¿Cómo se produce el sistema de frenado en los vehículos?

Road House describe en qué consiste la tribología: ciencia que explica cómo se produce la fricción y el frenado en los vehículos, además de la adhesión y el desgaste de los elementos.

La tribología es fundamental para describir cómo se produce la fricción y el frenado en los vehículos, además de la adhesión y el desgaste de los elementos.

La verdad es que la tribología es una de las ciencias más desconocidas para el gran público en general (el término comenzó a utilizarse a finales del siglo XX), pero es esencial para conocer cómo se desarrolla la acción de frenar, por ejemplo, en un vehículo.

La definición nos dice que la tribología es la ciencia y técnica que estudia el contacto entre superficies en movimiento y los problemas relacionados con ellos como el desgaste, la fricción, la adhesión y la lubricación.

De esta manera, en la interacción entre dos superficies aparecen diversos fenómenos cuyo conocimiento es de vital importancia. Dichos fenómenos fundamentalmente son tres:

1) Fricción. Se produce por la existencia de fuerzas tangenciales que aparecen entre dos superficies sólidas en contacto cuando permanecen unidas por la existencia de esfuerzos normales.

2) Desgaste. Consiste en la desaparición de material de la superficie de un cuerpo como consecuencia de la interacción con otro cuerpo.

3) Adhesión. Capacidad para generar fuerzas normales entre dos superficies después de que han sido mantenidas juntas. Es decir, la capacidad de perdurar dos cuerpos unidos por la generación anterior de fuerzas de unión entre ambos.

Pues bien, la tribología está presente prácticamente en todas las piezas en movimiento. Así se encuentran:

  • Mínimo desgaste y mínima fricción: rodamientos, engranajes, levas… gracias a la lubricación y las capas de recubrimiento.
  • Mínimo desgaste y máxima fricción: frenos, embragues, neumáticos… con materiales resistentes al desgaste.
  • Máximo desgaste y mínima fricción: lápices, deposición de lubricantes sólidos mediante deslizamiento.
  • Máxima fricción y máximo desgaste: borradores.

Desde el especialista en frenos analizan situaciones en las que muestran lo importante que son las soluciones a problemas tribológicos. Por ejemplo, los automóviles -en los que existen más de 2.000 contactos tribológicos- las mejoras tribológicas pueden suponer un ahorro estimado de energía del 18,6 %.

De otra manera, en el campo energético, se estima que en Estados Unidos un 11 % de la energía total consumida en cuatro grandes sectores: transportes, turbo máquinas, generadores de potencia y procesos industriales, se puede ahorrar introduciendo avances tribológicos. Desde el punto de vista económico un informe realizado en Alemania reveló que las pérdidas como consecuencia de la fricción y el desgaste, equivalen a un desperdicio energético anual del orden de veinte mil millones de euros.

¿Qué es la fricción?

La fricción es la resistencia al movimiento que se produce cuando un objeto sólido se mueve tangencialmente con respecto a la superficie de otro sólido con el que está en movimiento.

La fricción se expresa en términos relativos de fuerza como el coeficiente entre la fuerza de fricción y la carga nominal a la superficie de contacto.

Dos tipos:

  1. Fuerza de fricción estática:la necesaria para iniciar el movimiento. Si la fuerza tangencial aplicada es menor a este valor, no existe movimiento.
  2. Fuerza de fricción cinética o dinámica:la necesaria para mantener el movimiento.

Los coeficientes de fricción típicos que presenta el acero cuando se desliza sobre otros materiales son los que aparecen en la siguiente tabla.

Material 1 Vs. Material 2 m
Acero Acero 0,62
Bronce Acero 0,24
Grafito Acero 0,10

La fuerza de fricción es debida a varios efectos que suponen aportación de energía como la adhesión (principal componente de la fricción), la deformación y la interacción entre asperezas.

A tener en cuenta

A: La existencia de capas contaminantes entre el disco de freno y el material de fricción reduce considerablemente las fuerzas de fricción.

B: La existencia de una fuerza de fricción aumenta el área real de contacto y del barrido de la capa intermedia (tercera capa), acrecentando la adhesión respecto al simple contacto.

C: Es importante destacar que con altas velocidades de deslizamiento de una superficie contra la otra se aumenta la temperatura debido a la fuerza de rozamiento entre ambos materiales que se oponen al movimiento, por lo tanto, se produce una conversión de la energía cinética en calor (energía térmica) con el consiguiente ascenso de la temperatura de ambas superficies.

¿Qué es el frenado?

Según RH, el frenado de un cuerpo en movimiento es uno de los estudios más complejos dentro de la tribología.

Al frenar un vehículo lo que se consigue, por medio de la fricción entre dos materiales, es la transformación de energía cinética y/o potencial en energía calorífica. Esta transformación de energía lo que provoca es un aumento de la temperatura global de todo el sistema.

Dicha transformación de la energía se produce con el contacto entre una parte fija que va anclada a la mangueta del vehículo (el caliper) y una parte móvil que gira solidaria con la rueda a la misma velocidad angular (el disco). Cuando se acciona el pedal del freno se presuriza el circuito y los émbolos de las pinzas empujan a las pastillas (elemento fijo) contra el disco (elemento móvil).

En el contacto entre las pastillas y el disco de freno es donde se produce la transformación de la energía, de ahí que las características de ambos elementos sean muy peculiares, ya que deben de soportar altas temperaturas sin desgastarse en exceso, pero con un buen coeficiente de rozamiento para conseguir frenar el vehículo.

Por último, el coeficiente de rozamiento del material de fricción ha de ser lo más estable posible en distintas velocidades y a diferentes presiones en el sistema de freno, de forma tal que el conductor pueda prever el resultado cuando trata de decelerar su vehículo.