están compuestas principalmente por un soporte metálico de acero que apoya en la pinza de freno, al que se adhiere el material de fricción. El soporte metálico encajado en la pinza mantiene la pastilla en su posición tanto vertical como longitudinalmente, permitiendo únicamente su desplazamiento lateral. El elevado margen térmico de trabajo de las pastillas implica una gran dilatación y contracción, por lo cual las tolerancias mecánicas entre la pastilla y su alojamiento deben ser suficientes para asegurar su movilidad lateral y evitar durezas o bloqueos que alterarían el rendimiento de freno.

Para mantener su posición estable y evitar desplazamientos indeseados, vibraciones y ruidos se utilizan diferentes tipos de clips o láminas metálicas que ejercen fuerza entre el soporte y la pinza de freno para estabilizar su posición cuando el freno no es accionado.

Clips de fijación de las pastillas de freno
Vista de las láminas de fijación en una pinza flotante y otra fija

El material de fricción se une al soporte con adhesivos colocando, en algunos casos, una lámina de material aislante térmico entre ambos. Para reforzar dicha unión se combinan los adhesivos específicos con tetones y taladros de fijación. El material de fricción puede presentar una o varias ranuras que ayudan a limpiar el polvo generado por el desgaste y absorber la dilatación superficial del compuesto de fricción a altas temperaturas.

Sección anterior y posterior de una pastilla de freno
Partes de una pastilla de freno

En la parte posterior de algunas pastillas, se dispone una lámina de goma o metálica adherida sobre el soporte para amortiguar las vibraciones de las pastillas y evitar ruidos. Para minimizar el calentamiento de los émbolos de las pinzas de freno y, en consecuencia, del líquido de frenos, a menudo se coloca una segunda lámina de material aislante térmico en la parte posterior de las mismas, limitando el puente térmico.

Para indicar el momento idóneo en que deben ser sustituidas las pastillas, muchas incorporan un chivato en la pastilla, pudiendo ser mediante un cable y avisador óptico en el cuadro de instrumentos o mediante una pieza metálica que chirría al rozar con el disco de freno (avisador acústico).

Chivato y sensor de de desgaste de las pastillas de freno
Indicadores óptico y acústico del desgaste de las pastillas de freno

Las pastillas de freno deben sustituirse siempre antes del desgaste completo del material de fricción. En caso contrario, la fricción entre el acero del soporte de las pastillas y la superficie de los discos dañará irremediablemente estos últimos, por lo cual será necesaria su sustitución. Se debe proceder a reemplazar las pastillas de freno cuando el grosor del material de fricción es inferior a 2.5 mm. La capacidad de fricción de las pastillas desciende exponencialmente por debajo de este límite, debido a su escasa inercia térmica y rápido calentamiento.

medición del grosor de las pastillas de freno
Medición del grosor mínimo de las pastillas de freno

El desgaste y excesivo calentamiento de las pastillas alarga las distancias de frenado a alta velocidad y compromete la seguridad del vehículo. Igualmente, puede provocar el desprendimiento del material por recocido y su cristalización. En los vehículos que no tienen indicador de desgaste activo, es necesario realizar una comprobación visual regular. En muchos casos, el límite de desgaste se corresponde con la profundidad de la ranura de dilatación.

El material de fricción se conoce popularmente con el nombre de ferodo y se fabrica en multitud de compuestos diferentes según las necesidades y prioridades de cada vehículo.

Gráfica fricción temperatura de pastillas
Gráfica de coeficiente de fricción según el ámbito de utilización de las pastillas

El ferodo está compuesto de distintos materiales que le confieren sus propiedades, siendo los más utilizados los nombrados a continuación.

  • Materiales de rozamiento (fricción): fibras de carbono, aramida (kevlar), cerámica, metales (acero, cobre, latón).
  • Sustancias de relleno (conductores térmicos) : óxido de hierro, óxido de aluminio, espato pesado.
  • Material deslizante (modulación) : polvo de coque y/o grafito, bisulfuro de molibdeno.
  • Sustancias aglutinantes (resistencia estructural): resina sintética y derivados del caucho.

La proporción y cualidades de los materiales utilizados determinan el poder de fricción, desgaste en frío y en caliente, conductividad térmica, modulación, resistencia al "fading" y otras características de rendimiento de las pastillas de freno. El comportamiento de los diferentes compuestos de ferodo se representa en muchos casos mediante gráficos radiales que representan comparativamente sus cualidades.

Gráfica de las características de dos compuestos de fricción
Representación gráfica de características de una pastilla de freno normal y de competición

La calidad y naturaleza de las sustancias aglutinantes, pese a no determinar directamente el comportamiento dinámico de las pastillas de freno, resulta primordial en su formulación. La función de dichas sustancias es la de unir y dar consistencia al resto de materiales y mantener la estructura física del conjunto. Por su naturaleza, tanto las resinas sintéticas (fenólicas) como los derivados del caucho generan gases por descomposición cuando se someten a altas temperaturas (+350ºC).

Recalentamiento, fading y coloración del disco y las pastillas.
Recalentamiento, fading y coloración del disco y las pastillas

Los gases producidos por la descomposición de las resinas en la superficie de contacto de las pastillas con el disco de freno actúan como colchón intermedio entre los materiales de fricción e impiden su contacto. Como consecuencia, el trabajo de fricción entre ambos desciende notablemente y con ello la capacidad de frenado, dando lugar al fenómeno conocido como "fading". A diferencia del "vapour lock", el tacto de pedal es correcto aunque la capacidad de frenado resulta claramente inferior. La descomposición de las resinas aglutinantes asociada al "fading" resulta fácilmente identificable por su olor, y perceptible visualmente tanto en la coloración de los discos de freno como de las pastillas.

Bajo la normativa SAE J866, las pastillas disponen de una clasificación según su coeficiente de fricción, identificada mediante un código de dos letras. La primera letra se utiliza para designar el coeficiente de fricción a baja temperatura (93 - 204 ºC), mientras que la segunda letra designa el coeficiente a alta temperatura (232 - 343 ºC). Esta codificación suele disponerse como prefijo o sufijo del número de serie de las pastillas, siendo las letras utilizadas para ello las siguientes:

Nomenclatura pastillas fricción según SAE J866
Tabla de clasificación de los coeficientes de fricción y su codificación en una pastilla de freno