Freno hidráulico - Hydraulic brake

Un esquema que ilustra los componentes principales de un sistema de freno de disco hidráulico.

Un freno hidráulico es una disposición de mecanismo de frenado que utiliza líquido de frenos , que normalmente contiene éteres de glicol o dietilenglicol , para transferir presión desde el mecanismo de control al mecanismo de frenado.

Historia

Durante 1904, Frederick George Heath (Heath Hydraulic Brake Co., Ltd.), Redditch, Inglaterra diseñó e instaló un sistema de frenos hidráulicos (agua / glicerina) en un ciclo usando una palanca de manillar y un pistón. Obtuvo la patente GB190403651A por “Mejoras en frenos accionados hidráulicamente para ciclos y motores”, así como posteriormente por tuberías hidráulicas de caucho flexible mejoradas.

En 1908, Ernest Walter Weight de Bristol, Inglaterra, ideó e instaló un sistema de frenado hidráulico (de aceite) en las cuatro ruedas en un automóvil. Lo patentó en Gran Bretaña (GB190800241A) en diciembre de 1908, luego en Europa y Estados Unidos y luego lo exhibió en el Salón del Automóvil de Londres de 1909. Su hermano, William Herbert Weight mejoró la patente (GB190921122A) y ambos fueron asignados a Weight Patent Automobile Brake Ltd. de 23 Bridge Street, Bristol cuando se estableció en 1909/10. La compañía, que tenía una fábrica en Luckwell Lane, Bristol, instaló un sistema de frenado hidráulico en las cuatro ruedas en un chasis Metallurgique, equipado con una carrocería Hill and Boll, que se exhibió en el Salón del Automóvil de Londres de noviembre de 1910. Aunque más automóviles tenían el sistema de frenos instalado y la compañía se publicitó mucho, desapareció sin lograr el éxito que merecía.

Knox Motors Co. usó frenos hidráulicos en 1915, en una unidad de tractor .

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

Fred Duesenberg usó frenos hidráulicos de Lockheed Corporation en sus autos de carreras de 1914 y su compañía automotriz, Duesenberg , fue la primera en usar la tecnología en el Modelo A de Duesenberg en 1921.

Knox Motors Company de Springfield, MA estaba equipando sus tractores con frenos hidráulicos a partir de 1915.

La tecnología se llevó adelante en el uso automotriz y finalmente condujo a la introducción del sistema de freno de tambor hidráulico autoenergizado (Edward Bishop Boughton, Londres, Inglaterra, 28 de junio de 1927), que todavía se usa en la actualidad.

Construcción

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

El sistema generalmente se llena con un líquido de frenos a base de glicol-éter (también se pueden usar otros líquidos).

En una época, los vehículos de pasajeros solían utilizar frenos de tambor en las cuatro ruedas. Más tarde, se utilizaron frenos de disco para la parte delantera y frenos de tambor para la parte trasera. Sin embargo, los frenos de disco han demostrado una mejor disipación del calor y una mayor resistencia al "desvanecimiento" y, por lo tanto, son generalmente más seguros que los frenos de tambor. Por eso, los frenos de disco en las cuatro ruedas se han vuelto cada vez más populares, reemplazando a los tambores en todos los vehículos menos en los más básicos. Sin embargo, muchos diseños de vehículos de dos ruedas continúan empleando un freno de tambor para la rueda trasera.

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

Operación del sistema

En un sistema de freno hidráulico, cuando se presiona el pedal del freno, una varilla de empuje ejerce fuerza sobre el pistón (s) en el cilindro maestro, haciendo que el líquido del depósito de líquido de frenos fluya hacia una cámara de presión a través de un puerto de compensación. Esto da como resultado un aumento en la presión de todo el sistema hidráulico, forzando el fluido a través de las líneas hidráulicas hacia una o más pinzas donde actúa sobre uno o más pistones de pinza sellados por una o más juntas tóricas asentadas (que evitan la fuga del fluido). ).

Luego, los pistones de la pinza de freno aplican fuerza a las pastillas de freno, empujándolas contra el rotor que gira, y la fricción entre las pastillas y el rotor hace que se genere un par de frenado , lo que ralentiza el vehículo. El calor generado por esta fricción se disipa a través de conductos de ventilación y canales en el rotor o se conduce a través de las almohadillas, que están hechas de materiales especiales tolerantes al calor, como kevlar o vidrio sinterizado .

Alternativamente, en un freno de tambor , el líquido entra en un cilindro de rueda y presiona una o dos zapatas de freno contra el interior del tambor giratorio. Las zapatas de freno utilizan un material de fricción tolerante al calor similar al de las pastillas de los frenos de disco.

La liberación posterior del pedal / palanca del freno permite que los resortes en el conjunto del cilindro maestro devuelvan el pistón maestro a su posición. Esta acción primero alivia la presión hidráulica en la pinza, luego aplica succión al pistón del freno en el conjunto de la pinza, moviéndolo de regreso a su alojamiento y permitiendo que las pastillas de freno suelten el rotor.

El sistema de frenado hidráulico está diseñado como un sistema cerrado: a menos que haya una fuga en el sistema, el líquido de frenos no entra ni sale de él, ni el líquido se consume con el uso. Sin embargo, pueden producirse fugas por grietas en las juntas tóricas o por un pinchazo en la línea de freno. Se pueden formar grietas si se mezclan dos tipos de líquido de frenos o si el líquido de frenos se contamina con agua, alcohol, anticongelante o cualquier otro líquido.

Un ejemplo de un sistema de freno hidráulico

Los frenos hidráulicos transfieren energía para detener un objeto, normalmente un eje giratorio. En un sistema de frenos muy simple, con solo dos cilindros y un freno de disco , los cilindros podrían conectarse a través de tubos, con un pistón dentro de los cilindros. Los cilindros y tubos están llenos de aceite incompresible. Los dos cilindros tienen el mismo volumen, pero diferentes diámetros y, por lo tanto, diferentes áreas de sección transversal. El cilindro que usa el operador se llama cilindro maestro . El freno de disco giratorio estará adyacente al pistón con la sección transversal más grande. Suponga 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 presionará con una fuerza de 40 N.

Esta fuerza se puede aumentar aún más insertando una palanca conectada entre el pistón maestro, un pedal y un punto de pivote . Si la distancia del pedal al pivote es tres veces la distancia del pivote al pistón conectado, entonces multiplica la fuerza del pedal por un factor de 3, al presionar el pedal, de modo que 10 N se convierte en 30 N en el pistón maestro y 120 N en la pastilla de freno. Por el contrario, el pedal debe moverse tres veces hasta el pistón maestro. Si presionamos el pedal 120 mm hacia abajo, el pistón maestro se moverá 40 mm y el pistón esclavo moverá la pastilla de freno 10 mm.

Detalles de los componentes

(Para sistemas de frenos automotrices de servicio liviano típicos)

En un automóvil de cuatro ruedas, el FMVSS Standard 105, 1976; requiere que el cilindro maestro se divida internamente en dos secciones, cada una de las cuales presuriza un circuito hidráulico separado. Cada sección suministra presión a un circuito. La 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 freno dividido en diagonal (el cilindro maestro de una motocicleta o scooter solo puede presurizar una sola unidad, que será el freno delantero).

Un sistema dividido delantero / trasero utiliza una sección del cilindro maestro para presurizar los pistones de la pinza delantera y la otra sección para presurizar los pistones de la pinza trasera. En la mayoría de los países, la ley exige ahora un sistema de frenos de circuito dividido por razones de seguridad; si un circuito falla, el otro circuito aún puede detener el vehículo.

Los sistemas de división diagonal se utilizaron inicialmente en los automóviles de American Motors en el año de producción de 1967. La parte delantera derecha y la trasera izquierda son servidas por un pistón accionador, mientras que la parte delantera izquierda y la trasera derecha son servidas, exclusivamente, por un segundo pistón accionador (ambos pistones presurizan sus respectivas líneas acopladas desde un solo pedal). Si alguno de los circuitos falla, el otro, con al menos un frenado de la rueda delantera (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 divididos en diagonal se habían vuelto comunes entre los automóviles vendidos en los Estados Unidos. Este sistema se desarrolló con el diseño de suspensión de los automóviles con tracción delantera para mantener un mejor control y estabilidad durante una falla del sistema.

Se introdujo un sistema de división triangular en la serie Volvo 140 de MY 1967, donde los frenos de disco delanteros tienen una disposición de cuatro cilindros, y ambos circuitos actúan en cada rueda delantera y en una de las ruedas traseras. La disposición se mantuvo hasta las siguientes series de modelos 200 y 700.

El diámetro y la longitud del cilindro maestro tienen un efecto significativo en el rendimiento del sistema de frenos. Un cilindro maestro de mayor diámetro entrega más líquido hidráulico a los pistones de la pinza, pero requiere más fuerza en el pedal del freno y menos carrera del pedal del freno para lograr una desaceleración determinada. Un cilindro maestro de menor diámetro tiene el efecto contrario.

Un cilindro maestro también puede usar diámetros diferentes entre las dos secciones para permitir un mayor volumen de fluido en un juego de pistones de pinza o en el otro y se denomina M / C de "toma rápida". Estos se utilizan con pinzas delanteras de "baja resistencia" para aumentar el ahorro de combustible.

Se puede usar una válvula dosificadora para reducir la presión en los frenos traseros cuando se frena con fuerza. Esto limita el frenado trasero para reducir las posibilidades de bloquear los frenos traseros y reduce en gran medida las posibilidades de un trompo.

Frenos de potencia

El amplificador de vacío o servo de vacío se utiliza en la mayoría de los sistemas de frenos hidráulicos modernos que contienen cuatro ruedas. El amplificador de vacío está conectado entre el cilindro maestro y el pedal del freno y multiplica la fuerza de frenado aplicada por el conductor. Estas unidades constan de una carcasa hueca con un diafragma de goma móvil en el centro, creando dos cámaras. Cuando se conecta a la parte de baja presión del cuerpo del acelerador o al colector de admisión del motor, la presión en ambas cámaras de la unidad se reduce. El equilibrio creado por la baja presión en ambas cámaras evita que el diafragma se mueva hasta que se pisa el pedal del freno. Un resorte de retorno mantiene el diafragma en la posición inicial hasta que se aplica el pedal del freno. Cuando se aplica el pedal del freno, el movimiento abre una válvula de aire que deja entrar aire a presión atmosférica a una cámara del amplificador. Dado que la presión aumenta en una cámara, el diafragma se mueve hacia la cámara de menor presión con una fuerza creada por el área del diafragma y la presión diferencial. Esta fuerza, además de la fuerza del pie del conductor, empuja el pistón del cilindro maestro. Se requiere una unidad de refuerzo de diámetro relativamente pequeño; para un vacío del colector del 50% muy conservador, un diafragma de 20 cm con un área de 0,03 metros cuadrados produce una fuerza de asistencia de aproximadamente 1500 N (200 n). El diafragma dejará de moverse cuando las fuerzas en ambos lados de la cámara alcancen el equilibrio. Esto puede ser causado por el cierre de la válvula de aire (debido a que el pedal se detiene) o si se alcanza el "agotamiento". El agotamiento se produce cuando la presión en una cámara alcanza la presión atmosférica y la presión diferencial ahora estancada no puede generar ninguna fuerza adicional. Una vez que se alcanza el punto de agotamiento, solo se puede usar la fuerza del pie del conductor para aplicar más el pistón del cilindro maestro.

La presión del fluido del cilindro maestro viaja a través de un par de tubos de freno de acero hasta una válvula de diferencial de presión , a veces denominada "válvula de falla del freno", que realiza dos funciones: iguala la presión entre los dos sistemas y proporciona una advertencia. si un sistema pierde presión. La válvula de presión diferencial tiene dos cámaras (a las que se conectan las líneas hidráulicas) con un pistón entre ellas. Cuando la presión en cualquiera de las líneas está equilibrada, el pistón no se mueve. Si se pierde la presión de un lado, la presión del otro lado mueve el pistón. Cuando el pistón hace contacto con una sonda eléctrica simple en el centro de la unidad, se completa un circuito y se advierte al operador de una falla en el sistema de frenos.

Desde la válvula de diferencial de presión, el tubo de freno lleva la presión a las unidades de freno en las ruedas. Dado que las ruedas no mantienen una relación fija con el automóvil, es necesario utilizar una manguera de freno hidráulico desde el extremo de la línea de acero en el bastidor del vehículo hasta la pinza en la rueda. Permitir que la tubería de freno de acero se flexione provoca la fatiga del metal y, en última instancia, la falla del freno. Una actualización común es reemplazar las mangueras de goma estándar con un juego que está reforzado externamente con alambres trenzados de acero inoxidable. Los cables trenzados tienen una expansión insignificante bajo presión y pueden dar una sensación más firme al pedal del freno con menos recorrido del pedal para un esfuerzo de frenado dado.

El término "frenos hidráulicos de potencia" también puede referirse a sistemas que operan con principios muy diferentes en los que una bomba impulsada por motor mantiene una presión hidráulica continua en un acumulador central. El pedal del freno del conductor simplemente controla una válvula para purgar la presión en las unidades de freno en las ruedas, en lugar de crear realmente la presión en un cilindro maestro presionando un pistón. Esta forma de freno es análoga a un sistema de frenos de aire pero con fluido hidráulico como medio de trabajo en lugar de aire. Sin embargo, en un freno de aire, el aire sale del sistema cuando se sueltan los frenos y se debe reponer la reserva de aire comprimido. En un sistema de frenos hidráulico motorizado, el líquido a baja presión se devuelve desde las unidades de freno en las ruedas a la bomba impulsada por el motor cuando se sueltan los frenos, por lo que el acumulador de presión central se vuelve a presurizar casi instantáneamente. Esto hace que el sistema hidráulico de potencia sea muy adecuado para vehículos que deben detenerse y arrancar con frecuencia (como los autobuses en las ciudades). El fluido que circula continuamente también elimina los problemas con las piezas congeladas y el vapor de agua acumulado que puede afectar los sistemas de aire en climas fríos. El autobús AEC Routemaster es una aplicación bien conocida de frenos hidráulicos de potencia y las sucesivas generaciones de automóviles Citroen con suspensión hidroneumática también utilizaron frenos hidráulicos de potencia total en lugar de sistemas de frenos automotrices convencionales. La mayoría de los aviones grandes también utilizan frenos de rueda hidráulicos eléctricos, debido a la inmensa cantidad de fuerza de frenado que pueden proporcionar; los frenos de las ruedas están conectados a uno o más de los principales sistemas hidráulicos de la aeronave , con la adición de un acumulador para permitir que la aeronave se frene incluso en caso de falla hidráulica.

Consideraciones Especiales

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

El fluido hidráulico no debe ser comprimible. A diferencia de los frenos de aire , donde se abre una válvula y el aire fluye hacia las líneas y las cámaras de freno hasta que la presión aumenta lo suficiente, los sistemas hidráulicos se basan en una sola carrera de un pistón para forzar el fluido a través del sistema. Si se introduce vapor en el sistema, se comprimirá y es posible que la presión no aumente lo suficiente como para accionar los frenos.

Los sistemas de frenos hidráulicos a veces están sujetos a altas temperaturas durante el funcionamiento, como al descender pendientes pronunciadas. Por esta razón, 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 ingresa a las líneas de freno, incluso en pequeñas cantidades, reaccionará con los líquidos de frenos más comunes (es decir, los que son higroscópicos ) provocando la formación de depósitos que pueden obstruir las líneas de freno y el depósito. Es casi imposible sellar completamente cualquier sistema de frenos de la exposición al agua, lo que significa que es necesario cambiar regularmente el líquido de frenos para garantizar que el sistema no se llene demasiado con los depósitos causados ​​por las reacciones con el agua. Los aceites ligeros a veces se utilizan como fluidos hidráulicos específicamente 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.

La " atenuación del freno " es una condición causada por el sobrecalentamiento en la que la eficacia del frenado se reduce y puede perderse. Puede ocurrir por muchas razones. Las almohadillas que se acoplan a la parte giratoria pueden sobrecalentarse y "vidriarse", volviéndose tan suaves y duras que no pueden agarrarse lo suficiente para frenar el vehículo. Además, la vaporización del fluido hidráulico a temperaturas extremas o la distorsión térmica pueden hacer que los revestimientos cambien de forma y se acoplen a una menor superficie de la parte giratoria. La distorsión 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 partes afectadas.

Ver también

Referencias

enlaces externos

Patentes

  • US 2746575 Frenos de disco para vehículos de carretera y otros . Kinchin 1956-05-22 
  • US 2591793 Dispositivo para ajustar el recorrido de retorno de medios accionados por fluido . Dubois 1952-04-08 
  • US 2544849 Ajustador automático del freno hidráulico . Martín 1951-03-13 
  • US 2485032 Aparato de freno . Bryant 08/10/1949 
  • US 2466990 Freno de disco simple . Johnson Wade C, Trishman Harry A, Stratton Edgar H. 12 de abril de 1949 
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