Freno

Un freno es un dispositivo mecánico que inhibe el movimiento absorbiendo energía de un sistema en movimiento. ^{[ 1 ]} Se utiliza para reducir la velocidad o detener un vehículo, rueda o eje en movimiento, o para impedir su movimiento, lográndose generalmente mediante fricción. ^{[ 2 ]}

La mayoría de los frenos utilizan comúnmente la fricción entre dos superficies presionadas para convertir la energía cinética del objeto en movimiento en calor , aunque pueden emplearse otros métodos de conversión de energía. Por ejemplo, el frenado regenerativo convierte una porción significativa de la energía cinética que de otro modo se desperdiciaría en un vehículo en movimiento en energía eléctrica , que puede almacenarse en baterías para su uso posterior. ^{[ 3 ]} Otros métodos convierten la energía cinética en energía potencial en formas almacenadas como aire comprimido o aceite comprimido. Los frenos de corrientes de Foucault utilizan campos magnéticos para convertir la energía cinética en corriente eléctrica en el disco, aleta o riel de freno, que se convierte en calor. Otros métodos de frenado transforman la energía cinética en diferentes formas, por ejemplo, transfiriéndola a un volante de inercia giratorio.

Los frenos generalmente se aplican a ejes o ruedas giratorias, pero también pueden adoptar otras formas, como la superficie de un fluido en movimiento (aletas desplegadas en agua o aire). Algunos vehículos utilizan una combinación de mecanismos de frenado, como los autos de carreras de aceleración equipados con frenos en las ruedas y un paracaídas, o los aviones que emplean tanto frenos en las ruedas como aletas que se elevan en el aire durante el aterrizaje.

Dado que la energía cinética aumenta cuadráticamente con la velocidad (${\displaystyle K=mv^{2}/2}$Un objeto que se mueve a 10  m/s tiene 100 veces más energía que uno de la misma masa que se mueve a 1 m/s. Por consiguiente, la distancia de frenado  teórica , al frenar en el límite de tracción, es hasta 100 veces mayor. En la práctica, los vehículos rápidos suelen experimentar una resistencia aerodinámica significativa, y la energía perdida por esta resistencia aumenta rápidamente con la velocidad.

Casi todos los vehículos con ruedas cuentan con algún tipo de freno. Incluso los carros de equipaje y los carritos de la compra pueden tenerlos para su uso en rampas móviles . La mayoría de los aviones de ala fija están equipados con frenos en las ruedas del tren de aterrizaje . Algunos aviones también incorporan frenos aerodinámicos diseñados para reducir su velocidad en vuelo. Ejemplos notables incluyen planeadores y algunos aviones de la Segunda Guerra Mundial , principalmente algunos cazas y muchos bombarderos en picado de la época. Estos permiten que la aeronave mantenga una velocidad segura durante un descenso pronunciado. El bombardero en picado Saab B-17 y el caza Vought F4U Corsair utilizaban el tren de aterrizaje desplegado como freno aerodinámico.

Los frenos de fricción en los automóviles almacenan el calor de frenado en el freno de tambor o de disco mientras frenan, y luego lo conducen al aire gradualmente. Al viajar cuesta abajo, algunos vehículos pueden usar sus motores para frenar .

Cuando se presiona el pedal de freno de un vehículo moderno con frenos hidráulicos contra el cilindro maestro , un pistón empuja la pastilla de freno contra el disco , lo que reduce la velocidad de la rueda. En un sistema de freno de tambor , se emplea un mecanismo similar, mediante el cual un cilindro empuja las zapatas de freno contra el tambor, disminuyendo así la velocidad de rotación.

Los frenos pueden describirse, en términos generales, como aquellos que utilizan fricción, bombeo o electromagnetismo. Un freno puede utilizar varios principios: por ejemplo, una bomba puede hacer pasar fluido a través de un orificio para crear fricción.

Friccional

Los frenos de fricción son los más comunes y se pueden dividir a grandes rasgos en frenos de " zapata " o " pastilla ", que utilizan una superficie de desgaste explícita, y frenos hidrodinámicos, como los paracaídas, que utilizan la fricción en un fluido de trabajo y no se desgastan explícitamente. Normalmente, el término "freno de fricción" se utiliza para referirse a los frenos de pastilla/zapata y excluye los frenos hidrodinámicos, aunque estos últimos también utilizan la fricción. Los frenos de fricción (pastilla/zapata) suelen ser dispositivos giratorios con una pastilla estacionaria y una superficie de desgaste giratoria. Las configuraciones comunes incluyen zapatas que se contraen para rozar en el exterior de un tambor giratorio, como un freno de banda ; un tambor giratorio con zapatas que se expanden para rozar en el interior de un tambor, comúnmente llamado " freno de tambor ", aunque son posibles otras configuraciones de tambor; y pastillas que aprietan un disco giratorio, comúnmente llamado " freno de disco ". Se utilizan otras configuraciones de freno, pero con menos frecuencia. Por ejemplo, los frenos de trolebús PCC incluyen una zapata plana que se sujeta al riel con un electroimán; El freno Murphy aprieta un tambor giratorio, y el freno de disco Ausco Lambert utiliza un disco hueco (dos discos paralelos con un puente estructural) con zapatas que se sitúan entre las superficies del disco y se expanden lateralmente.

Un freno de tambor es un sistema de frenos para vehículos en el que la fricción se produce por un conjunto de zapatas de freno que presionan contra la superficie interior de un tambor giratorio. El tambor está conectado al cubo giratorio de la rueda.

Los frenos de tambor suelen encontrarse en modelos antiguos de automóviles y camiones. Sin embargo, debido a su bajo costo de producción, también se instalan en la parte trasera de algunos vehículos nuevos y económicos. En comparación con los frenos de disco modernos, los frenos de tambor se desgastan más rápido debido a su tendencia al sobrecalentamiento.

El freno de disco es un dispositivo para reducir la velocidad o detener la rotación de una rueda. Un disco de freno (o rotor), generalmente de hierro fundido o cerámica , está conectado a la rueda o al eje. Para detener la rueda, el material de fricción , en forma de pastillas de freno (montadas en un dispositivo llamado pinza de freno ), se presiona mecánica , hidráulica , neumática o electromagnéticamente contra ambos lados del disco. La fricción provoca que el disco y la rueda se detengan o frenen.

Los frenos suelen describirse según varias características, entre ellas:

• Fuerza máxima : La fuerza máxima es el efecto de desaceleración máximo que se puede obtener. Esta fuerza suele ser mayor que el límite de tracción de los neumáticos, en cuyo caso el freno puede provocar un derrape.
• Disipación continua de potencia : Los frenos suelen calentarse durante su uso y fallan cuando la temperatura es demasiado alta. La máxima cantidad de potencia (energía por unidad de tiempo) que puede disiparse a través del freno sin que falle es la disipación continua de potencia. Esta disipación suele depender, por ejemplo, de la temperatura y la velocidad del aire de refrigeración ambiental.
• Desvanecimiento : A medida que un freno se calienta, puede volverse menos efectivo, fenómeno conocido como desvanecimiento . Algunos diseños son inherentemente propensos al desvanecimiento, mientras que otros son relativamente inmunes. Además, factores como la refrigeración suelen tener un gran impacto en el desvanecimiento.
• Suavidad : Un freno que se agarra bruscamente, vibra, produce ruidos o ejerce una fuerza de frenado variable puede provocar derrapes. Por ejemplo, las ruedas de los trenes tienen poca tracción, y los frenos de fricción sin mecanismo antibloqueo suelen provocar derrapes, lo que aumenta los costos de mantenimiento y genera una sensación de golpeteo para los pasajeros.
• Potencia : Los frenos suelen describirse como "potentes" cuando una pequeña fuerza aplicada por el usuario genera una fuerza de frenado superior a la típica de otros frenos de la misma categoría. Esta noción de "potente" no se relaciona con la disipación continua de potencia y puede resultar confusa, ya que un freno puede ser "potente" y frenar con fuerza con una aplicación suave, pero tener una fuerza máxima menor (peor) que un freno menos "potente".
• Sensación del pedal : La sensación del pedal de freno abarca la percepción subjetiva de la potencia de frenado en función del recorrido del pedal. El recorrido del pedal está influenciado por el desplazamiento del fluido de frenado y otros factores.
• Resistencia : Los frenos presentan una cantidad variable de resistencia en la condición de no frenado, dependiendo del diseño del sistema para adaptarse a la elasticidad y deformación totales del sistema que se producen durante el frenado, con la capacidad de retraer el material de fricción de la superficie de roce en la condición de no frenado.
• Durabilidad : Los frenos de fricción tienen superficies de desgaste que deben renovarse periódicamente. Estas superficies incluyen las zapatas o pastillas de freno, así como el disco o tambor. Existen ciertas ventajas e inconvenientes; por ejemplo, una superficie de desgaste que genera una fuerza máxima elevada también puede desgastarse rápidamente.
• Peso : Los frenos suelen considerarse "peso adicional" ya que no cumplen ninguna otra función. Además, a menudo se montan en las ruedas, y el peso no suspendido puede afectar significativamente la tracción en ciertas circunstancias. El término "peso" puede referirse al freno en sí o incluir la estructura de soporte adicional.
• Ruido : Los frenos suelen generar un ruido leve al accionarse, pero a menudo producen chirridos o ruidos de fricción bastante fuertes.

Servofreno

La mayoría de los vehículos de pasajeros modernos y las furgonetas ligeras utilizan un sistema de frenado asistido por vacío que aumenta considerablemente la fuerza aplicada a los frenos por el conductor. ^{[ 5 ]} Esta fuerza adicional es suministrada por el vacío del colector generado por la obstrucción del flujo de aire causada por el acelerador en un motor en marcha. Esta fuerza se reduce considerablemente cuando el motor funciona con el acelerador completamente abierto, ya que la diferencia entre la presión del aire ambiente y la presión del aire del colector (absoluta) disminuye, y por lo tanto, el vacío disponible se reduce. Sin embargo, rara vez se aplican los frenos con el acelerador a fondo; el conductor retira el pie derecho del pedal del acelerador y lo mueve al pedal del freno, a menos que utilice el freno con el pie izquierdo .

Debido a la baja presión de vacío a altas revoluciones, los informes de aceleración involuntaria suelen ir acompañados de quejas sobre frenos defectuosos o debilitados, ya que el motor, al girar a altas revoluciones y con la mariposa abierta, no puede proporcionar suficiente vacío para accionar el servofreno. Este problema se agrava en vehículos con transmisión automática, puesto que el vehículo reduce automáticamente la marcha al frenar, aumentando así el par motor que llega a las ruedas motrices en contacto con la carretera.

Los vehículos de carretera más pesados, así como los trenes, suelen aumentar la potencia de frenado con aire comprimido , suministrado por uno o más compresores.

Si bien lo ideal sería que un freno convirtiera toda la energía cinética en calor, en la práctica una cantidad significativa puede convertirse en energía acústica , lo que contribuye a la contaminación acústica .

En los vehículos de carretera, el ruido producido varía significativamente según la construcción de los neumáticos , la superficie de la carretera y la magnitud de la desaceleración. ^{[ 6 ]} El ruido puede deberse a diferentes factores. Estos son indicios de que puede haber problemas con el desgaste de los frenos con el tiempo.

Las averías en los frenos ferroviarios pueden producir chispas y provocar incendios forestales . ^{[ 7 ]} En algunos casos extremos, los frenos de disco pueden ponerse al rojo vivo e incendiarse. Esto ocurrió en el GP de la Toscana, cuando los frenos de disco delanteros de carbono del Mercedes W11 estuvieron a punto de incendiarse debido a la escasa ventilación y al uso intensivo. ^{[ 8 ]} Estos incendios también pueden producirse en algunas furgonetas Mercedes Sprinter , cuando el sensor de ajuste de carga se bloquea y los frenos traseros tienen que compensar a los delanteros. ^{[ 9 ]}

Siempre se pierde una cantidad significativa de energía al frenar, incluso con el frenado regenerativo , que no es perfectamente eficiente . Por lo tanto, una buena forma de medir el uso eficiente de la energía al conducir es observar cuánto se frena. Si la mayor parte de la desaceleración se debe a la fricción inevitable en lugar de al frenado, se está desperdiciando gran parte de la energía del vehículo. Minimizar el uso de los frenos es una de las conductas que maximizan el ahorro de combustible .

Si bien siempre se pierde energía durante el frenado, un factor secundario que influye en la eficiencia es la resistencia al frenado, es decir, la resistencia que se produce cuando el freno no se acciona intencionadamente. Tras el frenado, la presión hidráulica disminuye en el sistema, lo que permite que los pistones de la pinza de freno se retraigan. Sin embargo, esta retracción debe compensar la deformación del sistema (bajo presión) y la distorsión térmica de componentes como el disco de freno; de lo contrario, el sistema de frenado seguirá resistiendo hasta que el contacto con el disco, por ejemplo, empuje las pastillas y los pistones hacia atrás, separándolos de la superficie de fricción. Durante este tiempo, puede producirse una importante resistencia al frenado. Esta resistencia puede provocar una pérdida de potencia parásita significativa, lo que repercute en el consumo de combustible y el rendimiento general del vehículo.

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