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Mecanismos del automóvil
Sistema de frenos
Ing. Hugo L. Agüero Alva
El sistema de frenado
Todos los vehículos están dotados de freno a todas las ruedas incorporando, en muchos casos, sistemas de ayuda que disminuyen los esfuerzos que realiza el conductor (servofrenos).
El sistema de frenado es un aspecto de suma importancia en la seguridad activa del vehículo.
Ing. Hugo L. Agüero Alva
¿Qué es el sistema de frenado
El sistema de frenado es el conjunto de mecanismos y componentes que se encargan de:
-Reducir la velocidad del vehículo-Permitir la detención total del vehículo-Mantener el vehículo inmóvil
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Principio de funcionamiento
El frenado es la aplicación de una superficie fija contra una superficie giratoria, para disminuir la velocidad o detenerlo.
El rozamiento que se produce entre las superficies en contacto, se convierte en calor, que se disipa a la atmósfera por radiación.
La energía cinética y/o potencial es transformada en energía calorífica y con ello se consigue la reducción de la velocidad del vehículo.
Ing. Hugo L. Agüero Alva
-Eficacia: Con un mínimo de esfuerzo sobre el pedal, conseguir el frenado en un tiempo y distancia mínima.
- Estabilidad: Al frenar el vehículo debe conservar su estabilidad sin derrape, desviaciones ni reacciones del volante. -Comodidad: De manera progresiva, con un recorrido de pedal razonable, sin ruidos ni trepidaciones.
Requisitos de un sistema de frenos
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Sistema de frenado - Instalaciones
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Las normas estipula que el sistema de frenado de un vehículo automotriz debe incluir:
-Freno de servicio-Freno de socorro-Freno de estacionamiento
Freno de servicio
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Este freno se usa para decelerar el vehículo durante la conducción normal, deteniéndolo en forma segura y con la eficacia exigida por la reglamentación, cualquiera sean sus condiciones de velocidad, carga y la pendiente de la carretera.
El pedal de freno permite el control del vehículo, de un modo preciso, durante el frenado.
Tipos de frenos
En función de las exigencias y tipo de vehículo se emplean sistemas con distintas fuerzas de transmisión (fuerza mecánica, hidráulica, electromagnética, neumática).
En vehículos de turismo se emplean casi siempre sistemas de frenos hidráulicos (“frenos de pedal”) y frenos deestacionamiento mecánicos (“frenos de mano”).
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Freno de socorro o auxiliar
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Este freno debe permitir la detención del vehículo, en la distancia prevista, en caso falle el freno de servicio.El conductor deberá conseguir la frenada desde su asiento y controlando el volante al menos con una mano.
Ejemplo: freno de motor o escape, freno hidrodinámico y freno eléctrico.
Freno de estacionamiento
Ing. Hugo L. Agüero Alva
El sistema de frenos de estacionamiento ó “freno de mano” fija el vehículo en su posición –también en posiciones inclinadas y en la ausencia del conductor. Actúa solo sobre las ruedas de un eje.Por razones de seguridad entre el dispositivo de actuación y el freno de rueda debe existir la unión mecánica completa por medio del cable del freno de mano.
Fuentes de generación de fuerza para el frenado
Encargados de proporcionar , regular y controlar la fuerza necesaria para realizar el frenado.
Pueden ser:-Frenado por energía muscular, la fuerza de frenado es proporcionada únicamente por el conductor.
-Frenado asistido, la energía es suministrada por la fuerza aplicada por el conductor y en parte por algún dispositivo de suministro de energía (servofrenos hidráulicos, neumáticos).
-Otros tipos, como los sistemas de freno con fuerza externa (ABS), freno automático de remolques, etc.
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Componentes del sistema de frenado
Un sistema de frenado se compone de:1)Dispositivo de actuación.- El conductor genera y controla la fuerza de frenado deseada.2)Dispositivo de transmisión.- A través de el se transmite la fuerza de frenado del conductor a los frenos de rueda.3)Frenos de rueda.- Retardan el movimiento de las ruedas del vehículo.
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Componentes del sistema de frenos de un automóvil con servoasistencia
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Componentes del sistema de frenos de un automóvil con ABS
Ing. Hugo L. Agüero Alva
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Frenos
El freno es la parte del sistema de frenado donde se generan las fuerzas que se oponen y contrarrestan el movimiento del vehículo.
El freno transforma la energía cinética del vehículo en calor que se disipa al medio ambiente por convección.
La mayoría de los vehículos están equipados por frenos de fricción, que usan la energía de frenado, almacenada en forma de presión, para presionar componentes fijos (pastillas, zapatas) contra componentes rotatorios (disco, tambor).
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Freno de disco
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Freno de tambor
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El proceso de frenado comprende dos tiempos:
1)Tiempo de reacción (del conductor y mecanismos), y 2)Tiempo de frenado propiamente
El tiempo total de frenado es la suma de los dos tiempos anteriores.
El proceso de frenado
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Según ensayos efectuados por la firma Bosch, se desprenden las conclusiones relativas a un conductor de aptitudes normales:
-Para un conductor advertido de la presencia de un obstáculo y que se apresta a frenar: 0,6 a 0,8 s-Para un conductor atento: 0,7 a 0,9 s-Para un conductor distraído por la conversación, maniobra, etc.: 1,0 a 1,1 s-Para un conductor desatento: 1,4 a 1,8 s
Tiempo de reacción del conductor
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Tiempo de reconocimiento del peligro: aprox: 0,4 seg
Tiempo previo al frenado ( ) : aprox: 0,8 a 1,0 seg
y está compuesto por:
2donde:
, tiempo de reacción del conductor, aprox: 0,2 a 0
vz
Svz R U A
R
t
tt t t t
t
,3 seg
, tiempo de cambio de pedal, aprox: 0,2 seg
, tiempo de reacción del mecanismo de freno, aprox: 0,2 seg
, tiempo de umbral, aprox: 0,4 seg
Según la Norma UE CEE 71/320, la suma del y n
U
A
S
A S
t
t
t
t t o debe de
sobrepasar 0,6 seg
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VZ
VZ VZ
Como se trata de MRU
La distancia que el vehículo recorre el vehículo (S ), hasta antes
que comiencen actuar los mecanismos de frenado, es igual a:
S = v.t
:
, tiempo previo vz
donde
t al frenado
, velocidad inicial del vehículo
, aceleración
v
S
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AH
AH VZ
AH
Tiempo de frenado total (t ), es igual a:
t = t +
:
, tiempo previo al frenado
, velocidad inicial del vehículo
, aceleración
Recorrido de detención (s ), es igual a:
vz
v
adonde
t
v
a
2
AH VZ s = S + 2.
:
, Espacio recorrido en MRU
, velocidad inicial del vehículo
, aceleración
vz
v
adonde
S
v
a
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La dinámica del frenado
LA ECUACION FUNDAMENTAL DE FRENADO
. ..................................(1)
:
, Fuerza de inercia que aparece durante el frenado=m.a
, Fuerza de frenado
, Total de fuerza
resis acel f
i
f
resis
F F F m a
donde
F
F
F
s que se oponen al avance del vehículo
, Total de fuerzas que favorecen el movimiento.
, Centro de gravedad del vehículo acelF
CG
Las fuerzas que se oponen al movimiento del vehículo son las siguientes:-Resistencia al avance por rodadura-Resistencia aerodinámica-Resistencia por pendiente
Las expresiones de cada una son:
2
2
. .cos
.
= A.v 1,6
.cos . A.v ............................. (2)1,6
r
p
a
resist r p a
resist
F f G
F G sen
CxF
F F F F
CxF G G sen
Ing. Hugo L. Agüero Alva
2A, m
, en km/h
, n Na
v
F
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Fuerzas de frenado en frenos de tambor
Diagrama para el valor característicode los frenos
, Fuerza de aprieto
, Fuerza de frenado en el tambor
, Valor característico de los frenos
, Coeficiente de rozamiento dinámico
AT
FT
o
F
F
C
ATF
Ing. Hugo L. Agüero Alva
La fuerza periférica en el freno de tambor está dada por:
.
El coeficiente dinámico de rozamiento, puede variar:
0,30 a 0
FT ATF C F
FT
, 40
En una rueda en proceso de frenado aparecen los siguientes pares o momentos:
. .
donde:
, Fuerza de frenado en el tambor
, Radio del tambor
, Fuerza
T FR D
FT
T
FR
F r F r
F
r
F
de frenado por rueda
, Radio dinámico de la ruedaDr
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Fuerzas de frenado en frenos de disco
2. .
, Fuerza de frenado en el disco
, Fuerza de aprieto en el disco
, Radio del disco
FD D AD
FD
AD
D
F F
F
F
r
ADF
dr
El par de frenado en el disco será:
M .
, Fuerza de frenado en el disco
, Radio del disco
FD FD d
FD
d
F r
F
r
FR
FR FD
Para el caso de vehículos que tienen frenos de disco delantero y
tambor posterior:
La fuerza de frenado total en las ruedas (F ), será:
F 2 +2F
:
, Fuerza de de frenado en el tambor
, Fu
FT
FT
FD
F
donde
F
F
erza de de frenado en el disco
Ing. Hugo L. Agüero Alva
La energía cinética que posee un cuerpo de masa “M”, y que lleva una velocidad “v” , tiene por expresión:
La acción de frenado desarrolla en las bandas de rodadura de un vehículo una fuerza de frenado “F”, desde su entrada en acción hasta su parada, un trabajo igual a la energía cinética a absorber.
Si designamos por “d” la distancia recorrida durante el frenado y suponiendo “F” constante, se tiene:
2.21
vMEc
dFEc .Ing. Hugo L. Agüero Alva
La experiencia indica que, durante el frenado, la aceleración negativa “a” prácticamente es constante; estando ligada a la fuerza de frenado por:
Estas fórmulas permiten calcular:
a) La deceleración, conociendo la fuerza de frenado:
aMF .
MF
a
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b) La distancia de parada conociendo la deceleración
c) El tiempo de frenado
2 21 / 2 .
. 2f
Ec M v vd
F M a a
av
t f
fd
ft
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Desaceleración, tiempo y distancia de frenado
Ing. Hugo L. Agüero Alva
2
2
o
Desaceleración de frenado:
2.
Tiempo de frenado:
2
Distancia de frenado:
2 2
Velocidad inicial:
v . 2 .
o o
o
o
o o
v va
t s
v st
a v
v t vs
a
a t a s
En relación al coeficiente de adherencia , es posible obtener el espacio mínimo de frenado s (metros), cuando un vehículo se desplaza a una velocidad v (km/h):
2
, donde:254
, velocidad en km/h
, espacio de frenado en m
vs
v
s
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Problema 1
En el sistema de frenos de un vehículo (discos delanteros y tambor trasero), se tienen los siguientes datos:•Distancia del eje del pedal al eje del cilindro maestro: r1=20 cm, r2=5 cm•Diámetro de cilindro maestro: 2,5 cm•Diámetro en los bombines de freno de zapata: 2,4 cm•Diámetro en el bombín de freno de disco: 6,0 cm•Área de las pastillas de freno: 18 cm2•Área de las zapatas: 100 cm2
Ing. Hugo L. Agüero Alva
Si el conductor aplica una fuerza de 75 kg, calcular1)La fuerza resultante en el cilindro maestro, kg-f.2)La presión en el sistema de frenos, bar 3)La fuerza de aprieto, la fuerza tangencial y el torque en el tambor de freno, asumir coeficiente de rozamiento de 0,40 de un simplex, kg-f.4)La presión que ejercen las zapatas sobre el tambor de freno, bar 5)La fuerza de aprieto y la fuerza tangencial que se origina en el disco de freno, asumir coeficiente de rozamiento de 0,35, kg-f6)La presión que ejercen las pastillas sobre el disco, en bar7)Calcular la fuerza total de frenado en las cuatro ruedas, en kg-f.8)Calcular el par de frenado en las ruedas delanteras y posteriores, en kg.m
Ing. Hugo L. Agüero Alva
