UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO ELECTRÓNICO
EN EL SISTEMA DE FRENOS, PARA EVITAR ACCIDENTES
PROVOCADOS POR EL RECALENTAMIENTO DEL SISTEMA
EN UN VEHÍCULO DE HASTA 1600CC
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA AUTOMOTRIZ
CRISTINA ANDREA MUÑOZ GALLEGOS
DIRECTOR: ING. ALEXANDER PERALVO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
DECLARACIÓN
Yo CRISTINA ANDREA MUÑOZ GALLEGOS, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
Cristina Muñoz
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y construcción de un módulo electrónico en el sistema de frenos, para evitar accidentes provocados por el recalentamiento del sistema en un vehículo de hasta 1600cc.”, que, para aspirar al título de Ingeniera Automotriz fue desarrollado por Cristina Muñoz, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las
condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación
artículos 18 y 25.
___________________
Alexander Peralvo
DIRECTOR DELTRABAJO
DEDICATORIA
Dedico esta tesis a mis padres y hermanos quienes me han
brindado su amor, apoyo y han sido mi mejor ejemplo de
AGRADECIMIENTO
Doy gracias:
A Dios, por darme salud y fuerza para cumplir mis metas.
A mi padre quien me ha enseñado que todo lo que se hace, se lo
hace bien, quien ha estado todo el tiempo apoyándome,
compartiendo sus ideas y consejos, a mi familia por ser el pilar
fundamental en el desarrollo de mi vida y por su apoyo constante.
A mis amigas Blanquita y Augus, quienes han confiado en mí y han
estado siempre alentándome.
A mis amigos que han estado conmigo todo el tiempo.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... x
ABSTRACT ... xi
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 5
2.1 HISTORIA DEL SISTEMA DE FRENOS ... 5
2.2 FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL FRENADO ... 10
2.3 TIPOS DE SISTEMAS ... 10
2.3.1 TIPO DE CONSTRUCCIÓN ... 10
2.3.1.1 Sistema de freno de servicio... 10
2.3.1.2 Sistema auxiliar de freno ... 11
2.3.1.3 Sistema de freno de estacionamiento ... 11
2.3.2 FRENOS EN FUNCIÓN DEL SUMINISTRO DE ENERGÍA ... 11
2.4 FUNCIONAMIENTO ... 12
2.4.1 PEDAL DE FRENO ... 12
2.4.2 SERVOFRENO ... 12
2.4.3 CILINDRO PRINCIPAL ... 14
2.4.4 DEPÓSITO ... 14
2.4.5 LÍQUIDO DE FRENO ... 14
2.4.6 BOMBA DE FRENO ... 15
ii
2.4.8 LAS PASTILLAS ... 15
2.4.9 ZAPATAS ... 16
2.4.9.1 Articuladas ... 16
2.4.9.2 Apoyadas ... 16
2.4.9.3 Flotantes ... 16
2.4.10 TAMBOR ... 16
2.4.11 DISCO... 18
2.5 FUERZAS DE RESISTENCIA ... 23
2.5.1 FUERZA DE FRICCIÓN ... 24
2.5.2 ENERGÍA DEL MOVIMIENTO ... 25
2.5.3 ENERGÍA CALORÍFICA ... 25
2.5.4 FACTORES DE DESLIZAMIENTO ... 25
2.5.5 DESLIZAMIENTO NEGATIVO ... 26
2.5.6 DESLIZAMIENTO POSITIVO ... 26
2.5.7 ECUACIÓN FUNDAMENTAL DEL FRENADO ... 27
2.5.8 ADHERENCIA ... 27
2.5.9 ENERGÍA ... 28
2.5.10 FRICCIÓN ... 29
2.5.10.1 Características de los materiales de fricción... 30
2.6 CALOR PRODUCIDO POR ROZAMIENTO ... 31
2.7 FADING ... 34
2.8 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES ... 36
2.8.1 LÍQUIDO DE FRENOS ... 36
2.8.2 DISCOS DE FRENO ... 37
2.8.3 PASTILLAS DE FRENO ... 38
iii
2.8.3.2 Pastillas Sangsin ... 41
2.9 SENSORES DE TEMPERATURA ... 41
2.9.1 CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES ... 42
2.9.1.1 Según su fuente de energía:... 42
2.9.1.2 De acuerdo a la señal de salida: ... 43
2.9.1.3 Naturaleza de la magnitud: ... 43
2.9.2 PARÁMETROS DE LOS SENSORES ... 43
2.9.3 TIPOS DE SENSORES DE TEMPERATURA ... 44
2.9.3.1 Termocuplas ... 44
2.9.3.2 Termocuplas estándares ... 44
2.9.3.3 Termocuplas no estándares ... 45
2.9.4 TERMISTOR ... 45
2.9.5 RTD ( detector de temperatura resistivo ) ... 47
2.9.6 SEMICONDUCTORES: ... 48
2.9.7 PIRÓMETRO:... 48
2.10 ACCIDENTES DE TRÁNSITO ... 48
2.10.1 DEFINICIÓN DE ACCIDENTES DE TRÁNSITO ... 48
2.10.2 ACTORES DEL ESCENARIO VIAL ... 49
2.11 CLASIFICACIÓN DE LOS ACCIDENTES DE TRÁNSITO ... 49
2.12 NATURALEZA DE LOS ACCIDENTADOS ... 51
2.13 CAUSAS DEL ACCIDENTE ... 51
2.14 ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LOS SINIESTROS DESDE EL MES DE ENERO- ABRIL DEL 2015 ... 54
2.15 ANÁLISIS DE LOS TIPOS DE VEHÍCULOS QUE SUFREN ACCIDENTES EN EL MES DE ABRIL DE 2015 ... 54
iv
2.16.1 OPERACIONALES ... 56
2.16.2 MANTENIMIENTO ... 56
2.17 ACCIDENTES PROVOCADOS POR EL RECALENTAMIENTO DE FRENOS ... 57
3. METODOLOGÍA ... 59
3.1 DISEÑO FUNCIONAL ... 59
3.1.1 PLATAFORMA ARDUINO ... 59
3.1.2 PANTALLA LCD ... 59
3.1.3 REGULADOR DE VOLTAJE ... 59
3.1.4 BUZZER ... 60
3.1.5 TERMOCUPLA ... 60
3.2 CARACTERÍSTICAS DEL PROYECTO ... 60
3.3 PARÁMETROS PARA EL DISEÑO DEL MÓDULO ELECTRÓNICO 60 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN... 61
4.1 OBJETIVOS DE DISEÑO ... 62
4.2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MÓDULO ELECTRÓNICO ... 62
4.2.1 PLACA ARDUINO ... 62
4.2.2 PANTALLA LED ... 64
4.2.3 REGULADOR DE VOLTAJE ... 66
4.2.4 BUZZER ... 66
4.2.5 TERMOCUPLA ... 67
v
4.3 ARMADO DEL CIRCUITO ... 69
4.4 UBICACIÓN DEL MÓDULO ELECTRÓNICO ... 70
4.5 MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN EL SISTEMA DE FRENOS .. 72
4.6 DEFINICIÓN DE TEMPERATURA DE SEGURIDAD ... 75
4.6.1 PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL VEHÍCULO ... 75
4.6.2 PRUEBAS DEL SISTEMA DE FRENOS ... 76
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES... 86
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 86
5.1 CONCLUSIONES ... 86
5.2 RECOMENDACIONES ... 87
NOMENCLATURA O GLOSARIO ... 89
BIBLIOGRAFÍA ... 90
vi
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Características del sistema de frenos ... 6
Tabla 2.Características de los líquidos de frenos. ... 15
Tabla 3. Propiedades mecánicas de un disco de freno ... 18
Tabla 4. Composición química del disco ... 20
Tabla 5. Coeficiente de rozamiento ... 28
Tabla 6. Resistencia aerodinámica y de rodadura frente a velocidad del .... 30
Tabla 7. Clasificación del material por el coeficiente de fricción ... 37
Tabla 8. Temperatura en la superficie de contacto del disco de freno ... 38
Tabla 9. Características de las pastillas SYL ... 40
Tabla 10. Características de los materiales cerámicos ... 41
Tabla 11. Siniestros por tipo a nivel nacional abril-2015. ... 54
Tabla 12.Principales Versiones de Arduino. ... 63
Tabla 13.Rango de temperatura según el tipo de termocupla ... 67
Tabla 14. Tipo de vehículos involucrados en siniestros de tránsito abril 2015.. ... 70
Tabla 15. Marcas y cantidad de vehículos encuestados ... 71
Tabla 16. Prueba de temperatura por kilometraje 1er día ... 78
Tabla 17.Prueba de temperatura por kilometraje 2do día ... 80
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Diferencia de presión en el frenado ... 13
Figura 2. Material del tambor de freno ... 17
Figura 3. Principales dimensiones ... 17
Figura 4. Estructura de un disco de freno. ... 19
Figura 5. Fuerzas entre disco y pastilla ... 21
Figura 6. Cambio de temperatura ... 22
Figura 7. Sistema de frenos con servo asistencia ... 23
Figura 8. Pastillas que sufrieron recalentamiento. ... 35
Figura 9.Materiales que componen las pastillas de freno ... 40
Figura 10. Termistor ... 47
Figura 11. RTDS pueden medir temperaturas hasta 850 ° ... 47
Figura 12. Causas de los accidentes de tránsito terrestres ... 52
Figura 13. Ascienden a 11 los muertos en accidente de tránsito en vía Bogotá – Villavicencio. ... 58
Figura 14. La tractomula quedó volcada sobre la vía Buenaventura - Buga. Jaramillo (2015) ... 58
Figura 15.Elementos de una placa arduino ... 62
Figura 16. Placa Arduino parte posterior ... 64
Figura 17. Placa Arduino con shield ... 64
Figura 18.Pantalla LCD ... 65
Figura 19.Terminales de conexión de la pantalla LCD ... 65
Figura 20.Regulador de voltaje ... 66
Figura 21.Buzzer ... 66
Figura 22.Termocupla tipo K ... 67
Figura 23. Conexión de elementos a la placa Arduino ... 69
Figura 24. Circuito de conexión de elementos ... 69
Figura 25. Resultados del tipo de alerta de preferencia ... 72
Figura 26. Resultados de temperatura de los discos de freno ... 73
viii
Figura 28. Resultados de temperatura del líquido de frenos ... 74
Figura 29.Resultados de temperatura de las pastillas de freno ... 74
Figura 30. Conexión de la termocupla a la mordaza ... 75
Figura 31. Ruta para pruebas ... 77
Figura 32. Temperatura vs kilometraje primer día ... 79
Figura 33. Temperatura vs kilometraje segundo día ... 81
Figura 34. Temperatura vs kilometraje tercer día ... 83
Figura 35. Líquido de frenos Ate, punto de ebullición en húmedo 150ºC ... 84
ix
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
x
RESUMEN
Este proyecto se realizó mediante el diseño y construcción de un módulo
electrónico, mediante el cual se pudo controlar la temperatura excesiva en el
sistema de frenos. El módulo fue realizado ante la necesidad de evitar los
accidentes de tránsito ocasionados por la temperatura elevada en el sistema
de frenos, ya que a nivel nacional a través de los diferentes medios de
comunicación que tenemos todos los días se presentan gran cantidad de
accidentes de tránsito en las vías que provocan muerte, discapacidades,
traumas psicológicos, pérdidas económicas que se quedan para toda la vida.
La muerte por accidentes de tránsito se encuentra en un rango muy alto, por
lo que el objetivo principal es disminuir estas estadísticas. Después de haber
realizado la investigación sobre una de las posibles causas de los accidentes
de tránsito como es la baja eficacia de los frenos en un vehículo por el
recalentamiento de sus elementos y cambios de características fue de suma
importancia encontrar las soluciones al problema con la implementación de
un módulo electrónico en el sistema de frenos que posee dos medidas de
temperatura que son la temperatura actual, que es aquella en la que se
encuentra el sistema y la temperatura de seguridad, que es la que indica el
valor máximo al cual debe llegar el sistema con el fin de disminuir el índice
de accidentes que actualmente es muy alto. El diseño del módulo fue
programado para que al censar un aumento de temperatura y sobrepasar la
temperatura de seguridad encienda una luz en el tablero del vehículo y emita
un sonido que indica al conductor que la temperatura es la inadecuada y si
se sobrepasa dicha temperatura se expone a un peligro potencial, este
proyecto se desarrolló con el fin de que el conductor tome la mejor decisión
xi
ABSTRACT
This project was carried out by the design and construction of an electronic
module, through which could control excessive temperature in the brake
system. The module was made to the need to avoid traffic accidents caused
by the high temperature in the brake system as nationally through various
media that we daily lot of traffic accidents occur in pathways that cause
death, disability, psychological trauma, economic losses are for life. Death by
traffic accidents is in a high range, so that the main objective is to reduce
these statistics. Having done the research on one of the possible causes of
traffic accidents as is the low efficiency of the brakes on a vehicle by the
overheating of its elements and feature changes was important to find
solutions to the problem with the implementation an electronic module in the
brake system having two temperature measurements which are the actual
temperature, which is one in the system and the safety temperature which is
the maximum value indicating which is to reach the system in order to reduce
the accident rate is currently high. The design of the module was scheduled
for the census a temperature increase and exceed the safety temperature
switch a light on the dashboard of the vehicle and emit a sound that indicates
to the driver that the temperature is inadequate and if the temperature is
exceeded exposed a potential danger, this project was developed in order for
1
1. INTRODUCCIÓN
La industria automotriz ha evolucionado con gran velocidad en un proceso
constante, ha creado sistemas que contribuyen al mejor funcionamiento, seguridad y prestaciones del vehículo.
El automóvil cuenta con diferentes sistemas para su funcionamiento, como el
sistema de refrigeración, transmisión, frenos, inyección, etc., los cuales son
complementarios para cumplir las necesidades del conductor. En esta
investigación se hace referencia a dos sistemas del automóvil que son de
suma importancia como el sistema de frenos.
El sistema de frenos puede encontrarse en perfectas condiciones, lo que no
es una razón para pensar que se evita ciertas fallas en el sistema que
conllevan a diferentes accidentes de tránsito, es por ello que la seguridad del
ocupante es la razón primordial para el desarrollo del presente proyecto de
tesis; el cual contribuye a obtener nuevos y más amplios conocimientos sobre la variación de temperatura en el funcionamiento del sistema,
mediante la implementación de un módulo electrónico que advierte al
conductor de una posible falla. En la actualidad la contribución en la
tecnología automotriz avanza con rapidez, por lo que alcanzar grandes
velocidades de conducción no es un problema, por lo cual se ve la
necesidad de implementar un sistema de frenos que actúe en el menor
tiempo y distancia posible, sin perder el control del vehículo y así lograr
detenerlos. El sistema de frenos representa un gran conjunto de elementos
que trabajan coordinadamente e intercambian información, su función
principal es disminuir, anular paulatinamente la velocidad del automóvil o a
su vez impedir el movimiento cuando se encuentre estacionado.
De acuerdo al análisis de Ferrer y Domínguez (2012), el frenado de un
2 deceleración que se produce en el proceso de frenado, es decir que
dependerá de la adherencia entre la rueda y el piso, la fuerza que se aplica
sobre los discos o tambores y el peso que tiene el vehículo, el principal
objetivo de mantener una eficacia en el frenado es que en el momento de
accionar el freno el automotor continúe su trayectoria sin presentar
desviaciones.
Según Arroyo (1996), el sistema de frenos convierte la energía cinética en
energía calorífica, es decir transforma el movimiento en calor, por lo que
mientras el vehículo disminuye su velocidad, la temperatura del sistema de
frenos aumenta, este sistema se ve afectado por la velocidad y el tiempo que
dispone el conductor para disminuirla. Desde el inicio de la implementación
de este sistema se ha visto la necesidad de encontrar materiales de
fabricación que aporten a la disminución de la temperatura que se generan.
Los sistemas de frenos pueden ser de discos o tambor, en los vehículos más
modernos se utiliza los frenos de discos que posee pastillas las cuales al
frenar ejercen presión sobre el disco impidiendo su movimiento y reduciendo
su giro, están diseñadas para producir un alto nivel de fricción y por ello el
material de su fabricación es de suma importancia para abarcar el tema. En
tiempos anteriores los frenos de tambor eran muy utilizados ya que los
vehículos no alcanzaban elevadas velocidades, el tambor se encuentra
girando a la misma velocidad de la rueda, por lo que en su interior cuenta
con zapatas que en el momento que se ejerce la fuerza de frenado se
expanden rozando con el tambor para impedir o reducir su movimiento.
Uno de los enemigos más peligrosos en este sistema es la temperatura, ya
que suele acumularse siendo la falla más común el recalentamiento del
sistema por un accionamiento constante del pedal del freno, lo que no
significa un mantenimiento no controlado o mala conducción del vehículo
pero usualmente van acompañados con accidentes de tránsito. El aumento
de temperatura produce efectos secundarios en la estructura de los
3 de frenado), es decir el calor acumulado que al combinarse con la mayor
exigencia en el apriete del freno llega un momento en el cual se produce un
cambio de color en el disco, en las pastillas produce deterioro y brillo en la
superficie llamado cristalización, este proceso puede dejar al vehículo sin
frenos ya que causa la perdida de las propiedades de los materiales
disminuyendo de manera total o parcial la eficacia del frenado
Cuando el freno ya no responde con la misma energía se puede determinar
que existe una situación de fading, lo cual es muy peligroso en la
conducción, por lo que los fabricantes buscan la solución para disipar el
calor producido entre los elementos del sistema de freno para que la eficacia
de frenado no se vea limitada y transmitir la mayor cantidad de calor al
ambiente y así brindar un frenado paulatino y eficaz. El principal problema
son los accidentes de tránsito en el Ecuador que cada vez sorprenden más a
la población, ya que los factores de riesgo que existen siempre están
latentes y variando de acuerdo al ambiente de desarrollo.
Para evitar que el porcentaje de accidentes siga creciendo es necesario
crear conciencia de responsabilidad en los conductores, pero a su vez es
importante diseñar e implementar nuevos sistemas que protejan al ocupante
de un grave accidente, garantizando su seguridad.
El sistema de frenos se convierte en uno de los sistemas primordiales del
vehículo por lo que evitar sus posibles fallas es de suma importancia, al
accionar el pedal del freno se produce fricción entre materiales para lograr
detener el movimiento, gracias a la transformación de la energía ya que
cuando el calor no es disipado al ambiente se produce el recalentamiento y
con ello una pérdida total o parcial de eficacia de frenado, por ello se ve la
necesidad de la implementación de un módulo electrónico que cumpla las
condiciones de trabajo necesarias para evitar un daño del sistema e informe
al conductor de la elevada temperatura del freno y su posible ineficiencia de
4 principal objetivo de este proyecto es diseñar y construir un módulo
electrónico en el sistema de frenos, para evitar accidentes provocados por el
recalentamiento del sistema en un vehículo de hasta 1600cc, el cuál emitirá
la señal para alertar al conductor por medio de la instalación de un sistema
de alerta visual para que el conductor tome las precauciones necesarias en
caso de recalentamiento del sistema de frenado, con ello la implementación
de un módulo electrónico en el sistema de frenos, se llevará a cabo con el fin
de evitar accidentes provocados por el recalentamiento de este sistema, se
lo aplicará en un automóvil con el fin de que su funcionamiento sea apto
según las características de sus pastillas, zapatas y la fuerza necesaria para
5
2. MARCO TEÓRICO
2.1 HISTORIA DEL SISTEMA DE FRENOS
Al remontarnos a la época antigua, los primeros vehículos fueron creados
con ciertas dudas en sus sistemas, en especial en el sistema de frenos ya
que se pensaba que no eran tan eficaces, ni sus transmisiones las mejores
como para que el vehículo pudiese alcanzar velocidades importantes y que
su sistema de frenos pueda colapsar. (Lucas, 2007)
El freno que existía era accionado directamente por una palanca, para lo
cual el conductor debía generar grandes esfuerzos ya que normalmente iba
aplicado en las ruedas traseras. Los nuevos fabricantes pensaron la forma
de facilitar al ocupante el frenado y mejorar su seguridad. (Shiguango &
Farinango , 2012)
Los dispositivos de seguridad más importantes del automóvil son aquellos
que conforman el sistema de frenos. El conductor solo observa y confía en el
efecto del sistema más no comprende su funcionamiento ni el procedimiento
que se lleva a cabo para poder inmovilizar al vehículo.
Por sistema de frenos se puede comprender como el dispositivo en donde se
desarrollan las fuerzas que se oponen al movimiento del vehículo, las cuales
pueden ser por fricción cuando existe rozamiento entre dos piezas, eléctrico
cuando una fuerza electromagnética actúa sin estar en contacto entre sí,
hidráulico cuando la fuerza es transmitida por un líquido, de motor las
fuerzas son transmitidas por el freno de motor hacia las ruedas. (Lucas,
2007)
El objetivo principal del sistema de frenos es detener el vehículo, según las
condiciones que presente el conductor, es decir que por medio del
6 (2007) el vehículo cuenta con una serie de mecanismos encargados de
mantener las mejores condiciones de seguridad en cuanto a tiempo,
distancia, conservación de la trayectoria del vehículo en el momento de la
frenada, lo cual es proporcional al esfuerzo que realiza el conductor.
El accionamiento del freno debe ser el adecuado, ya que si se lo realiza
bruscamente las ruedas pueden desplazarse sin realizar giro alguno, lo cual
provoca una pérdida de adherencia y como consecuencia un derrape.
El sistema de frenos es indispensable en el funcionamiento y seguridad de
un automóvil, es por ello que se han modificado de manera constante por la
necesidad de mejorar la seguridad del ocupante. (Crouse, 1993)
El sistema de frenos es un conjunto de órganos que intervienen en el
frenado del vehículo, la principal función del sistema consiste en reducir la
velocidad del automóvil, parar el mismo totalmente o anular progresivamente
su velocidad.
Según Shiguango & Farinango (2012), la misión más importante del sistema
de frenos es retener y mantener la parada del vehículo en las condiciones
más favorables es decir con una respuesta rápida en una distancia mínima,
sin afectar a la trayectoria del vehículo, y con un frenado que es proporcional
al esfuerzo del conductor.
Las características principales de un sistema de frenos son las que se
muestran en la Tabla 1:
Tabla 1.Características del sistema de frenos
(Arroyo, 1996)
Eficacia en un tiempo mínimo y distancia corta reducir la velocidad
Estabilidad el vehículo no debe perder su recorrido
Progresividad esfuerzo pequeño del conductor debe causar un frenado eficaz
7 En el proceso de frenado existe una transferencia de pesos por lo que las
ruedas deben tener una fuerza de frenado igual en todos sus neumáticos
para que no pierda estabilidad el vehículo.
Durante el proceso de frenado se puede alcanzar entre las pastillas y el
disco, zapatas y tambores altas temperaturas, por la aplicación de un
esfuerzo que se ejerce sobre el pedal del freno. (Alonso, 2008)
Las distintas situaciones de la conducción de los vehículos hacen que se
produzcan distintas intensidades al frenado, en este caso el conductor
espera no solo la eficacia y seguridad si no un máximo confort de frenado
que no afecte a los ocupantes, por ello el sistema debe cumplir con los
siguientes requisitos:
o Seguridad de funcionamiento
o Confort
o Resistencia térmica y mecánica
o Resistencia a la corrosión
El conductor genera una fuerza de frenado que se lo considera como
dispositivo de actuación, a través de un dispositivo de transmisión por medio
del cual la fuerza de frenado se transmite desde el conductor hacia los
frenos de rueda que son aquellos que retardan el movimiento de las ruedas
del vehículo.
Para un frenado más eficiente en vehículos de mayor peso y tamaño
Shiguango & Farinango (2012), suelen llamar retardadores a los frenos
eléctricos, por fluido y de motor ya que solo actúan cuando el vehículo se
encuentra con velocidad y ayudan a disminuir la velocidad paulatinamente
8 En un vehículo de tracción delantera se puede tener un circuito que frena
una rueda delantera y la rueda posterior trasera que es diagonalmente
opuesta, en un vehículo de tracción trasera se tiene un circuito que frena
cada eje.
La fuerza que se aplica en el pie al activar el freno debe aumentar para
incrementar el efecto de frenado a través de un amplificador de fuerza
llamado servofreno que actúa con depresión producida por el motor en la
cámara de combustión y así incrementar la fuerza provocada por el pie del
conductor hasta 5 veces más potente. (Shiguango & Farinango , 2012)
El sistema de frenos se acciona cuando el conductor pisa el pedal del freno
con el cual se ejerce la presión en el sistema que acciona los elementos de
fricción, que por ello deben mantenerse en excelentes condiciones y por ello
es importante prestar mucha atención a los elementos de fricción ya que su
temperatura se incrementa y trae grandes consecuencias como baja eficacia
de frenado y consumo excesivo de combustible. (Alonso, 2008)
Si el funcionamiento del sistema de frenos es adecuado los componentes de
fricción retornen a su posición normal después de su accionamiento, ya que
si algo impide el retorno de algún elemento incrementará la fricción haciendo
más difícil la circulación del vehículo y su frenado.
El desplazamiento de las pastillas o zapatas permiten entrar en contacto
sobre los discos o tambores respectivamente que se obtiene mediante la
presión trasmitida por el líquido de frenos. (Bosch, 2005)
Al accionar el pedal de freno actúa la bomba de freno que envía líquido a
presión por las cañerías del freno hasta los cilindros de las ruedas, los
pistones de cada cilindro se mueven hacia afuera presionando las pastillas o
9 Cuando el pedal ya no es accionado la presión del líquido baja, haciendo
que los resortes regresen a su posición normal y las pastillas o zapatas
vuelvan a su estado normal y el líquido de frenos regresa a la bomba.
Poseen un purgador el cual es un tornillo hueco con una rosca que permite
abrir o cerrar el paso del líquido de frenos hacia el exterior, su objetivo es
purgar el aire que se encuentra en el sistema y así dejar solo líquido para
que pueda ejercer la presión necesaria y no tener fallas.
Para Shiguango & Farinango (2012), Bosch (2005), es un sistema hidráulico
en el cuál fuerza y presión son la base para su funcionamiento. La fuerza es
un empuje que da el conductor al sistema empujando el pedal del freno, esta
fuerza se multiplica y llega hacia el pistón del cilindro maestro, la presión
que se ejerce empuja hacia afuera a los pistones del cilindro lo que hace que
las zapatas entren en contacto con el tambor, y en el caso de pastillas los
pistones por la acción del líquido se cierran y empujan las pastillas hacia el
disco. La fuerza que se aplica crea una presión dentro del sistema la cual se
transmite a diversas partes del sistema.
Los automóviles, excepto las motocicletas, disponen de los siguientes
sistemas de frenado:
o Freno de servicio (detiene el vehículo en movimiento): Es accionado con el pie y actúa sobre todas las ruedas del vehículo.
(Post, Schmidt, & Kant, 2003)
o Freno de estacionamiento: Asegura el vehículo una vez inmovilizado. Es el freno de mano y actúa normalmente sólo sobre las
ruedas traseras. (Post, Schmidt, & Kant, 2003)
Con el análisis del sistema de frenos obtenemos grandes conocimientos
10 aumento de temperatura, falla de un mecanismo, etc., lo cual se implementa
en el desarrollo del tema.
2.2 FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL FRENADO
No todos los factores tienen la misma eficacia, pero si facilitan y contribuyen
en la parada del vehículo. (Águeda, Navarro, & Morales, 2011)
Entre los factores sin tomar en cuenta el tiempo de reacción se puede
describir:
o Acción de los elementos del frenado
o Adherencia del neumático con el suelo, la cual está determinada por
el tipo de neumático y el estado de la carretera
o Resistencia al rodaje
o Resistencia del conjunto motor-transmisión (Águeda, Navarro, &
Morales, 2011)
2.3 TIPOS DE SISTEMAS
Se puede clasificar a los sistemas de freno según: Tipo de construcción y
modo de funcionamiento. (Bosch, 2003)
2.3.1 TIPO DE CONSTRUCCIÓN
2.3.1.1 Sistema de freno de servicio
Es el sistema accionado mediante el pie del conductor, permite disminuir o
mantener la velocidad del vehículo, el freno es dosificado progresivamente a
través de la presión que ejerce el conductor sobre el pedal del freno para
11
2.3.1.2 Sistema auxiliar de freno
Cumple con la función de detener el vehículo en caso de fallo del sistema,
no necesita además del freno de servicio y de estacionamiento; un sistema
de freno independiente con un mando único, se lo puede aplicar en un
circuito de uno de los sistemas.(Bosch, 2003)
2.3.1.3 Sistema de freno de estacionamiento
Bosch (2003), lo reconoce como “freno de mano”, realiza la función de
mantener inmovilizado el vehículo en ausencia del conductor. Se lo acciona
por medio de una palanca de freno, normalmente colocada junto al asiento
del conductor o mediante un pedal. Este sistema es graduable y actúa sobre
las ruedas de un solo eje.
2.3.2 FRENOS EN FUNCIÓN DEL SUMINISTRO DE ENERGÍA
Se acciona por medio de:
o Sistema de freno por fuerza muscular: es utilizado en vehículos de
turismo y motocicletas, la fuerza muscular se la aplica sobre un pedal o
palanca de freno, la fuerza de frenado proviene de la fuerza física del
conductor (Bosch, 2003)
o Sistema de freno con fuerza auxiliar: es utilizado más en vehículos de
turismo e industriales ligeros. La fuerza muscular es aumentada en el
servofreno mediante la fuerza auxiliar, es decir la energía necesaria para
generar la fuerza de frenado se origina hidráulicamente (Luque, Alvarez,
& Vera , 2008)
o Para Bosch (2003) y Bosch (2005) el sistema de freno por fuerza ajena:
se lo utiliza generalmente en vehículos industriales, el freno de servicio
12 energía hidráulica. El líquido de freno se almacena y por ser
incompresible transmite altas presiones de frenado.
2.4 FUNCIONAMIENTO
El sistema empieza su funcionamiento gracias a sus componentes de
activación, los cuales responden de manera óptima a la acción de frenado:
2.4.1 PEDAL DE FRENO
Es el principio para detener el vehículo, transmite la fuerza del pie del
conductor al sistema de freno, venciendo la fuerza del muelle accionando al
servofreno. Es el elemento el cual se encuentra en contacto con el conductor
para recurrir al frenado del vehículo. (Martí, 1993)
2.4.2 SERVOFRENO
La fuerza ejercida por el pie es intensificada gracias al servofreno,
reduciendo el esfuerzo que genera el conductor. Junto al cilindro principal es
el dispositivo más común que integra un sistema de frenos. (Martí, 1993)
Si no existiría el servofreno el esfuerzo que se hace en el pedal de freno
para activar los diferentes elementos sería enorme, dado que habría que
presurizar todo el circuito hidráulico con el esfuerzo muscular del pie, en la
actualidad los vehículos modernos poseen un dispositivo, el servofreno, que
multiplica el esfuerzo aplicado en el pedal con el pie como se observa en la
13
Tabla 2. Presión en el circuito hidráulico. (Ocaña, 2012)
En la Figura 1 se puede observar la diferencia de presión que se ejerce para
frenar el automóvil con y sin servofreno.
Figura 1. Diferencia de presión en el frenado (Lillo, 2006)
0 0 0
10 30 13
20 65 24
30 104 34
40 118 44
50 130 53
60 140 63
70 150 75
80 160 86
90 170 100
100 180 113
Fuerza sobre el pedal (kg)
Presión en el circuito con servofreno (bar) Presión en el circuito sin servofreno (bar) Presión alcanzada en el circuito hidráulico
14
2.4.3 CILINDRO PRINCIPAL
Encargado de transformar la fuerza mecánica aplicada por el conductor,
intensificar la fuerza hidráulica, introduciendo el líquido de frenos en el
circuito. (Martí, 1993)
2.4.4 DEPÓSITO
Se localiza generalmente sobre el cilindro principal, sirve de reserva para el
líquido de frenos y como depósito de compensación para las fluctuaciones
del volumen causado por el desgaste de los frenos y las diferencias de
temperatura. (Martí, 1993)
2.4.5 LÍQUIDO DE FRENO
(Post, Schmidt, & Kant, 2003)dice que es el medio de transmisión de
potencia en el frenado, cuando se pisa el pedal, es el encargado de llevar a
cada rueda la potencia necesaria para detener el vehículo a través de una
tubería especial, es determinante a la hora de la eficiencia en carretera, sirve
como medio hidráulico para transmitir la fuerza en el sistema, su pérdida
súbita puede causar grandes accidentes, es por ello que debe cumplir los
requisitos establecidos en las diferentes normas (SAE, ISO, etc.), su punto
de ebullición, viscosidad, compresibilidad, etc., son características básicas
que cumple el líquido de frenos. Un líquido de mala calidad no sostiene una
temperatura adecuada y llega a punto de ebullición a más baja temperatura,
en ese momento cuanto empieza a hervir se producen burbujas que eliminan
los movimientos y la presión en el sistema y el carro pierde su poder de detención. Las burbujas “engañan” al pedal del freno porque éste ejerce
presión sobre ellas.
El líquido se deteriora por el calentamiento y el abuso de pedal durante el
recorrido, además de que absorbe agua del medio ambiente porque es
15 es cambiarlo, como mínimo, con el recambio de pastillas. (Post, Schmidt, &
Kant, 2003)
Las normas clasifican a los líquidos de frenos según sus características
como se observa en la Tabla 2, en la actualidad la más empleada es la DOT
(Departament of Transportation).
Tabla 2.Características de los líquidos de frenos. (Domínguez & Ferrer, 2014)
Comprobación FMVSS116 SAE J1703
Requisitos DOT 3 DOT 4 DOT 5 11.1983
Punto de ebullición en seco ºC (min) 205 230 260 205 Punto de ebullición en húmedo, ºC
(min)
140 155 180 140
Viscosidad en frío a -40 ºC, en mm²/s 1500 1800 900 1800
2.4.6 BOMBA DE FRENO
Es considerado para Martí (1993) un cilindro hueco, el cual posee émbolos
deslizantes, pueden ser de doble circuito independiente, es decir generan
presión hidráulica para cada par de ruedas. Cada circuito genera la presión
que es ejercida sobre el pedal del freno, el empujador desplaza al émbolo
del primer circuito enviando el líquido de frenos y a su vez comprimiendo el
muelle para dar movimiento al segundo émbolo creando la presión que son
transmitidos a los bombines de cada rueda.
2.4.7 MORDAZA
Es la pieza metálica que soporta el sistema de frenos de disco, aquí van
colocadas las pastillas de freno, cuentan con un cilindro para ejercer la
presión y accionar las pastillas. (Martí, 1993)
2.4.8 LAS PASTILLAS
Son aquellas que al ponerse en contacto con el disco detienen el automóvil;
16 razones, especialmente por la pérdida de presión del sistema hidráulico, o
cuando hay un calor excesivo en las áreas de fricción no hay respuesta a la
presión en el pedal. Es importante tomar en cuenta la calidad de las pastillas
y su material de construcción, ya que de ello depende su durabilidad y el uso
racional de los frenos. (IMFRISA, 2014)
2.4.9 ZAPATAS
Al activar el pedal del freno, las zapatas son accionadas para entrar en
contacto con el tambor y así detener el movimiento. Las zapatas pueden ser:
2.4.9.1 Articuladas
Se unen de forma concéntrica a la base. (Luque, Alvarez, & Vera , 2008)
2.4.9.2 Apoyadas
Su movimiento se ve limitado por un apoyo simple, el cual es fijo a la base.
(Luque, Alvarez, & Vera , 2008)
2.4.9.3 Flotantes
Tienen libertad total en su movimiento, los muelles las retornan a su posición
de reposo. (Luque, Alvarez, & Vera , 2008)
2.4.10 TAMBOR
En la Figura 2 se puede observar los diferentes materiales que componen un
17
Figura 2.Material del tambor de freno (Martí, 1993)
Los tambores de freno son fabricados con una aleación especial de hierro
fundido gris, el hierro es el principal responsable por la resistencia y el grafito
laminar facilita la disipación del calor generado por la fricción entre las
partes, van empernados a la rueda o girando conjuntamente rueda y tambor.
(Martí, 1993)
En la Figura 3 se observa las principales dimensiones de un tambor en
donde: (Martí, 1993)
A: diámetro del patín
B: ancho del patín de freno
C: diámetro de la maza
D: diámetro centro a centro de los agujeros
E: cantidad y diámetro de los agujeros
H: altura total
18
2.4.11 DISCO
Pueden ser de hierro fundido, magnesio, aluminio, etc., generalmente van
montados en el eje delantero, disipan el calor con mayor facilidad, y no
necesitan ajuste. Son perfectamente redondos y su superficie es uniforme
para realizar un frenado regular. (Martí, 1993)
Se los puede encontrar ventilados o sólidos.
Para Piña (2008), en la actualidad se han desarrollado discos de freno en
aluminio con base de carburo de silicio para disminuir su peso, pero la
disipación de calor no es la adecuada por lo que son poco empleados.
En la Tabla 3 se encuentran las propiedades mecánicas de un disco de
freno, las cuales deben ser:
Tabla 3. Propiedades mecánicas de un disco de freno (Piña 2008)
Propiedades mecánicas Valor
Dureza 170-250 HB
Resistencia a la tracción 240 N/mm²
o Geometría
La geometría se trata de una superficie circular perfectamente plana, pero su
principal problema es la disipación de calor, como se observa en la Figura 4
19
Figura 4.Estructura de un disco de freno. (Ocaña, 2012)
Superficie de fricción: se lo conoce como pista, es la superficie en donde se la fricción entre las pastillas y disco, está diseñada para que su potencia
de disipación se encuentre cerca a las 250 W/cm², este valor puede variar de
acuerdo a la geometría del disco, en un disco ventilado el valor puede ser
750 W/cm², si estos valores son superados pueden aparecer diferentes
defectos en el disco es decir deformaciones, grietas, etc., que pueden dañar
al disco acabando con su vida útil. (Ocaña, 2012)
Fijación: se encuentra en la parte central del disco, el ajuste del disco debe ser perfecto, posee agujeros para el anclaje con la rueda. (Ocaña, 2012)
Campana: es el cilindro que une la banda con el plano de fijación, en algunas ocasiones se aprovecha para montar un tambor que sirva como
freno de estacionamiento. (Ocaña, 2012)
Filtro térmico:es un canal mecanizado para separar la pista de la fijación con el fin de reducir el calor que pasa de la pista hacia la campana, con ello
20
Canal de enfriamiento: es una zona aleteada que mejora la evacuación del calor del disco y así evitar un sobrecalentamiento, esto se encuentra en los
discos ventilados. (Ocaña, 2012)
En la Tabla 4 podemos observar cual es la composición de un disco de freno
y de acuerdo a ello varía su coeficiente de rozamiento.
Tabla 4.Composición química del disco (INEN, 2012)
ELEMENTO
CONTENIDO Mínimo Máximo Carbono 3,3 3,5 Manganeso 0,6 0,9 Silicio 1,8 2,1 Azufre - 0,12 Fósforo - 0,15 Níquel 0,60 0,70 Cromo 0,15 0,25 Molibdeno 0,20 0,30
Los discos deben desempeñar dos funciones principales, mover el aire a su
alrededor como lo haría un ventilador, y transmitir su energía a la atmósfera
como lo hace un radiador. (Ocaña, 2012)
o Comportamiento mecánico
La fuerza de compresión se produce por el apoyo de las pastillas de forma
perpendicular a la superficie del disco la cual es, a su vez, producida por la
presión del líquido de frenos sobre la superficie del pistón. (Ocaña, 2012)
La fuerza de tracción es el resultado de una fuerza de freno debida al roce
de la pastilla contra la superficie del disco. Esto es, la parte situada en
contacto con la pastilla es frenada, sufre una fuerza opuesta al movimiento
rotatorio, mientras que la parte que no está en contacto con la pastilla se ve
arrastrada hacia el sentido de la rotación del disco. A pesar de que se
21 valores de esfuerzo de tracción de 10-20Mpa que no deben superar con la
resistencia a la tracción de la fundición, que equivale a unos 200Mpa.
(Ocaña, 2012)
En la Figura 5 se observa las fuerzas entre la pastilla y el disco es decir que
se puede producir microfisuración después de largos periodos de
funcionamiento, esto es, la fatiga y no porque los esfuerzos sean tan
grandes como para superar el límite de rotura del disco. (Ocaña, 2012)
Figura 5. Fuerzas entre disco y pastilla (Ocaña, 2012)
o Comportamiento térmico
Los frenos absorben la energía mecánica transformada en energía calorífica,
ya que el tiempo en el que se producen las frenadas es muy pequeño y la
conductividad de fricción en los materiales es baja produce temperaturas
muy elevadas. (Ocaña, 2012)
El frenar en velocidades altas provoca la formación de puntos calientes, el
95% del calor que se genera por fricción se acumula en el disco. (Ocaña,
2012)
En la Figura 6 podemos observar cómo cambia al temperatura en las
superficies de contacto durante el frenado, si se frena el vehículo alcanza
22 se iguale a la temperatura ambiente, la temperatura irá aumentando hasta
un límite máximo llamado temperatura de saturación, en la cual el disco
puede disipar la generación de calor, si la temperatura sobrepasa este límite
se corre el riesgo de que se produzca el fenómeno fading. (Ocaña, 2012)
Figura 6.Cambio de temperatura (Ocaña, 2012)
El conjunto del sistema de frenos como se observa en la Figura 7 cuenta con
servo asistencia en la actualidad (Luque, Alvarez, & Vera , 2008), donde:
1.- Pedal del freno
2.- Servofreno
3.- Bomba de freno
4.- Depósito de líquido de freno
5.- Freno de disco
6.- Válvula reguladora de frenado
23
Figura 7. Sistema de frenos con servo asistencia (Luque, Alvarez, & Vera 2008)
2.5 FUERZAS DE RESISTENCIA
El frenado provoca fuerzas que son resistencias opuestas al movimiento del
vehículo y pueden ser:
o Fricción: las fuerzas tienen origen en el rozamiento de diferentes piezas las cuales van fijas al automóvil y otras que van unidas a las
ruedas. (Shiguango & Farinango , 2012)
o Eléctrico: las fuerzas son originadas por acción electromagnética entre los elementos de movimiento. (Shiguango & Farinango , 2012)
o Fluido: las fuerzas se desarrollan por medio de un fluido que se ubica entre los elementos en movimiento que jamás se tocan (Shiguango &
Farinango , 2012)
o Motor: las fuerzas vienen del aumento en la resistencia interna que se produce enel motor (Shiguango & Farinango , 2012)
24 La misión más importante del sistema de frenos para Shiguango &
Farinango (2012), es retener y mantener la parada del vehículo en las
condiciones más favorables es decir con una respuesta rápida en una
distancia mínima, sin afectar a la trayectoria del vehículo, y con un frenado
que es proporcional al esfuerzo del conductor.
2.5.1 FUERZA DE FRICCIÓN
Es la resistencia que existe al movimiento, la cual se genera entre dos
superficies, es la proporción de resistencia ejercida para detener un cuerpo,
se lo utiliza para contrarrestar la energía cinética que se convierte en
calorífica.
Para el par de rozamiento de un disco depende de (Venegas, 2013):
El desgaste de la superficie uniforme:
Tfr = 2.µ.π. Pmáx- ri.(re² -ri²) [1]
La presión se distribuye uniformemente sobre la superficie:
Tfr= 4/3.µ.π. Pmáx- ri.(re³ -ri³) [2]
Donde:
Tfr: Par de rozamiento del disco (N.mm)
ri: Radio interior del disco
re: Radio exterior del disco
25
2.5.2 ENERGÍA DEL MOVIMIENTO
También conocida como energía cinética, se la relaciona con el movimiento
que producen los discos o tambores en el sistema, es generada a través del
impulso realizado por el motor, esta energía se transforma en calorífica.
2.5.3 ENERGÍA CALORÍFICA
Cuando a la energía cinética se le aplica una fuerza de fricción esta es
transformada en energía calorífica, es decir se transmite el calor de los
cuerpos más calientes a los de menor temperatura alcanzando un estado de
equilibrio.
El calor generado en el sistema de frenos es muy intenso por lo que es
necesario su ventilación y enfriamiento.
De acuerdo a la Escuela politécnica Nacional (2013), el calor disipado en el
frenado, depende de la masa del vehículo, el tiempo de frenado y la
capacidad de disipación térmica de los materiales:
q =4186.8𝑛.𝑖𝑎 .∆𝐾𝐸∆𝑇 [3]
Donde:
q: Calor disipado (Kcal/s)
n: Porcentaje de distribución de fuerza para el disco delantero
ia: Factor de corrección para masas rodantes, para automóviles 1.05<
ia<1.5
ΔT: Incremento de tiempo de reducción de velocidad 0,05 s ΔKE: Cambio de energía cinética de traslación (J)
2.5.4 FACTORES DE DESLIZAMIENTO
El deslizamiento de los discos, tambores son ocasionados por una tracción
26
2.5.5 DESLIZAMIENTO NEGATIVO
Se produce por la interrupción al movimiento de un cuerpo por medio de la
intervención de una fuerza externa deslizándose sobre una superficie de
rodamiento. En el sistema de frenos los discos, tambores se encuentran en
movimiento y al aplicar el freno dejan su movimiento, pero por la inercia y la
energía cinética que se produjo en su movimiento existe un deslizamiento.
(Venegas, 2013)
2.5.6 DESLIZAMIENTO POSITIVO
Se produce en cuerpos que se encuentran en reposo y son sometidos a un
movimiento rotativo en el cual se transmite una aceleración. Los discos,
tambores se encuentran en reposo mientras el vehículo se encuentra
estacionado, cuando el automotor se pone en marcha se produce un
deslizamiento positivo de los elementos. (Venegas, 2013)
o Fuerzas aceleradoras: Pendiente y el viento
o Resistencias: Rodadura, aerodinámica y rampa
Si se evalúan los parámetros de frenado y por ello se puede llegar a la
ecuación básica de la dinámica del frenado:
∑ 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡 − ∑ 𝐹𝑎𝑐𝑒𝑙 + 𝐹𝑓 = 𝑚. 𝑎
m: Masa
a: Aceleración
𝐹𝑓: Total de las fuerzas de frenado cuando entra en contacto la rueda y
el suelo, es decir la oposición al giro. (Venegas, 2013)
27 ƩF resist: Sumatoria de fuerzas que se oponen al movimiento del
vehículo y contribuyen al frenado es decir fuerzas de resistencia, en las
cuales se incluye avance por rodadura, aerodinámicas. (Venegas, 2013)
ƩF acel: Sumatoria de fuerzas que contribuyen al movimiento como el
viento, descenso por pendientes. (Venegas, 2013)
En esta ecuación se consideran las fuerzas que actúan en dirección
longitudinal al vehículo, las fuerzas que contribuyen al frenado se las
considera con signo positivo (+), y las que se oponen con signo negativo (-).
Al plantear esta ecuación se determina la deceleración del vehículo en su
proceso de frenado. (Venegas, 2013)
2.5.7 ECUACIÓN FUNDAMENTAL DEL FRENADO
En el proceso de frenado intervienen varias fuerzas por lo que se puede
definir la ecuación como (Martí, 1993):
Fr + Fxa + Fg+ Ff = m.a
Donde:
Fr: Fuerzas de Resistencia
Fxa: Fuerzas de aceleración
Fg: Gravedad
Ff: Fuerzas de frenado
2.5.8 ADHERENCIA
Es esta la fuerza A, que se opone al desplazamiento de un cuerpo con
relación a la superficie sobre la cual descansa. La adherencia es función del
peso del cuerpo (P) y del coeficiente de rozamiento (f). (Molero, 2012)
28 La adherencia varía con:
o El peso del vehículo.
o Las características y el estado del neumático.
o La naturaleza y el estado de la carretera.
El coeficiente de rozamiento que existe entre los neumáticos y el suelo varía
de acuerdo al coeficiente del suelo como en la Tabla 5. Molero (2012)
Tabla 5.Coeficiente de rozamiento (Ocaña, 2012)
Si las ruedas se bloquean, el coeficiente de rozamiento varía alrededor del
60%.
2.5.9 ENERGÍA
Para hacer funcionar el motor de un automóvil se necesita energía. La
energía puede definirse como la habilidad de realizar un trabajo. (Alonso,
2008)
Un automóvil se mantiene en movimiento por dos fuerzas, una es la que
inicia el movimiento del vehículo y la otra es el peso y la velocidad. La
combinación de estas dos fuerzas se llama energía cinética o sea la energía
del movimiento. (Shiguango & Farinango , 2012)
Tipo Estado Nuevos Usados
Seco 1 1
Mojado 0.7 0.5
Seco 1 1
Mojado 0.7 0.5
Seco 0.6 0.6
Mojado 0.5 0.3
Hormigón normal
Asfalto grueso
Asfalto normal
29 Cuanto más pesado sea un vehículo y mayor sea la velocidad será mayor su
energía cinética y por consiguiente más difícil de detener; de hecho un
automóvil en movimiento nunca se detendría a menos que se le aplicará otra
fuerza para hacerlo. (Shiguango & Farinango , 2012)
La ley de conservación de la energía establece que la energía no se crea ni
se destruye, sólo se transforma. La energía cinética y la calorífica son dos
tipos de energía, la primera es aquella energía que tienen los cuerpos al
estar en movimiento y la segunda es la energía que absorben o liberan los
cuerpos en forma de calor. (Shiguango & Farinango , 2012)
2.5.10 FRICCIÓN
Es la resistencia al movimiento que existe entre dos objetos en contacto.
Existe muchos tipos de fricción, pero el tipo de deslizamiento seco ofrece la
mayor resistencia al movimiento. (Orovio, 2010)
Cuando un vehículo se encuentra en movimiento tiene una cierta energía
cinética y si se quiere detenerlo tiene que transformar esa energía en otro
tipo de energía que no involucre el movimiento del vehículo, tal como la
energía calórica (Orovio, 2010)
La fricción es la fuerza que se opone al movimiento entre dos objetos que se
encuentran en contacto.
La fricción es directamente proporcional al peso, esto significa que conforme
el cuerpo aumenta en peso también aumenta la fricción al ponerse en
contacto con otro cuerpo. (Orovio, 2010)
La fricción depende del material de fricción, temperatura y acabado de la
30 Composición de los materiales de fricción. Los componentes principales de
un forro se pueden enumerar de la siguiente manera:
o Los aglomerados, que aseguran la cohesión de todos los demás
componentes.
o Las fibras de refuerzo, hasta hace algunos años amianto y
actualmente fibras sintéticas.
o Las cargas, generalmente de tipo metálico, para proporcionar
resistencia al desgaste y buen coeficiente de rozamiento (Orovio,
2010)
La Tabla 6es un ejemplo sobre la variación de las resistencias en función de
la velocidad del vehículo.
Tabla 6.Resistencia aerodinámica y de rodadura frente a velocidad del vehículo
(Ocaña, 2012)
2.5.10.1 Características de los materiales de fricción
En cualquier sistema de freno, los materiales de fricción pueden clasificarse como:
o Material de forro
o Contra material, es decir el disco o el tambor
La parte móvil del sistema de frenos, el contra material, está sometido a dos
tipos de esfuerzos: térmico y mecánico.
40 5,3 10,0 15,3 2,3
80 21,6 14,4 35,6 10,7
120 48,6 19,0 67,6 30,6
160 86,4 26,0 112,4 67,9
200 135,0 32,0 167,0 126,2
Velocidad (Km/h)
Resistencia aerofinámica (Kg)
Ressitencia a la rodadura (Kg)
Resistencia Total (Kg)
31 El primero es muy diferente tratándose de discos o tambores. En los discos
de refrigeración está más asegurado y en los tambores el radiante de
temperatura es particularmente elevado. El esfuerzo mecánico también es
diferente, y las contracciones son mucho más desfavorables en los discos
que en los tambores, ya que en estos últimos poseen una superficie mayor y
los esfuerzos tangenciales se reparten de otra manera.
o Material de forro: El material de forro es un compuesto complejo con
un coeficiente de rozamiento adaptado, generalmente entre 0.35 y
0.45para una aplicación dada, es de suma importancia conocer que
un coeficiente bajo es particularmente desaconsejable para evitar un
rendimiento eficiente pero de la misma manera, un coeficiente muy
alto puede acarrear problemas peores, como pueden ser bloqueo de
las ruedas, ruidos excesivos y temblores al frenar.
o El coeficiente de rozamiento: no es una magnitud física invariable, si
no que puede cambiar en función de las condiciones de uso (presión,
temperatura, velocidad). (Shiguango & Farinango , 2012)
La fabricación de los forros toma en cuenta los diversos parámetros para
determinar la amplitud de la variación que se producirá en el funcionamiento.
2.6 CALOR PRODUCIDO POR ROZAMIENTO
Cuando dos cuerpos se encuentran en contacto directo experimentan el
aumento de temperatura, el cual es proporcional a la resistencia creada por
la fricción de los dos cuerpos, el calor se propaga de tres maneras (Carranza
& Beltran, 2003):
o Conducción
o Radiación
32 La importancia del material de construcción de los elementos del sistema es
cada vez la prioridad de los fabricantesya que cuando se rebasan los límites
de capacidad, la temperatura aumenta con rapidez y la disipación no se
logra hacerlo con la misma velocidad y entonces las temperaturas son
extremadamente altas, lo que impide un contacto completo entre los
diferentes elementos y se alteren las características de los materiales.
(Carranza & Beltran, 2003)
De acuerdo a Carranza & Beltran (2003), la transferencia de calor ocurre
durante la operación de frenado, es inestable ya que varían con el tiempo y
la oposición del movimiento, durante el frenado el flujo de calor está
relacionado con la difusión térmica en un período de tiempo.
2.6.1 CALOR PRODUCIDO EN EL DISCO
Al considerar al disco (cuerpo 1) el cual se mueve a una velocidad (Vp)
entra en contacto con las pastillas (cuerpo 2), el índice de energía dispada
por el contacto se determina por la fuerza de fricción y la velocidad,
asumiendo que la totalidad de la energía se disipa en forma de calor. El calor
total generado se obtiene mediante: (Lillo, 2006)
qtotal = μ * p *Vp [7]
Donde:
qtotal: Calor que absorbe el disco de freno. (W / m²) μ: Factor de roce entre la pastilla y el disco de freno.
p: Presión ejercida sobre el disco de freno. (N/m²)
33
2.6.2 ENERGÍA DISIPADA EN EL FRENADO
La transferencia de calor varía con el tiempo, para determinar la temperatura
en el frenado del automóvil, es necesario identificar los factores que influyen
en el proceso como el suelo, la masa del automóvil, la velocidad final que se
desea alcanzar al frenar, el factor de adherencia entre los neumáticos y la
calzada, la temperatura ambiental, las características de los materiales su
conductividad térmica, calor específico, la densidad, etc. Para poder calcular
la temperatura final del disco es necesario despreciar las fuerzas
secundarias como la resistencia aerodinámica, resistencia al balanceo del
neumático y la fricción aerodinámica. (Lillo, 2006)
Según (Carranza & Beltran, 2003) para un vehículo que desacelera sobre
una superficie plana la energía disipada como calor está dada por:
Ef = i*m*(Vi²- Vf²)/2 [8]
Donde:
Ef: Energía disipada durante la frenada (J)
i: Factor de corrección para masas rodantes, para automóviles 1,05 ≤ i ≤ 1,5
m: Masa del vehículo (kg)
Vi: Velocidad al inicio del frenado (m/s)
Vf: Velocidad al final del frenado (m/s)
La transferencia de carga o reparto de peso a los ejes, en condiciones
dinámicas, es aproximadamente: (Lillo, 2006)
Eje delantero: 75% del peso total
34 Por lo tanto, el calor que se disipa en el sistema de freno para el eje
delantero (Ed), que es donde está instalado normalmente el sistema de freno
de disco en un vehículo estándar es: (Lillo, 2006)
Ed = Ef *0.75 [9]
La distribución de calor a los ejes es proporcional a la transferencia de
carga, alrededor del 90% del calor producido durante lo absorbe el disco, y
el 10% es acumulado por las pastillas, la energía que disipa la pastilla (Ep) y
el disco (Ed1) son: (Lillo, 2006)
Ep = Ed *0.1 [10]
Ed1 = Ed *0.9 [11]
2.7 FADING
Los calentamientos muy rápidos por frenados consecutivos y particularmente
violentas producen un efecto de acumulación térmica en el freno que puede
provocar una pérdida de eficacia de los forros denominada fading (término
anglosajón que se puede traducir como desfallecimiento) y caracterizado por
un descenso brusco del coeficiente de rozamiento. En estos momentos el
freno se vuelve inoperante el conductor y el vehículo lo acusa en seguida.
(Carranza & Beltran, 2003) (Shiguango & Farinango , 2012)
Según Shiguango & Farinango (2012), Alonso (2008), la resistencia a fading
es uno de los factores más importantes en los ensayos y pruebas que se
realizan antes de dar por bueno un forro determinado. Por lo general, el
fading desaparece cuando se enfrían los forros, es lo que se denomina
recuperación. En algunos casos y sobre determinados materiales puede
darse el caso de una sobre recuperación, es decir, al enfriarse el forro se
produce un aumento brutal del coeficiente de rozamiento y automáticamente
35 Fading o cristalización, se produce este fenómeno al momento de frenar
cuando el material de fricción genera mayor temperatura, y a su vez produce
que la resina que contiene el material de fricción se haga líquida lo que evita
el rozamiento y abrasión entre los objetos, lo que provoca que el disco o
pastilla se deteriore y genere un brillo sobre la superficie o un color azulado,
para resolver este problema la única solución es el reemplazar las piezas por
unas nuevas. (Alonso, 2008) (Crouse, 1993) (Shiguango & Farinango , 2012)
Este fenómeno es muy peligroso ya que puede dejar al automotor sin frenos,
o una baja eficacia del sistema, provocando la pérdida momentánea total o
parcial de la capacidad de frenado, esta capacidad se ve limitada por la
cantidad de calor que se disipa en el ambiente, con cada accionamiento del
freno se reduce momentáneamente la capacidad de frenado, es por ello que
se recomienda el uso adecuado en los momentos precisos, o acompañar el
frenado con el freno de motor. (Ocaña, 2012)
La cristalización o efecto fading es solo una consecuencia del uso excesivo
del sistema de frenos, el material cambia sus propiedades y su apariencia
como se demuestra en la Figura 8.
36
2.8 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES
2.8.1 LÍQUIDO DE FRENOS
Deben presentar las siguientes características:
o Ser incompresibles
o Punto de ebullición mínimo superior a las 230ºC
o Baja viscosidad
o Ser lubricante para los elemento móviles
o Estabilidad química para no corroer las piezas del sistema (Ocaña,
2012)
El líquido de frenos tiene una gran capacidad de absorber agua, lo que hace
que su punto de ebullición disminuya y al sobrepasar los 100ºC se
transformará el agua en vapor y disminuirá la eficacia de frenado. (Ocaña,
2012).
Los líquidos de frenos más utilizados en el mundo automotriz son
denominados con la palabra DOT que hace referencia al departamento de
transporte que regula la calidad del líquido, por ello existen cuatro
denominaciones:
o DOT 3: es el líquido más barato y de menos desempeño producido,
es compatible con DOT 4 y 5.1. (Ocaña, 2012)
o DOT 4: se lo emplea en sistemas de freno con disco y tambor, o,
disco y disco, sin ABS. Entre sus características principales tenemos
su punto de ebullición a los 255ºC. (Vaca, Castro, & Quiróz, 2014)
o DOT 5: se lo utiliza para automotores con altas prestaciones que
cuentan con ABS. Entre sus características principales tenemos su
punto de ebullición a los 270ºC, está hecho a base de silicona, no