Freno hidráulico

Un freno hidráulico es un mecanismo de frenado que utiliza líquido de frenos , que normalmente contiene éteres de glicol o dietilenglicol , para transferir la presión del mecanismo de control al mecanismo de frenado.

En 1904, Frederick George Heath, de Redditch, Inglaterra, diseñó e instaló un sistema de freno hidráulico (de agua y glicerina) en una bicicleta mediante una palanca y un pistón en el manillar. Obtuvo la patente GB190403651A por «Mejoras en frenos hidráulicos para bicicletas y motores», así como posteriormente por tuberías hidráulicas de caucho flexible mejoradas.

El 31 de marzo de 1908, Ernest Walter Weight, de Bristol, Inglaterra, diseñó e instaló un sistema de frenado hidráulico (de aceite) en las cuatro ruedas de un automóvil. Lo patentó en Gran Bretaña (GB190800241A) en diciembre de 1908, posteriormente en Europa y Estados Unidos, y lo exhibió en el Salón del Automóvil de Londres de 1909. Su hermano, William Herbert Weight, mejoró la patente (GB190921122A) y ambas fueron asignadas a Weight Patent Automobile Brake Ltd., con sede en 23 Bridge Street, Bristol, cuando se fundó en 1909/10. La compañía, que tenía una fábrica en Luckwell Lane, Bristol, instaló un sistema de frenado hidráulico en las cuatro ruedas sobre un chasis Metallurgique, con carrocería Hill and Boll, que se exhibió en el Salón del Automóvil de Londres de noviembre de 1910. Aunque se instaló el sistema de frenado en más automóviles y la compañía realizó una intensa publicidad, desapareció sin alcanzar el éxito que merecía.

Malcolm Loughead (quien más tarde cambió la ortografía de su nombre a Lockheed ) inventó los frenos hidráulicos, que patentó en 1917. ^{[ 2 ] [ 3 ]} "Lockheed" es un término común para el líquido de frenos en Francia.

Fred Duesenberg utilizó frenos hidráulicos de Lockheed Corporation en sus coches de carreras de 1914 ^{[ 4 ]} y su compañía automovilística, Duesenberg , fue la primera en utilizar la tecnología en el Duesenberg Modelo A en 1921.

La empresa Knox Motors Company de Springfield, MA, comenzó a equipar sus tractores con frenos hidráulicos a partir de 1915. ^{[ 5 ]}

Esta tecnología se extendió al sector automovilístico y, finalmente, condujo a la introducción del sistema de freno de tambor hidráulico autoenergizante (Edward Bishop Boughton, Londres, Inglaterra, 28 de junio de 1927), que todavía se utiliza en la actualidad.

La disposición más común de los frenos hidráulicos para vehículos de pasajeros, motocicletas, scooters y ciclomotores, consta de lo siguiente:

• Pedal o palanca de freno
• Una varilla de empuje (también llamada varilla de accionamiento )
• Un conjunto de cilindro maestro que contiene un conjunto de pistón (compuesto por uno o dos pistones, un resorte de retorno, una serie de juntas / juntas tóricas y un depósito de fluido).
• Líneas hidráulicas reforzadas
• El conjunto de la pinza de freno generalmente consta de uno o dos pistones huecos de aluminio o acero cromado (llamados pistones de la pinza ), un juego de pastillas de freno termoconductoras y un rotor (también llamado disco de freno ) o tambor unido a un eje.

El sistema suele llenarse con un líquido de frenos a base de glicol-éter (aunque también se pueden utilizar otros fluidos).

Antiguamente, los vehículos de pasajeros solían utilizar frenos de tambor en las cuatro ruedas. Posteriormente, se empezaron a usar frenos de disco en la parte delantera y frenos de tambor en la trasera. Sin embargo, los frenos de disco han demostrado una mejor disipación del calor y una mayor resistencia al sobrecalentamiento, por lo que generalmente son más seguros que los de tambor. Así, los frenos de disco en las cuatro ruedas se han vuelto cada vez más populares, reemplazando a los de tambor en casi todos los vehículos, excepto en los más básicos. No obstante, muchos diseños de vehículos de dos ruedas siguen utilizando un freno de tambor en la rueda trasera.

La siguiente descripción utiliza la terminología para / y la configuración de un freno de disco simple.

En un sistema de frenos hidráulicos, al presionar el pedal del freno, una varilla de empuje ejerce fuerza sobre el pistón o los pistones del cilindro maestro, lo que provoca que el líquido del depósito de líquido de frenos fluya hacia una cámara de presión a través de un puerto de compensación. Esto genera un aumento en la presión de todo el sistema hidráulico, impulsando el líquido a través de las líneas hidráulicas hacia una o más pinzas de freno, donde actúa sobre uno o más pistones sellados por una o más juntas tóricas (que impiden la fuga del líquido).

Los pistones de la pinza de freno ejercen presión sobre las pastillas, empujándolas contra el disco giratorio. La fricción entre las pastillas y el disco genera un par de frenado que reduce la velocidad del vehículo. El calor generado por esta fricción se disipa a través de orificios y conductos en el disco o se conduce a través de las pastillas, que están fabricadas con materiales especiales resistentes al calor, como el kevlar o el vidrio sinterizado .

En un freno de tambor , el líquido de frenos entra en el cilindro de la rueda y presiona una o dos zapatas contra la superficie interna del tambor giratorio. Las zapatas utilizan un material de fricción resistente al calor similar al de las pastillas de freno de disco.

Al soltar el pedal o la palanca del freno, el resorte o los resortes del cilindro maestro devuelven el pistón o los pistones a su posición original. Esta acción primero alivia la presión hidráulica sobre la pinza y luego aplica succión al pistón del freno dentro de la pinza, lo que lo empuja de regreso a su alojamiento y permite que las pastillas de freno liberen el disco.

El sistema de frenado hidráulico está diseñado como un sistema cerrado: a menos que haya una fuga, el líquido de frenos no entra ni sale del sistema, ni se consume durante su uso. Sin embargo, pueden producirse fugas debido a grietas en las juntas tóricas o a una perforación en la tubería de freno. Las grietas pueden formarse si se mezclan dos tipos de líquido de frenos o si el líquido se contamina con agua, alcohol, anticongelante o cualquier otro líquido. ^{[ 6 ]}

Los frenos hidráulicos transfieren energía para detener un objeto, normalmente un eje giratorio. En un sistema de frenado muy simple, con solo dos cilindros y un freno de disco , los cilindros podrían estar conectados mediante tubos, con un pistón en su interior. Los cilindros y los tubos están llenos de un líquido incompresible. Los dos cilindros tienen el mismo volumen, pero diámetros diferentes y, por lo tanto, áreas de sección transversal diferentes. El cilindro que usa el operador se llama cilindro maestro . El freno de disco giratorio estará junto al pistón con la sección transversal mayor. Supongamos que el diámetro del cilindro maestro es la mitad del diámetro del cilindro esclavo, por lo que el cilindro maestro tiene una sección transversal cuatro veces menor. Ahora, si el pistón del cilindro maestro se empuja hacia abajo 40  mm, el pistón esclavo se moverá 10  mm. Si se aplican 10 newtons (N) de fuerza al pistón maestro, el pistón esclavo ejercerá una fuerza de 40  N.

Esta fuerza puede incrementarse aún más insertando una palanca conectada entre el pistón maestro, el pedal y un punto de pivote. Si la distancia del pedal al pivote es tres veces mayor que la distancia del pivote al pistón conectado, la fuerza ejercida sobre el pedal se multiplica por tres al presionarlo, de modo que 10  N se convierten en 30  N sobre el pistón maestro y 120  N sobre la pastilla de freno. A la inversa, el pedal debe desplazarse tres veces la distancia que recorre el pistón maestro. Si se presiona el pedal 120  mm, el pistón maestro se desplazará 40  mm y el pistón esclavo moverá la pastilla de freno 10  mm.

(Para sistemas de frenado típicos de vehículos ligeros)

En un automóvil de cuatro ruedas, la norma FMVSS 105, 1967; ^{[ 7 ]} exige que el cilindro maestro esté dividido internamente en dos secciones, cada una de las cuales presuriza un circuito hidráulico independiente. Cada sección suministra presión a un circuito. Esta combinación se conoce como cilindro maestro en tándem . Los vehículos de pasajeros suelen tener un sistema de frenos dividido delantero/trasero o un sistema de frenos dividido diagonal (el cilindro maestro en una motocicleta o scooter puede presurizar solo una unidad, que será el freno delantero).

Un sistema de frenado dividido delantero/trasero utiliza una sección del cilindro maestro para presurizar los pistones de las pinzas delanteras y la otra sección para presurizar los pistones de las pinzas traseras. En la mayoría de los países, este sistema de frenado es obligatorio por ley por motivos de seguridad; si falla un circuito, el otro aún puede detener el vehículo.

Los sistemas de frenado diagonal se utilizaron inicialmente en los automóviles American Motors durante el año de producción de 1967. Un pistón acciona la rueda delantera derecha y la trasera izquierda, mientras que un segundo pistón acciona la rueda delantera izquierda y la trasera derecha (ambos pistones presurizan sus respectivas líneas acopladas mediante un solo pedal). Si falla alguno de los circuitos, el otro, con al menos una rueda delantera frenando (los frenos delanteros proporcionan la mayor parte de la fuerza de frenado debido a la transferencia de peso ), permanece intacto para detener el vehículo dañado mecánicamente. En la década de 1970, los sistemas de frenado diagonal se habían vuelto comunes en los automóviles vendidos en Estados Unidos. Este sistema se desarrolló junto con el diseño de la suspensión de los automóviles de tracción delantera para mantener un mejor control y estabilidad durante una falla del sistema.

En la serie Volvo 140, a partir del año modelo 1967, se introdujo un sistema de frenos triangular dividido. Los frenos de disco delanteros cuentan con una configuración de cuatro cilindros, y ambos circuitos actúan sobre cada rueda delantera y sobre una de las traseras. Esta configuración se mantuvo en las series posteriores, la 200 y la 700.

El diámetro y la longitud del cilindro maestro influyen significativamente en el rendimiento del sistema de frenos. Un cilindro maestro de mayor diámetro suministra más fluido hidráulico a los pistones de la pinza, pero requiere mayor fuerza y ​​menor recorrido del pedal de freno para lograr una desaceleración determinada. Un cilindro maestro de menor diámetro produce el efecto contrario.

Un cilindro maestro también puede utilizar diámetros diferentes entre las dos secciones para permitir un mayor volumen de fluido hacia uno u otro conjunto de pistones de la pinza de freno; en este caso, se denomina cilindro maestro de "accionamiento rápido". Estos se utilizan con pinzas de freno delanteras de "baja resistencia" para mejorar el consumo de combustible.

Se puede utilizar una válvula de reparto de frenada para reducir la presión sobre los frenos traseros durante una frenada brusca. Esto limita la frenada trasera, disminuyendo así la probabilidad de que se bloqueen los frenos traseros y reduciendo considerablemente las posibilidades de que la rueda patine.

Los sistemas de frenos neumáticos son voluminosos y requieren compresores de aire y depósitos. Los sistemas hidráulicos son más pequeños y menos costosos.

El fluido hidráulico debe ser incompresible. A diferencia de los frenos de aire , donde se abre una válvula y el aire fluye hacia las tuberías y las cámaras de freno hasta que la presión aumenta lo suficiente, los sistemas hidráulicos dependen de un solo movimiento del pistón para impulsar el fluido a través del sistema. Si se introduce vapor en el sistema, este se comprimirá y la presión podría no aumentar lo suficiente para accionar los frenos.

Los sistemas de frenado hidráulico a veces están sometidos a altas temperaturas durante su funcionamiento, como por ejemplo al descender pendientes pronunciadas. Por este motivo, el fluido hidráulico debe resistir la vaporización a altas temperaturas.

El agua se vaporiza fácilmente con el calor y puede corroer las partes metálicas del sistema. El agua que entra en las líneas de freno, incluso en pequeñas cantidades, reacciona con la mayoría de los líquidos de freno comunes (es decir, los que son higroscópicos ^{[ 8 ] [ 9 ]} ) causando la formación de depósitos que pueden obstruir las líneas de freno y el depósito. Es casi imposible sellar completamente cualquier sistema de freno para evitar la exposición al agua, lo que significa que es necesario cambiar regularmente el líquido de freno para asegurar que el sistema no se sobrellene con los depósitos causados ​​por las reacciones con el agua. A veces se utilizan aceites ligeros como fluidos hidráulicos precisamente porque no reaccionan con el agua: el aceite desplaza el agua, protege las piezas de plástico contra la corrosión y puede tolerar temperaturas mucho más altas antes de vaporizarse, pero tiene otros inconvenientes en comparación con los fluidos hidráulicos tradicionales. Los fluidos de silicona son una opción más cara.

El " desvanecimiento de los frenos " es una condición causada por el sobrecalentamiento en la que la eficacia de frenado disminuye, e incluso puede perderse. Puede ocurrir por diversas razones. Las pastillas que entran en contacto con la pieza giratoria pueden sobrecalentarse y "cristalizarse", volviéndose tan lisas y duras que no pueden adherirse lo suficiente para frenar el vehículo. Asimismo, la vaporización del fluido hidráulico a temperaturas extremas o la deformación térmica pueden provocar que los forros cambien de forma y entren en contacto con una menor superficie de la pieza giratoria. La deformación térmica también puede causar cambios permanentes en la forma de los componentes metálicos, lo que resulta en una reducción de la capacidad de frenado que requiere el reemplazo de las piezas afectadas.

• Nice, Karim (16 de agosto de 2000). "Cómo funcionan los frenos" . Cómo funcionan las cosas . Recuperado el 18 de junio de 2010 .
• "Frenos hidráulicos" . Integrated Publishing. Archivado del original el 30 de marzo de 2010. Consultado el 18 de junio de 2010 .
• Erjavec, Jack (2004). Tecnología automotriz: un enfoque de sistemas , Delmar Cengage Learning. ISBN 1-4018-4831-1
• Allan y Malcolm Loughead (Lockheed): Sus primeros años de vida en las montañas de Santa Cruz, incluyendo la invención del freno hidráulico.