La física del sistema de frenos

Los sistemas de freno automotrices usan fricción para desacelerar, detener o mantener estacionarias las ruedas de un vehículo. Esto se logra usando ambas fuerzas, mecánica e hidráulica.

El conductor presiona el pedal del freno ( fuerza mecánica ), lo que fuerza un pistón contra el líquido de frenos y crea presión ( fuerza hidráulica ). La fuerza hidráulica se utiliza para mover un material de fricción contra el rotor ( fuerza mecánica ), que reduce la velocidad del vehículo.

Es la superficie en la que dos elementos entran físicamente en contacto y se mide en m2. En los sistemas de freno suele referirse a la superficie de rozamiento entre la pastilla y el disco, entre la zapata y el tambor, o entre el neumático y la calzada; en todos los casos, a mayor superficie de contacto, mayor fuerza de frenado posible.

El sistema de frenado basa su rendimiento en la fricción y en la transmisión de calor; cuanto más calor se evacue, más energía cinética se transformará y el frenando el vehículo de manera más eficaz.

Así como las zapatas de freno y tambores requieren fricción para desacelerar o detener el giro de las ruedas, los neumáticos requieren fricción para desacelerar/detener el movimiento del vehículo.

La habilidad de los neumáticos para proporcionar fricción se conoce como tracción. No importa que tan bien detengan los frenos el giro de las ruedas, si los neumáticos no proporcionan tracción, el vehículo no se detendrá.

Hay un factor que se denomina coeficiente de fricción, y este varía según el estado del neumático y/o los materiales de fricción del sistema.

La distancia de frenado es el espacio que recorre el vehículo desde que se aplica el freno hasta que el vehículo se detiene completamente.

El tiempo de frenado, es el tiempo total que necesita el conductor para detener el vehículo completamente.

En el tiempo de frenado se pueden dividir las siguientes fases:

• Tiempo de respuesta

• Tiempo umbral

• Tiempo de frenado activo

• Tiempo de frenado total

Debe existir un balance entre la fuerza de freno enviada a las ruedas de lado a lado y desde el frente a la parte trasera. Si la fuerza de freno no está balanceada, podría ocasionar que se bloqueen las ruedas, si se bloquea una rueda o no gira, se pierde la tracción entre el neumático y la calzada. Puede ocasionar un rendimiento pobre, un derrape y la pérdida de control.

Cuando un coche frena más de delante que de atrás, es decir, bloquea antes las ruedas delanteras que las traseras, decimos que tiene el reparto de frenos adelantado. Si, por el contrario, bloquea las traseras antes, el reparto de frenada está retrasado. Del mismo modo que en el comportamiento de un coche hay un equilibrio de adherencia entre eje delantero y trasero que hace que el coche tenga la máxima velocidad de paso por curva, en una frenada también hay una relación, un balance, que minimiza las distancias de frenada. Lo que buscamos con este balance de frenos entre ejes es maximizar la deceleración. Es decir, frenar en menos metros.

Si el reparto de pesos del coche en cuestión es del 60% delante y 40% detrás (típico de una tracción delantera) el reparto de frenada debería ser similar (60/40). De esta forma, no sería extraño ver que un coche con reparto de pesos 50/50 (por ejemplo, un coche con motor delantero y propulsión) tuviera frenos de igual tamaño detrás que delante. Esto no se cumple ya que, normalmente, los fabricantes adelantan entre un 5 y un 10% el reparto de frenada para asegurar que primero bloquean las ruedas delanteras. Un método algo conservador, pero más seguro.

En una frenada real existe una transferencia de masas importante, mayor cuanto más deceleramos.

Podemos calcular un reparto de frenada perfecto para la máxima deceleración que permita nuestro neumático (pongamos 1.0 G’s), pero en este caso estaremos desaprovechando capacidad de frenada en todo el intervalo de deceleraciones que van desde el estado de reposo (0 G’s) a la máxima deceleración. Es precisamente por eso, que los coches tienen un sistema que limita la presión (y por tanto el par) del circuito de frenada en el eje trasero.

En frenadas suaves, el circuito envía mucho par al tren trasero ya que, al no haber apenas transferencia de pesos, el neumático se encuentra “cargado” y es capaz de generar agarre. A medida que la deceleración aumenta y el eje trasero se va descargando, el sistema (antaño una simple válvula de presión), limita el par de frenado en el eje trasero para no bloquear las ruedas.

Hay tres factores fundamentales que determinan la transferencia de pesos en un coche: Reparto de masas. Altura del centro de gravedad. Batalla del coche.

Como ya hemos mencionado antes, el reparto de frenada no es ni más ni menos que el reparto del par frenante que aplicamos entre las ruedas delanteras y traseras. Si hablamos de par de frenada en la rueda, éste viene determinado por varios factores constructivos y de diseño: Diámetro del disco. Diámetro de los pistones de la pinza. Coeficiente de fricción de las pastillas de freno. Coeficiente de fricción del neumático.