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Clave de referencia: TP11-01
Reparación del sistema de frenos convencionales y ABS
El libro de texto del que proviene la información de este documento, se utiliza ampliamente en escuelas técnicas mexicanas, públicas y privadas. La gran cantidad de ilustraciones y explicaciones gráficas que contiene, son de gran utilidad para un rápido y mejor aprendizaje, de ahí su amplia aceptación entre profesores e instructores. Los temas generales que se estudian en este libro son: • Frenos: principios de operación • El sistema de frenos convencional • Componentes del sistema de frenos convencional • Elementos activos del frenado • Diagramas de los circuitos de frenado • Características del sistema de frenos antibloqueo (ABS) • Mantenimiento al sistema de frenos: mantenimiento, purgado y diagnóstico al sistema ABS • Guía de identificación de fallas: pedal de freno duro, vibración, frenado no adecuado, pedal de freno bajo y ruido La edición fue desarrollada por la prestigiada editorial mexicana Mecánica Automotriz Fácil, y forma parte de una colección orientada a la formación técnica automotriz. www.mecanica-facil.com
Principios de operación de los frenos I. PRINCIPIOS QUE LOGRAN EL FRENADO Primero, debemos saber que un fre- comprender la importancia y aplino es un3 dispositivo que detiene cación que tienen en un sistema de el movimiento de una máquina o frenos y establecer las bases que vehículo. Los frenos de un automó- nos ayudarán a entender la función vil detienen el giro de la llanta de los componentes del mismo. mediante dispositivos de frenado, ya sea de tambor o de disco, para La energía del movimiento detener por completo la unidad. Ahora bien, el funcionamiento Esta energía, conocida como cinéde los frenos se basa en conceptos tica o de movimiento, está relacionada directamente con el teóricos como la energía movimiento del vehículo. cinética, la fuerza de fricSe genera a través del imción, el impulso y la inerEste título se pulso proporcionado por cia, la energía calorífica, puede adquirir el motor. En el momento de etc., que se relacionan entre sí. Aunque no los es- directamente en frenar, esta energía se transtudiaremos a fondo, es el sitio de Taller forma en energía calorífiMecánico. necesario conocerlos para
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Junto con la energía cinética actúan el impulso (que se define como “la variación en la cantidad de movimiento de un cuerpo, ocasionada por el empuje que se produce durante un periodo de tiempo”, que normalmente es un segundo) y la inercia (que es la resistencia que opone un cuerpo a un cambio en su estado, ya sea de movimiento o de reposo; esto sucede cuando, por ejemplo, el vehículo se encuentra en movimiento, y para detenerlo se requiere aplicarle una fuerza externa).
Un cuerpo que posee una mayor masa, podrá adquirir una mayor inercia durante su movimiento requiriendo de una mayor fuerza para detenerlo.
ca; pero de ella hablaremos más adelante.
¿Cómo se detiene el movimiento?
Pero, ¿qué detiene al vehículo? La fuerza de fricción, que es la resistencia al movimiento que se genera entre una superficie sobre otra. Con base en esto, podemos decir que la fuerza de fricción es “la proporción de resistencia ejercida para detener el movimiento de un cuerpo”. Se utiliza para contrarrestar la
energía cinética y detener el movimiento. Cuando es aplicada la fuerza de fricción, la energía cinética se convierte en calorífica. En el sistema de frenos de un automóvil, esta fuerza se presenta entre los dispositivos de fricción; también se aplica entre la superficie del pavimento y la llanta o neumático. Existen dos factores que afectan la fricción del vehículo: el deslizamiento positivo y el deslizamiento negativo.
Energía cinética
A la energía en movimiento se le conoce como energía cinética. Por ejemplo, el movimiento de un martillo para golpear un clavo, o el movimiento del agua, de una bala, etc. La energía cinética es mayor en la medida que con más velocidad se desplaza el objeto.
Deslizamiento negativo
Este efecto se manifiesta cuando, en el intento de interrumpir el movimiento de un cuerpo mediante la acción de una fuerza externa, éste se desliza o patina sobre la superficie de rodamiento. En un vehículo en movimiento si de repente se aplican los frenos, sus ruedas dejarán de girar; pero debido a la inercia y la energía cinética que el vehículo adquirió durante su desplazamiento, la unidad se “patinará” sobre el pavimento. www.tutallermecanico.com.mx
03 Deslizamiento positivo
Este efecto se manifiesta en cuerpos en reposo, a los que se somete a movimiento rotativo y se les transmite una súbita aceleración. Se deslizan sobre el plano de rodadura, hasta que vuelven a adquirir adherencia y comienzan a desplazarse en él. El deslizamiento positivo se presenta en un vehículo, cuando se encuentra en alto total y enseguida se acelera a fondo; en vez de girar, las ruedas “patinan” sobre el pavimento debido a la pérdida de adherencia sobre el mismo. Esto también puede ocurrir cuando el vehículo transita por caminos mojados, con hielo o con nieve. Energía calorífica Ya explicamos que cuando al movimiento (energía cinética) se le aplica una fuerza de fricción, se transforma en energía calorífica. Ésta se transmite de los cuerpos más calientes a los más fríos, hasta que alcanzan un estado de equilibrio y cesa la transmisión de energía. Esto es justamente lo que sucede con los componentes de frenado: el calor que se genera es tan intenso, que en muchos diseños automotrices se requieren entradas de aire hacia estos elementos para permitir su ventilación y su enfriamiento. Efecto fading La característica fundamental de un buen sistema de frenos, consiste en transformar la energía cinética en calorífica, y en
Sobre aceleración
El deslizamiento total de una o más ruedas del vehículo, puede ser ocasionado por una insuficiente tracción entre cada una de ellas y la superficie de camino; o por una mala distribución del peso de la carga que lleva el vehículo, entre otros factores
Deslizamiento positivo de cie i f r no i pe Su cam
Control direccional
Deslizamiento Negativo
Fuerza de adherencia
hacerlo de la manera más rápida posible. Esto causa focos de calor que incluso superan el rango de 600°C. La temperatura tiene efectos secundarios y ocasiona el efecto fading, que significa “desvanecimiento” (en este caso, en los frenos). Cuando se frena en una situación límite de eficacia, fácilmente puede encontrarse con que el calor acumulado no tiene tiempo de ser cedido al aire y a las piezas próximas. Y si de inmediato se produce una nueva frenada al límite, otra a continuación y así sucesivamente, el calor acumulado origina una pérdida de capacidad de frenado que exige una mayor fuerza hacia el pedal. Si se inwww.tutallermecanico.com.mx
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Una de las aplicaciones prácticas de Pascal se encuentra en el gato hidráulico, el cual consiste en dos émbolos comunicados por un líquido (aceite) donde la presión ejercida en cada uno de los émbolos estará en función del área y la fuerza que se puede ejercer sobre cada émbolo pero logrando el equilibrio entre ambos.
siste en esta situación, llegará un momento en que el material de fricción de las pastillas se cristaliza debido a la alta temperatura. Y a partir de ese momento, los frenos quedarán prácticamente inutilizados. Desde el punto de vista del fabricante, la mejor manera de luchar contra el fading es utilizar frenos capaces de deshacerse del calor lo más rápido posible. Por eso los frenos de disco son mucho más efectivos que los de tambor, pues como están en contacto directo con el aire, disipan inmediatamente el calor que acumulan.
II. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DEL FRENADO Otro concepto básico es el Principio de Pascal, que se aprovecha en dispositivos que multiplican una fuerza aplicada y la transmiten a un punto de aplicación. Los ejemplos más comunes de estos dispositivos son el gato hidráulico, el freno de aire y los frenos hidráulicos (convencionales y ABS); su funcionamiento se basa precisamente en este Principio; y para comprenderlo claramente, primero debemos conocer conceptos como la hidráulica y los fluidos.
La hidráulica y los fluidos La palabra “hidráulica” viene del griego hydraulikós, que significa “órgano de agua”. Es una rama de la Física que se relaciona con el estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos y su aplicación para generar energía. La mecánica de fluidos podría parecer solamente un nombre nuevo para una ciencia antigua. Pero es más que eso; corresponde a un enfoque especial para estudiar el comportamiento de los líquidos y los gases. Los principios básicos del movimiento de los fluidos se desarrollaron lentamente a través de los siglos, como resultado del trabajo de muchos científicos: Leonardo Da Vinci, Galileo Galilei, Evangelista Torricelli y Blaise Pascal, por mencionar sólo algunos. ¿Qué es un fluido? Para clasificar los materiales que se encuentran en la naturaleza, pueden utilizarse diversos criterios. Desde el punto de vista de la ingeniería, uno de los más interesantes es el que considera el comportamiento de los elementos frente a situaciones especiales. De acuerdo con esto, se definen los estados básicos de los materiales: líquidos,
El agua es un claro ejemplo de las características que reunen los fluidos.
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05 gaseosos y plasmáticos.Los que nos interesan son los líquidos, y su comportamiento como fluídos. Esta clasificación depende principalmente del estado, y no del material en sí. De esta manera, lo que define al fluido es su comportamiento. Entre los comportamientos que diferencian a los fluidos, está la forma en que reaccionan cuando se les aplica una fuerza: se desplazan en todas direcciones, es decir, se expanden, si no hay un recipiente sólido que los contenga. Por eso los fluidos tienen la capacidad de tomar la forma del recipiente que los contiene. Circuito hidráulico En el caso de los sistemas de frenos, se utiliza un circuito hidráulico a través del cual transita un fluido líquido. Un circuito es una estructura o camino integrado por diversos componentes interconectados mediante un conducto o tubería, a través del cual fluye un líquido o gas.
El Principio de Pascal aplicado en el sistema de frenos En los sistemas de frenos, el fluido se emplea para transmitir potencia de un punto a otro y generar energía. Esta transmisión de potencia se basa en el Principio de Pascal, el cual señala que “el incremento de presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible (líquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo
Dentro del circuito hidráulico de frenos, el fluido tiene cuatro funciones básicas:
1
Ser el medio transmisor de energía
2
Lubricar los componentes del sistema
3
Minimizar las fugas
4
Disipar el calor generado en el sistema
Unidad hidráulica (incluye cilindro maestro, depósito de fluido, válvulas y actuadores)
Circuito hidráulico de frenos
un tubo (A). Al aplicar fuerza al pistón más pequeño, se eleva el pistón mayor y se incrementa la fuerza aplicada (B).
La prensa hidráulica es una aplicación del principio de Pascal. Consta de dos émbolos que difieren en diámetro, cada uno colocado en un recipiente, los cuales están intercomunicados por
A
Carrera Vástago Camisa Émbolo
Piston Carrera
Carrera
Bomba
Conexión hidráulica Cilindro
Fuerza
Fuerza
B
Conexión hidráulica Bomba
Cilindro
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La prensa hidráulica es una máquina que se basa en el Principio de Pascal, para transmitir y multiplicar una fuerza aplicada. Aprovechando la diferencia de diámetros entre los cilindros hidráulicos que componen la prensa, la presión ejercida por el fluido se modifica a partir de una leve fuerza aplicada sobre una superficie pequeña, y es equivalente a una gran fuerza aplicada en una superficie de mayor extensión, siendo proporcionalmente iguales.
valor a cada una de las partes del mismo”. Esta base es fundamental para la operación de máquinas hidráulicas y sistemas de potencia hidráulica. Veamos por qué. Supongamos que dos recipientes que difieren en tamaño, están interconectados mediante un conducto y contienen el mismo líquido. En este caso, la fuerza aplicada en el recipiente de menor tamaño, transmite presión, a través del fluido, al recipiente de mayores dimensiones; y por lo tanto, se incrementa la fuerza. En otras palabras, el fluido busca “escapar” o, valga la redundancia, fluir en todas direcciones.
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El sistema de frenos hidráulico basa su funcionamiento en este efecto, el cual puede representarse con el esquema del Principio de Pascal.
Pero, ¿cómo se accionan los frenos? Ahora que ya conoces los conceptos básicos del funcionamiento del sistema de frenado, te preguntarás: ¿Cómo se relacionan para accionar a los frenos? Pues bien, la respuesta puede resumirse en cuatro grandes momentos:
Un motor genera energía cinética y, como consecuencia, el movimiento del vehículo.
2
Cuando el vehículo requiere ser frenado, el conductor ejerce presión sobre el circuito hidráulico del sistema de frenos. Lo hace a través del pedal, y en ese momento se cumple el Principio de Pascal.
3
Cuando el fluido ejerce presión, los componentes del sistema de frenos son activados y se genera entre ellos una fuerza de fricción para contrarrestar el movimiento.
4
El resultado de todo el proceso se manifiesta como energía calorífica.
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