Sistemas de frenado hidráulico explicados: Cómo tu coche se mantiene seguro

Con el entendimiento del sistema de frenado en automóviles, discutir el tipo hidráulico es muy necesario ya que es ampliamente utilizado. El sistema de frenado usa fluido hidráulico para transmitir la fuerza del pedal o palanca de freno a las zapatas finales del tambor o pinza de disco para que el frenado prevalezca.

En un sistema de frenado hidráulico, la fuerza mecánica del pedal de freno se transmite y convierte en presión hidráulica con la ayuda del cilindro maestro. Esto se explicará más adelante.

El sistema de frenos hidráulicos funciona con el principio de la ley de Pascal. La ley establece que cuando se aplica presión sobre un fluido, esta viaja uniformemente en todas las direcciones. Hoy veremos la definición, funciones, construcción, aplicaciones, componentes, diagrama, tipos, funcionamiento, así como ventajas y desventajas del sistema de frenado hidráulico.

¿Qué es un sistema de frenado hidráulico?

Un sistema de frenos hidráulico es un mecanismo de frenado que usa líquido de frenos para transmitir fuerza al sistema. El fluido transfiere presión desde el mecanismo de control al mecanismo de frenado.

El sistema de frenado hidráulico es ampliamente utilizado en vehículos de cuatro ruedas de baja velocidad como el Tata Ace. Funciona con tipo tambor, mientras que el tipo disco se usa en casi todos los coches. También se usa en algunas motos. Los frenos hidráulicos de simple efecto se usan en frenos de rueda delantera de algunos Pulsar, mientras que los frenos hidráulicos de doble efecto se usan en casi todas las condiciones mencionadas anteriormente.

Funciones del sistema de frenado hidráulico

A continuación se muestran las funciones del sistema de frenado hidráulico en el sistema automotriz:

• El freno hidráulico genera una fuerza muy alta comparado con el frenado mecánico.
• El frenado final es rápido y efectivo, por eso se usa en vehículos de alto rendimiento.
• El desgaste por fricción que ocurre en el sistema de frenado mecánico se reduce mucho a un nivel óptimo en el sistema de frenado hidráulico.
• Las posibilidades de fallo de frenos se reducen en el sistema de frenado hidráulico comparado con los tipos mecánicos, debido a la conexión directa entre el actuador (pedal o palanca de freno) y el disco o tambor de freno.
• El sistema de frenado hidráulico es muy fácil de arreglar debido a su menor complejidad comparado con los frenos mecánicos.

Construcción

La construcción de un sistema de frenado hidráulico implica la disposición de las siguientes partes:

Pedal o palanca de freno, una varilla de empuje, también conocida como varilla de actuación, un conjunto de cilindro maestro que lleva el conjunto de pistón. Está compuesto por uno o dos pistones, un muelle de retorno, una serie de juntas o anillos tóricos, y un depósito de fluido. La construcción de un sistema de frenado hidráulico contiene líneas hidráulicas reforzadas y el conjunto de pinza de freno consiste en uno o dos pistones huecos de aluminio o acero cromado. Se conocen como pistones de pinza. Hay un juego de pastillas de freno térmicamente conductoras y un rotor, también conocido como disco de freno o tambor unido a un eje.

Un líquido de frenos basado en glicol-éter llena el sistema para transmitir la fuerza a las cuatro ruedas. Aunque otros fluidos también pueden emplearse. Repentinamente, los fabricantes comenzaron a diseñar vehículos de pasajeros con frenos de tambor en las cuatro ruedas. Convencionalmente, el freno de disco se usa en la rueda delantera mientras que los frenos de tambor se emplean para la rueda trasera.

Los frenos de disco tienen mejor disipación de calor y mayor resistencia al desvanecimiento, y también son más seguros que los frenos de tambor. Por eso los frenos de disco en las cuatro ruedas han aumentado enormemente a lo largo de los años. Además, los frenos hidráulicos ofrecen una retirada de pastillas más rápida y consistente al soltar el pedal.

Aplicaciones

La aplicación común de los frenos hidráulicos que lo hace popular es porque se usa en vehículos. El sistema es ampliamente utilizado debido a sus grandes ventajas. Varios tipos de industrias de transporte y material rodante como aeroespacial, transporte pesado, marino y sistemas fuera de carretera también hacen gran uso del sistema de frenado hidráulico. El sistema también está diseñado en equipos industriales como herramientas de máquina, bombas, transportadores, motores, robótica y automatización. El vasto uso es porque el sistema de frenado mecánico no puede ofrecer mejor como lo hace y es significativamente más fácil de modular.

Componentes del sistema de frenos hidráulico

A continuación se muestran los componentes del sistema de frenos hidráulico y sus funciones:

Freno de tambor (Drum brake):

Los frenos de tambor son un pequeño tambor redondo diseñado con un juego de zapatas de freno en su interior. Las zapatas de freno están apoyadas en una placa trasera que está unida a la carcasa del eje con tornillos. Gira junto con las ruedas y resiste la rotación de la rueda cuando se presiona el pedal de freno. Las zapatas se mueven hacia el tambor para que el frenado tenga lugar.

Freno de disco (Disk brake):

Los frenos de disco están diseñados con un rotor metálico en forma de disco atornillado al buje de la rueda. El rotor metálico gira dentro de la rueda. Al presionar el pedal de freno, las pastillas de freno se presionan contra el disco, causando que el vehículo o dispositivo se desacelere.

Pedal de freno (Brake pedal):

Así como es común en automóviles tener pedal de freno para aplicar frenos, el sistema de frenado hidráulico también usa tal. El pedal está conectado al maestro del cilindro usando un cordón mecánico o varilla de enlace.

Cilindro maestro (Master cylinder):

El cilindro maestro es la parte que convierte la fuerza aplicada desde el pedal a presión hidráulica. La función de la parte es desarrollar presión, igualar la presión requerida para frenar, y también prevenir contaminantes como agua y aire. Componentes del cilindro maestro incluyen carcasa, depósito, pistón, copa de goma, presión, válvula de retención, etc.

Cilindro de rueda (Wheel cylinder):

Un cilindro de rueda en el sistema de frenos hidráulico ayuda a convertir la presión hidráulica a presión mecánica. En su funcionamiento, empuja las zapatas de freno hacia el tambor. El cilindro de rueda se categoriza en dos, que incluyen un cilindro de rueda escalonado y un cilindro de rueda de pistón único.

Tuberías o mangueras de freno (Brake lines or hoses):

Las tuberías o mangueras de freno ayudan a transferir fluido de alta presión entre diferentes componentes. La diferencia entre los dos es que las tuberías de freno son rígidas en construcción, hechas con tubos de acero de doble pared. Estas mangueras de freno son flexibles y pueden moverse. Los fluidos hidráulicos pasan el componente al presionar el pedal de freno.

Líquido de frenos (Brake fluid):

Los líquidos de frenos son el medio a través del cual la presión se transfiere a los cilindros de rueda. Los líquidos de frenos hidráulicos deben tener un punto de congelación bajo, tolerancia al agua, lubricación, no corrosividad, viscosidad adecuada y alto punto de ebullición.

Diagrama del sistema de frenado hidráulico:

[Diagrama no disponible en el texto original]

Especificaciones

A continuación se muestra la especificación de rendimiento a considerar al elegir un sistema de frenos hidráulico:

• Par nominal (Torque rating) – es el par nominal máximo para el freno que debe igualar o exceder el requisito de la aplicación.
• Potencia (Power) – es la capacidad máxima o potencia nominal para el freno.
• Velocidad (Speed) – Esta especificación solo se aplica a frenos rotativos, que es la velocidad rotativa máxima nominal.
• Presión máxima (Maximum pressure) – el límite máximo de presión para frenos hidráulicos.
• Configuración del eje (Shaft configuration) – cómo se montará el freno (en línea, paralelo o ángulo recto).

Tipos de sistema de frenado hidráulico

A continuación se muestran los diversos tipos de sistema de frenado hidráulico:

Los sistemas de frenos hidráulicos se clasifican en dos bases: La base del mecanismo de contacto por fricción y Base de distribución de fuerza de freno.

La base de contacto por fricción es de dos tipos, que incluyen:

• Freno de tambor o frenos hidráulicos de expansión interna
• Frenos de disco o frenos hidráulicos de contracción externa.

La base de distribución de fuerza también tiene dos tipos de frenos hidráulicos tales como:

• Frenos hidráulicos de simple efecto
• Frenos hidráulicos de doble efecto.

Estos se explicarán en detalle en la sección de principio de funcionamiento.

Principio de funcionamiento

Porque hay varios tipos de sistemas de frenado hidráulicos, explicaremos el funcionamiento ya que varían. Empezando desde el freno de tambor y disco hasta el de simple y doble efecto hidráulico.

Funcionamiento del sistema de freno hidráulico de tambor

En el tipo de freno hidráulico, la actuación del pedal de freno está unida al pistón de un cilindro maestro por una varilla de conexión. Esto a su vez empuja el pistón del cilindro maestro dentro del cilindro maestro, funcionando como un sistema de inyección o jeringa médica.

El pistón dentro del cilindro maestro comprime el líquido de frenos, lo que entonces ofrece la conversión de energía mecánica en presión hidráulica. Este líquido de frenos altamente comprimido se mueve dentro del freno, transfiriendo la presión hidráulica del cilindro maestro al tambor de freno. Tan pronto como el líquido de frenos de alta presión entra en el cilindro de tambor o cilindro de rueda, ocurre el movimiento del pistón del cilindro debido a la alta presión. Esto a su vez expande las zapatas de freno estacionarias unidas a él.

La expansión de las zapatas de freno causa el contacto friccional entre las zapatas y el forro del tambor (la parte giratoria del tambor) para convertir la energía cinética del vehículo en energía térmica, lo que hace que el frenado ocurra.

Funcionamiento del freno hidráulico de disco:

El funcionamiento del freno hidráulico de disco es muy similar al tipo de tambor hidráulico pero con una ligera diferencia. La diferencia comienza desde donde el líquido de frenos de alta presión entra en las líneas de freno.

Los líquidos de frenos de alta presión entran en la pinza de disco desde las líneas de freno, lo que entonces causa movimiento en el pistón del cilindro de la pinza. El pistón del cilindro de la pinza causa el movimiento de la pastilla de freno que está unida al pistón dentro de la pinza.

El movimiento de las pastillas de freno hace que se abracen con el rotor de disco giratorio. Estos componentes entran en contacto friccional entre sí. Esto causa la conversión de la energía cinética del vehículo en energía térmica, lo que hace que el vehículo se detenga o desacelere.

Funcionamiento de frenado de tambor y disco de simple y doble efecto:

Los componentes del simple efecto y doble efecto de frenos hidráulicos son los mismos. Ya sea el tipo de tambor de simple efecto o tipo de disco de simple efecto, no hay diferencia. Bien, las diferencias pueden ocurrir en el cilindro maestro usado para decidir la distribución de fuerza de freno. Por ejemplo, en motos frenado de rueda simple o doble rueda, en vehículos, frenado de dos ruedas o tracción total.

El funcionamiento del tipo de tambor de simple efecto es exactamente el principio mencionado anteriormente. Eso es para el sistema de frenado hidráulico de tambor. En su funcionamiento, una rueda o par de ruedas recibe la fuerza de frenado.

En el freno hidráulico de doble efecto, el líquido de frenos de alta presión del cilindro maestro se suministra en dos direcciones. Es decir, en moto ambas ruedas y coches tracción total debido al cilindro maestro tándem.

Un freno hidráulico de disco de simple efecto también funciona igual que el tipo de disco de frenado explicado arriba. La rueda o par de ruedas recibe la fuerza de frenado. Mientras que el freno hidráulico de disco de doble efecto distribuye el fluido de alta presión del cilindro maestro en dos direcciones. Por ejemplo, en moto ambas ruedas y coches tracción total debido al cilindro maestro tándem.

Esta explicación es para los frenos hidráulicos de simple y doble efecto.

Mira el video abajo para aprender más sobre cómo funciona el sistema de frenado hidráulico:

[Video no disponible en el texto original]

Ventajas y desventajas del sistema de frenado hidráulico

Ventajas:

A continuación se muestran los beneficios del freno hidráulico en automóviles:

• Ofrece esfuerzo de frenado igual a las cuatro ruedas.
• La fuerza aplicada puede aumentarse o disminuirse cambiando el tamaño del pistón y cilindro.
• Hay menor tasa de desgaste porque no hay juntas.

Desventajas:

Limitaciones del sistema de frenado hidráulico incluyen:

• Fuga de líquido de frenos que podría estropear las zapatas de freno.
• La presencia de bolsas de aire puede destruir todo el sistema.

En conclusión, el sistema de frenado hidráulico es mejor para la elección de frenado para automóviles y otras aplicaciones mecánicas. En este artículo, hemos aprendido en detalle sobre el sistema, que incluye definición, funciones y construcción. También vimos las aplicaciones, componentes, tipos y principios de funcionamiento del sistema de frenado hidráulico.

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