Del pedal a las pastillas: Explicación de los sistemas de frenos
Es probable que su pie conozca el estado de los frenos de un vehículo y la calidad de las pastillas de freno antes de que su mente lo relacione todo. Piensa en esto: Para detener un vehículo de 4.000 libras es necesario que el conductor pise un pedal para generar fricción en las ruedas. Lo que ocurre entre el pedal y las pastillas puede determinar cuánta presión debe aplicar el conductor para detener el vehículo en una distancia segura.
Los ingenieros ven el sistema de frenos como una ecuación. Cuando el vehículo sale de la línea de montaje, el sistema de frenos en ambos lados de la ecuación está equilibrado porque se conocen las variables. Después de que el vehículo ha tenido su primer juego de pastillas de freno de reemplazo, las variables cambian, y las entradas pueden ya no coincidir con las salidas.
Estos cambios en la ecuación pueden venir de pastillas de freno desgastadas, defectuosas o de baja calidad.
Ecuación hidráulica
Un sistema de frenos hidráulico transforma y amplifica la fuerza. Funciona según el sencillo principio de que el líquido de frenos no es compresible (sí se comprime si se expone a presiones y temperaturas extremadamente altas). Cuando se genera presión en un extremo del sistema, la misma cantidad de presión sale por el otro extremo.
En un sistema de freno hidráulico, el conductor genera fuerza al pisar el pedal de freno. La fuerza es entonces amplificada por el pedal, el reforzador y el cilindro maestro. El conductor modula la presión sobre el pedal para detener el vehículo entre 20 y 120 libras. Si el recorrido del pedal es demasiado largo, el pedal requiere demasiada fuerza o el cinturón de seguridad se siente demasiado apretado, los clientes inconscientemente hacen la llamada que los frenos necesitan la atención de un profesional.
Haciendo las matemáticas
El conductor promedio genera cómodamente un pico de 70 libras de fuerza en la almohadilla de goma en el extremo del pedal de freno durante una parada moderada. El pedal de freno no es más que una palanca mecánica que amplifica la fuerza del conductor.
La relación del pedal es la longitud total del pedal o la distancia desde el pivote del pedal hasta el centro de la almohadilla del pedal, dividida por la distancia desde el punto de pivote hasta donde se conecta la varilla de empuje.
En los vehículos más antiguos con una disposición de tambor de disco manual, la relación del pedal es de 6,2:1. Esto significa que las 70 libras que el conductor ha aplicado se amplifican ahora a 434 libras (6,2 × 70 libras) de fuerza de salida. El problema es que el recorrido del pedal es bastante largo debido a la colocación del punto de pivote y la conexión del cilindro maestro.
Aumentador de presión de los frenos de vacío
Un aumentador de presión incrementa la fuerza del pedal para que se pueda utilizar una relación mecánica de pedal más baja. Una relación más baja puede producir un recorrido de pedal más corto y una mejor modulación. La mayoría de los vehículos con potenciadores de vacío tienen una relación mecánica de pedal de 3,2:1 a 4:1. El tamaño del diafragma del reforzador y la cantidad de vacío generada por el motor determinarán cuánta fuerza se puede generar. La mayoría de los motores generan alrededor de -8 psi de vacío (no confundir con pulgadas de Hg, o mercurio). Si un potenciador hipotético con un diafragma de 7 pulgadas se somete a -8 psi de vacío del motor, producirá más de 300 libras de fuerza adicional.
Si el cilindro maestro tiene un diámetro de 1 pulgada, la superficie del pistón es de 0,78 pulgadas cuadradas. Si divide la fuerza de salida de 434 libras por la superficie del pistón, obtendrá 556 psi (434 libras divididas por 0,78 pulgadas) en los puertos del cilindro maestro. No está mal para 70 libras de esfuerzo humano.
Si reduce el área de superficie del pistón, obtendrá más presión. Esto se debe a que la superficie es menor, pero la fuerza de salida del pedal sigue siendo la misma. Si usted usó un cilindro maestro con un diámetro de 0,75 pulgadas que tiene un pistón con 0,44 pulgadas cuadradas de área de superficie del pistón, usted obtendría 986 psi en los puertos para el cilindro maestro (434 libras divididas por 0,44 pulgadas). Sin embargo, el recorrido del pedal aumentará.
Seis libras de fuerza en un pedal de freno pueden resultar en 556 psi de líquido de frenos que se dirigen a las pinzas. Entonces, ¿cómo se detiene un coche con esta presión? Si las pinzas tienen un diseño flotante de un solo pistón con pistones de 2 pulgadas de diámetro (área de superficie del pistón = 2πR2), simplemente multiplicamos el área de superficie de los pistones por 556 psi y obtenemos 3.419 libras de fuerza de apriete en ambas pinzas delanteras.
Fricción y líquido
Las fuerzas de apriete y el coeficiente de fricción están en un lado de la ecuación, y el par de frenado está en el otro. Si aumentas cualquiera de las dos variables, estás cambiando la cantidad de par que el sistema puede generar.
Las fuerzas de sujeción se utilizan para generar la fricción que produce el par para detener el vehículo. Aquí es donde entra en juego el «coeficiente de fricción». El coeficiente de fricción se calcula dividiendo la fuerza necesaria para deslizar un objeto sobre una superficie por el peso del objeto. Por ejemplo, si se necesita 1 libra de fuerza para deslizar una pastilla de freno de 1 libra sobre un rotor, el coeficiente de fricción entre los dos materiales es 1,0.
Las fuerzas de apriete y el coeficiente de fricción están en un lado de la ecuación, y el par de frenado está en el otro lado. Si se aumenta cualquiera de las dos variables, se modifica la cantidad de par que el sistema puede generar.
En esencia, los ingenieros equilibran el coeficiente de fricción con los tamaños del pistón y del cilindro maestro para dar al vehículo la cantidad correcta de fuerza de frenado y la sensación del pedal. Si usted aumenta o disminuye el coeficiente de fricción, podría estar alterando el equilibrio.
La realidad
En nuestro ejemplo teórico anterior, estamos ignorando algunos factores del mundo real que influyen en la cantidad de fuerza de frenado. La realidad es que no toda la presión llega a la interfaz entre la pastilla y el rotor. Una parte se pierde con la expansión de los latiguillos de freno. Pero, la mayoría de los factores que pueden aumentar la fuerza del pedal o el recorrido del pedal no son hidráulicos – son mecánicos.
Incluso si toda la presión llega al pistón de la pinza, parte de la fuerza generada se pierde cuando la pinza se flexiona. Si se trata de un diseño de pinza flotante, el movimiento de la pinza sobre las correderas necesario para centrarla en el rotor puede requerir un movimiento adicional del líquido. Si las correderas o la pastilla están agarrotadas, esto puede reducir la fuerza de apriete y causar las fuerzas de apriete desiguales en la pastilla de freno. Esto reduce la huella del material de fricción en el rotor y aumenta la fuerza necesaria para generar una fuerza de frenado suficiente.
La propia pastilla de freno puede aumentar la fuerza y el recorrido del pedal. Y, si el plato de apoyo no tiene suficiente rigidez, se flexionará. Esto influye en los componentes hidráulicos de dos maneras. En primer lugar, la fuerza hidráulica se utiliza para flexionar el plato de apoyo de la pastilla de freno. En segundo lugar, cuando la pastilla se flexiona, altera las fuerzas de sujeción en el rotor. Los bordes de la pastilla pueden tener cargas de sujeción más bajas que el centro de la pastilla. Esto reduce la cantidad de par de frenado que se genera. Pero también puede causar ruido en los frenos debido a la inestabilidad de la fricción en la interfaz de la pastilla y el rotor. Si la pastilla de freno se ha visto comprometida por la deslaminación del material de fricción de la placa de soporte, la cantidad de par que la pastilla de freno puede generar se reduce. Esta reducción del par requiere que el conductor pise con más fuerza el pedal de freno.
Lo único que nunca cambia en la ecuación de frenado es el elemento humano detrás del pedal. Un conductor sólo puede ejercer cierta fuerza sobre el pedal y su mente sólo puede reaccionar con cierta rapidez en una situación de emergencia. Si la mente y el pie están luchando contra un problema con las pastillas o el sistema hidráulico, es de esperar que termine en su taller antes de que ocurra un accidente.