Bueno amigos, vamos por el segundo
artículo técnico sobre los frenos en la F1. En el artículo anterior me centré
en explicar algunos aspectos fundamentales para entender el mecanismo físico
por el cuál un objeto, en este caso un coche frena y cuál es la causa por la
que los equipos utilizan los discos de carbono para montarlo en sus máquinas.
Recordamos que le llama freno a todo dispositivo capaz de modificar el
estado de movimiento de un sistema mecánico mediante fricción, pudiendo incluso
detenerlo completamente, absorbiendo la energía cinética de sus componentes y
transformándola en energía térmica. El freno de un F1 esta revestido con un
material resistente al calor que no se desgasta con facilidad, no se alisa y no
se vuelve resbaladizo.
Ahora vamos a ver
dos aspectos. Uno será el mecanismo en sí y otro cuál es la estructura interna
de un disco de competición. Arrancamos.
ELEMENTOS DEL SISTEMA DE FRENOS.
El sistema de frenos Hidráulicos, el utilizado en la F1
está formado realmente por dos sistemas diferenciados,
el Sistema Hidráulico y los Materiales de Fricción.
Forman el sistema hidráulico:
A- El pedal de freno
B- El cilindro maestro: este
elemento convierte el movimiento del pedal del freno en presión hidráulica.
Consiste en el depósito, que contiene el líquido de frenos, el pistón y el
cilindro que genera la presión.
El depósito está hecho principalmente de resina sintética, mientras que los
cilindros están hechos de hierro de una aleación de aluminio.
En la F1 se utiliza un cilindro maestro en tándem, con dos cámaras
hidráulicas separadas. Esto crea en efecto dos circuitos hidráulicos de frenado
separados, el delantero y el trasero. Si uno de estos circuitos falla, el otro
circuito todavía puede funcionar para detener el vehículo.
La estructura interna la forman dos pistones, el primario y secundario. Cuando
el piloto pisa el pedal de frenos se libera espacio entre el cilindro y el
tanque de depósito facilitando la entrada de líquido en la cámara de presión
primaria. Si la presión del piloto en el pedal aumenta, el pistón primario se
desplaza y bloquea el paso de más líquido a dicha cámara y empieza a acumula
presión hidráulica dentro del cilindro que se transmitirá a los cilindros de
rueda conectados a ese circuito.
La presión hidráulica en la cámara
primaria mueve el pistón secundario también originando los mismos efectos.
Después de que el puerto de compensación de la cámara secundaria está cerrado,
la presión del fluido se acumula y se transmite al circuito secundario.
Cuando el pedal de freno es liberado, los pistones vuelven a su posición
original por la presión hidráulica y la fuerza de los resortes de retorno, unos
simples muelles.
Después de que el pistón ha vuelto a su posición original, el líquido
regresa desde el circuito de cilindro de rueda al depósito a través del puerto
de compensación.
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| Depósitos de líquidos de frenos en el E21. |
C- Circuito de Tubería.
D- Liquido
de frenos. Es el componente del sistema de frenos que menos glamour tiene,
sin embargo es vital para la seguridad en el frenado.
El líquido de frenos es un
líquido incompresible que impulsado por la bomba de freno sirve para transmitir
a las cuatro ruedas el esfuerzo ejercido sobre el pedal de freno.
Además de diferentes calidades, hay distintos
tipos con características diferenciales para el tipo de vehículo que se trate.
Un buen líquido de freno debe otorgar protección
contra la corrosión, para no dañar los componentes metálicos como la bomba de
freno y cilindros de rueda y lubricar los componentes hidráulicos. Para ello,
el líquido de frenos debe tener una viscosidad constante y sobre todo, lo más
importante, un punto de ebullición lo más
elevado posible a cualquier temperatura y condiciones de funcionamiento para
así poder evitar la formación de burbujas. Si los componentes del freno se
calientan debido a una sobrecarga, se pueden formar burbujas de vapor en el
sistema hidráulico. A diferencia del líquido de frenos, las burbujas de vapor
son compresibles; es decir, la presión y la fuerza de frenado se reducen
drásticamente y se manifiesta a través del pedal de freno, llegando este a
ceder hasta casi tocar el suelo al ser presionado, lo que puede tener
consecuencias fatales para el conductor. A partir de esta característica, se
distinguen los diferentes tipos dependiendo de la temperatura de ebullición que
alcanzan. El DOT 3 lo hace a 205 °C y el DOT 5 a 260°C (el origen de
esta clasificación es la normativa emitida por el Departamento de Transporte de
los EE.UU.).
Forman los materiales de fricción:
1) El disco: es el elemento giratorio que recibe la presión de
las pastillas para ejecutar la acción de detener las ruedas. Se encuentra
sujeto al conjunto de la rueda por medio de espárragos de la rueda. Le prestaremos un espacio más amplio en un artículo posterior.
2) Pastilla: es el material de fricción encargado de detener el
movimiento del rotor.
3) Pistones y cilindros: Los pistones son los mecanismos
encargados de hacer que la pastilla y el disco se pongan en contacto entre si
para iniciar la frenada. Estos elementos se activan cuando el piloto pisa el
pedal y gracias a un sistema hidráulico mueve los componentes mencionados.
Suelen estar
hechos de aluminio y luego
son recubiertos por un cromado pero
la
FIA estipula que su sección deba ser circular. En F1 se utilizan seis pistones
por freno repartidos en grupos de tres en cada lado del disco. Los cilindros
son los encargados de contener los pistones y hacerlos actuar.
Los pistones cuentan con un sellado que impiden el escape de la presión
ejercida por el líquido de frenos, a través del cual son accionados.
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| Pistón. |
4) Mordazas o pinza: La mordaza es el soporte de las pastillas y los
pistones de freno. Hay dos tipos de mordazas,
flotantes o fijas pero en la F1 solo se
utiliza esta última. Las mordazas fijas, como su nombre indica no se mueven en
relación al disco de freno. Dependido de las pretensiones que se quiera en el
frenado, las mordazas pueden utilizar uno o más pares de pistones. Por ejemplo,
un coche de calle tendría solo uno y un F1, por normativa no puede tener más de
tres pares. Los pistones siempre van por pares ya que, al accionarse, las
pastillas presionen al disco por ambos lados.
La FIA no permite que se coloque más de una pinza por rueda.
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| Mordaza. |
En general son más complejas y caras que las mordazas flotantes. La mordaza
lleva también un conducto por el cual entra el líquido de frenos a los
cilindros.
5) Pernos de montaje: Se encarga de sujetar la mordaza a la
base del rotor para que ésta se mantenga fija y ejerza su función
correctamente y los que fijan el disco a la rueda.
Bien, una vez descritos los componentes veremos su funcionamiento.
¿CÓMO FUNCIONA EL SISTEMAS DE FRENADO?.
Cuando se presiona el pedal de freno, se transmite una fuerza desde el pie
hasta los frenos. En la actualidad, en los coches de calle la fuerza requerida para frenar es mucho
mayor de lo que se puede aplicar con la fuerza ejercida por la pierna, así que en la F1 ni os imagináis. Hay que
tener en cuenta un aspecto muy importante, la capacidad de frenado dependerá de
la presión unitaria entre las superficies que producen la frenada, en este
caso, las pastillas de freno y el disco. Así, a mayor frenada, mayor presión entre el disco y las pastillas. Por tanto, si lo que queremos es
mejorar la frenada, el sistema de frenado debe incrementar la fuerza aplicada
por el pie, esto se logra por medio de dos formas, mediante la multiplicación
de la fuerza de forma hidráulica o mediante servofreno, el más utilizado en los
coches de calle actuales, sobre todo el sistema de vacío, que aprovecha la depresión o
el vacío generado en el colector de admisión del motor de explosión para
desmultiplicar el esfuerzo que hace el conductor con su pie sobre el pedal del
freno. Como en la F1, el ahorro de peso es fundamental y la normativa no
permite elementos que mejoren el frenado, el servofreno no es viable y el
método hidráulico es el usado por todos, eso sí, con una buena musculatura en
la pierna del piloto ya que cuesta mucho
poder ejercer la presión necesaria y ellos aseguran que hay que hacer mucha.
¿Cómo funciona?
Incremento de fuerza
Como he dicho, la multiplicación de fuerza se hace de forma hidráulica, por tanto hay que
llamar a este sistema con su nombre más común,
Frenos Hidráulicos.
El primer paso necesario para iniciar la frenada es pisar el pedal de los frenos. Este, mediante el principio de palanca
acciona una bomba de frenos, técnicamente conocida como cilindro maestro. El
cilindro maestro envía el líquido o también llamado liga de frenos, desde su
depósito mediante una manguera flexible
hasta cada una de las ruedas donde están situados los
cilindros, en las llantas
. Por
razones de seguridad, existen dos líneas ó circuitos que distribuyen la liga a
las ruedas. Por eso se llaman frenos de doble circuito.
Pero ¿cómo funcionan? Bien, cuando el piloto pisa el pedal del freno, la
presión del pedal de freno mueve el pistón dentro del cilindro maestro. Este
gesto tiene dos consecuencias. Por un lado, aumenta la presión del líquido
situado en el circuito. Esto es debido a una de las propiedades de los
líquidos, la imposibilidad de poderlos comprimir. Cuando a un liquido se le
aplica una presión su volumen no se ve afectado en gran cantidad, ya que sus
moléculas tienen poco espacio entre si. Pero, si no se pueden comprimir ¿qué hace el líquido? “buscar” una salida, la
segunda consecuencia. La presión ejercida sobre el líquido tras pisar el pedal
de frenos se trasmite a lo largo de todo el circuito cerrado hasta llegar a la
zona de los cilindros
en las mordazas y
fuerza a cada pistón a tener que desplazarse.
Cada cilindro de las llantas contiene un
pistón.
Todos los pistones están
colocados de forma opuesta entre ellos y
sostienen la pastilla de freno, una en cada lado del disco. Cada uno de los
pistones presiona la pastilla contra el disco provocando el frenado de la
rotación del disco y por tanto de la rueda. Cuando la presión en el pedal es
liberada, el líquido pierde la presión extra producida por la frenada y hace
que regresen los pistones a los cilindros, en su posición liberada. Esta acción
fuerza el desplazamiento del líquido de frenos de vuelta por medio de la
manguera al cilindro maestro.
Así, la fuerza aplicada en el pedal de frenado produce una fuerza
proporcional en cada uno de los pistones de salida los cuales aplican la fuerza
sobre las pastillas para que, mediante fricción impedir el giro del disco.
Como hemos visto, uno de los factores más importantes para conseguir una
frenada óptima es la presión del líquido dentro del circuito de freno. Así, por
ejemplo, si aumentamos dicha presión la frenada sería mayor y si la disminuimos
lo hará monos. Esto es uno de los elementos que más se controla cuando se
prepara el set up del coche pero tiene otras aplicaciones y seguro os sonará de algo, el
reparto de frenada.
Esta es la forma en la que los pilotos, durante la carrera o incluso en una
vuelta pueden variar los parámetros de frenada. Mediante un botón en el volante
o en el lateral del habitáculo, el piloto puede variar la presión de la bomba
de frenos, el conocido cilindro maestro para que ejerza más o menos presión en
el líquido del circuito. Como los F1 tiene dos circuitos diferenciados, uno en
el tren delantero y otro en el trasero, mediante un dispositivo pueden actuar
de forma distinta sobre ellos y variar la capacidad de frenada.
Pero hay otro aspecto importante que puede
hacer que el piloto modifique el reparto de frenada, el sobrecalentamiento o el
desgaste. Por ejemplo, si se detecta sobrecalentamiento de los frenos
delanteros se desplaza mayor carga de frenada a los traseros y al revés. Lo
normal es que un 60% de la potencia de frenado se use en el circuito delantero,
aunque dependiendo del circuito o gusto del piloto se pueden variar los
porcentajes.
Como vemos, cualquier cambio o modulación del sistema de frenos mientras el
coche está en movimiento debe ser hecho por el conductor, no puede ser
preestablecido y debe estar bajo su exclusivo control completamente.
Por tanto, los sistemas utilizado por la mayoría de los automóviles son
hidráulicos y dependiendo de la capacidad de frenada puede ser simples, una
sola pareja de pistones o
múltiples. En el próximo artículo hablaré sobre los discos, su estructura, fabricación y veremos cuales son los mecanismos de refrigeración, pero eso será otra historia.
Fuentes: Entre otros Frenosol, Bosch, e-auto
