Tipos de circuito hidráulico de frenos

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La evolución que se está produciendo en el automóvil afecta principalmente a su sistema de propulsión, qué energía utiliza para su desplazamiento.

En cualquier caso, sea cual sea la energía que le mueve ha de poder detenerse con rapidez y para esto los frenos seguirán siendo imprescindibles.

Desde los tambores con accionamientos mecánicos, varillas o cables flexibles de acero, al circuito hidráulico con diversas posibilidades, que es el que se ha utilizado desde hace muchos años, y se sigue haciendo complementado cada vez más con la electricidad y la electrónica, que llegará a ser la que se encargue de todo, llegando a prescindir del circuito hidráulico.

En estos enlaces, parte una y parte dos,  puedes ver esta evolución, además es un anticipo resumido de algunos temas de este artículo.

Antes de que se deje de utilizar el circuito hidráulico de frenos vamos a ver su evolución hasta hoy, y lo haremos con imágenes de algunos de nuestros libros que no se han llegado a publicar, pues como dicen las editoriales técnicas “los libros especializados de venta en librerías han caído tanto de ventas que no son rentables”.

En esto, con el blog contribuimos al ofrecer en Internet contenidos didácticos y divulgativos de acceso directo.

Estas imágenes de los citados libros están bastante elaboradas, y con las adecuadas adaptaciones las consideramos una buena base para ir incluyendo en futuros artículos.

Circuito hidráulico de frenos simple (I) 

Tras algunos años con accionamientos mecánicos de frenos, desde el pedal a los frenos en las ruedas, se diseñó el circuito hidráulico en 1918 y aplicado por primera vez en 1921 (Duesemberg Modelo A).

Como el líquido no se puede comprimir se utiliza para transmitir la fuerza de frenada desde el pedal a los frenos de ruedas.

Lo vemos en la imagen:

  • En las ruedas delanteras los frenos son de disco, con pinzas que tienen en su interior pistones o bombines, estos empujan por la presión del líquido a las pastillas sobre los discos al frenar
  • Las ruedas traseras tienen tambores, en cuyo interior las zapatas son empujadas por los bombines sobre el interior del tambor por la presión del líquido de frenos
  • El pedal de freno actúa sobre el servofreno, que mediante depresión o vacío multiplica la fuerza de frenada, desde el servofreno se acciona la bomba de frenos
  • La bomba de frenos es un cilindro hueco con líquido de frenos que llega desde un depósito exterior. En su interior hay un pistón que recibe al frenar el movimiento desde el pedal, con fuerza de empuje multiplicada en el servofreno
  • Desde la bomba salen cuatro conductos que llegan cada uno a una rueda, a las pinzas en los discos y bombines en los tambores
  • Los últimos tramos del circuito hidráulico son flexibles, latiguillos, para asumir los movimientos de las ruedas por la suspensión y dirección
  • Luego veremos en detalle como el líquido empuja a las pastillas y zapatas desde los bombines
  • Hay una particularidad, al frenar se produce un desplazamiento de masas hacia la parte delantera del automóvil, que aumenta su peso a la vez que disminuye detrás
  • Al frenar, el mayor peso sobre las ruedas delanteras aporta más adherencia y detrás sucede lo contrario, por el menor peso y adherencia se pueden llegar a bloquear estas ruedas, dejar de girar, lo que implica salirse de la trayectoria con graves riesgos
  • Se reduce este efecto de tendencia al bloqueo con el limitador de frenada trasera, situado en este tramo del circuito hidráulico; a partir de un valor de presión de líquido de frenos corta impidiendo que aumente
  • Se mejora este sistema con el regulador de frenada trasera, puede ser de varios tipos y representamos el que actúa según la carga, adapta la fuerza de frenada en las ruedas traseras en función de la altura del chasis del automóvil que es proporcional al peso que hay sobre la parte de atrás
  • Este circuito hidráulico en el que la bomba suministra líquido de frenos a todos los bombines de rueda se denomina simple, y se suele identificar como “I”
  • En caso de que en cualquier parte del circuito se produzca fuga de líquido, se vacía todo el circuito y los frenos dejan de ser operativos

El circuito hidráulico de frenos supuso un inmenso avance en capacidad y equilibrio de frenada, pues los sistemas mecánicos frenaban cada rueda de forma irregular y precisaban continuos ajustes y reglajes.

Enseguida se hizo necesario buscar solución a que una fuga en el circuito hidráulico pudiese hacer que los frenos dejasen de funcionar, la solución, bueno soluciones las vamos a ir conociendo con detalle.

Esquema de frenos en planta con discos delante, tambores detrás y circuito simple (I)

Ahora pasamos a ver en esquema una parte lateral del circuito hidráulico de frenos, lado izquierdo, empezando por el pedal de freno:

  • El pedal mueve el servofreno que multiplica la fuerza de frenada
  • El pistón en el interior de la bomba recibe el empuje desde el servofreno
  • La bomba se alimenta de líquido de frenos en reposo desde el depósito, que tiene un indicador de nivel, se enciende si este desciende al mínimo y de no ser así permanece apagado
  • Desde la bomba salen los conductos del circuito hidráulico a cada freno de rueda, en esta imagen vemos a los dos del lado izquierdo
  • En las ruedas delanteras las pinzas, con dos pistones o bombines en su interior, uno a cada lado, están en contacto con el líquido de frenos
  • Los bombines están junto a la parte interior de las pastillas, las opuestas a las que contactarán con los discos al frenar y donde están las superficies de fricción, que se irán desgastando
  • Se ven los anclajes de las ruedas solidarios a los discos
  • Al frenar se desplazarán los bombines sin moverse las pinzas que son fijas
  • En las ruedas traseras el líquido llega a los bombines, en cuya parte exterior están las zapatas, y por la otra parte de estas es por donde contactarán con el interior de los tambores al frenar, son las superficies de fricción, que se irán desgastando con el uso
  • El líquido que llega a los tambores (uno en la imagen) pasa por el regulador de frenada trasera limitando o regulando la presión
  • Se puede contar con testigo de desgaste de pastillas, como se ve en la imagen, se basa en una varilla que cuando la superficie de fricción de la pastilla llega a su límite de desgaste, contacta con el disco haciendo encenderse el testigo
  • Para que el circuito hidráulico sea hermético se incluyen juntas de estanqueidad que impiden fugas de líquido, las vemos en el pistón de la bomba de frenos y en los pistones o bombines de las pinzas de los discos y en los de los tambores
  • Las juntas de estanqueidad en los bombines de los discos hacen además otra función; auto aproximar las pastillas según se van desgastando, lo que supone que descienda el nivel del líquido en el depósito
  • Si hay fuga en cualquier parte del circuito hidráulico se pierde todo el líquido dejando de funcionar los frenos, se evita con los circuitos hidráulicos independientes y también con doble circuito

En el sistema de frenos que hemos visto las pinzas en los discos son fijas, como se anticipó, lo que quiere decir que no se mueven al frenar, pues a cada lado hay un pistón o bombín que se desplaza empujando a su pastilla.

Circuito hidráulico de frenos independientes delante y detrás (II y I+I)

Vamos a ver dos circuitos independientes, en realidad es uno al que se puede añadir un complemento adicional de emergencia, los identificamos como II con circuitos independiente delante–atrás y I+I si además tiene un circuito adicional de emergencia para las ruedas traseras:

  • Tiene el coche discos delante y tambores detrás, se ve el pedal de frenos, servofreno, regulador trasero de frenada y testigo de mínimo nivel apagado
  • La bomba de frenos es doble o tándem; está divida hidráulicamente en dos partes independientes que se mueven simultáneamente por conexiones mecánicas
  • Cada parte de la bomba se alimenta de depósitos independientes de líquido, o de uno común dividido interiormente para independizar cada uno de los circuitos
  • De una parte de la bomba sale el circuito hidráulico para los frenos delanteros, y de la otra el que va a los frenos traseros pasando por el regulador

Vemos que sucede si hay fuga detrás o delante con los dos circuitos que estamos viendo, II y I+I:

Fuga en el circuito trasero con II (y I+I):

  • Se enciende el testigo al vaciarse el depósito de este circuito, el pedal baja más hasta frenar y es operativo solo el circuito delantero con suficiente eficacia para ir con precaución a reparar el incidente

Fuga en el circuito delantero con II:

  • Se enciende el testigo al vaciarse el depósito de este circuito quedando inoperante, baja más el pedal hasta frenar y la frenada trasera es insuficiente al estar limitada por el regulador trasero

Fuga en el circuito delantero con I+I:

  • Al vaciarse la parte de la bomba del circuito delantero se enciende el testigo y el pedal baja más hasta frenar
  • Al aumentar el recorrido del pistón del circuito delantero con fuga, se abre un conducto adicional de emergencia que llega al circuito trasero después del regulador, las ruedas traseras reciben toda la fuerza de frenada (se ve después con detalle)
  • La capacidad de frenada de las ruedas traseras es suficiente, pero con riesgo de bloqueo si es más o menos fuerte la frenada, por lo que se ha de conducir despacio y con extrema precaución para reparar lo antes posible el incidente

Con circuitos hidráulicos independientes se da un paso muy importante en seguridad activa o primaria, que aumenta con el I+I, y aún se puede mejorar más como veremos más adelante.

Detalle de fuga en circuito trasero en esquema de circuito independiente delante y detrás (II y I+I)

Vemos en la imagen un detalle ampliado de un lado del sistema de frenos con discos delante (pinzas fijas) y tambores detrás, tiene circuitos independientes I+I:

  • Desde la posición de reposo se frena y se aprecia el empuje de uno de los pistones de la bomba sobre el otro
  • Al frenar hay una fuga en el circuito trasero, aumenta el recorrido del pedal y se enciende el testigo como aviso al conductor
  • La frenada de las ruedas delanteras es suficiente circulando con precaución hasta el taller

Ya se ha comentado que, aunque representamos dos depósitos de líquido de frenos, uno para cada parte de la bomba doble, es más habitual que sea uno solo tabicado en su interior para independizar los dos circuitos.

Detalle de fuga en circuito delantero en esquema de circuito independiente delante y detrás (II y I+I)

Seguimos con el mismo esquema de un lado del sistema de frenos con disco (pinzas fijas) delante y tambor detrás.

Los circuitos son independiente I+I:

  • Al frenar se produce una fuga en el circuito delantero
  • El pistón dentro de la bomba del circuito delantero llega al final de su recorrido, vaciándose el depósito correspondiente de líquido de frenos, por lo que se enciende el testigo y el circuito delantero no funciona

Con circuito II

  • Las ruedas delanteras no frenan y las traseras lo hacen con poca eficacia por la actuación del regulador
  • La frenada es insuficiente por lo que circular así supone riesgos

Con circuito I+I

  • Las ruedas delanteras no frenan, al llegar al tope de su recorrido el pistón de este circuito se abre un circuito de emergencia que hasta ahora estaba cerrado, este circuito suministra líquido al circuito trasero después del regulador de frenada, por lo que los frenos traseros reciben toda la fuerza de frenada
  • Es el circuito independiente I+I
  • La frenada trasera al ser directa desde la bomba es suficiente, pero con riesgos de bloqueo de estas ruedas si se frena demasiado o el suelo no es muy adherente, se podrá circular con mucho cuidado para hacer la reparación

Con el circuito II si hay fuga no sabe el conductor si es delante o detrás, lo puede notar por la respuesta de los frenos.

Con el circuito I+I la frenada es suficiente y no se sabe que circuito ha fugado, por lo que la conducción ha de ser sumamente cuidadosa.

Mejor llamar a la asistencia en cualquier caso si hay fuga para evitar riesgos.

Detalle de un lado con circuito independiente y discos delante con pinzas deslizantes y tambores detrás

Al describir el circuito hidráulico de frenos que hemos ido viendo se ha resaltado que las pinzas representadas eran fijas, no se movían al actuar los frenos, lo hacían los bombines en su interior, uno a cada lado, empujados por el líquido de frenos.

Vemos ahora el sistema de pinzas deslizantes:

  • Es un esquema lateral del sistema de frenos con circuitos independientes II, discos delante y tambores detrás con regulador de frenada en este circuito
  • Las pinzas en los discos tienen un único pistón o bombín, en el lado interior
  • La pinza representada es deslizante, se desplaza transversalmente al frenar, así funciona:
    • Al frenar el líquido incide sobre el bombín, que aproxima su pastilla al disco
    • Al estar esta pastilla friccionando sobre el disco y segur frenando, la pinza desliza hacia el interior haciendo que la otra pastilla también contacte con el disco
    • Al estar las dos pastillas ya rozando sobre el disco la fuerza de fricción será proporcional a la de frenada sobre el pedal
    • El desgaste de las pastillas será similar, pues la interior se acerca y separa antes del disco y la exterior se acerca y separa después

Este sistema de pinzas deslizantes es muy utilizado por ser más simple y ocupar menos espacio.

Cuando se necesitan frenos de más eficacia por peso o prestaciones se suele recurrir a pinzas con más bombines, que pueden ser deslizantes, pero es más habitual que sean fijas.

Circuitos hidráulicos independientes en diagonal (X)

La fuerza de frenada en las ruedas delanteras es mayor que en las traseras por el efecto del regulador de frenada sobre esta últimas, más según aumenta la intensidad de frenada.

Con el circuito I+I se ha logrado que aunque haya fuga en el circuito delantero, el trasero cuente con capacidad de frenada, circulando con precaución hasta el taller.

Hay otra evolución de los circuitos independientes, las más utilizada, que para su mayor eficiencia en caso de fuga requiere alguna adaptación de la geometría de suspensión y dirección.

Empezamos viendo este nuevo circuito independiente y después comentaremos lo relacionado con la geometría aludida:

  • Este automóvil tiene discos en las cuatro ruedas
  • Los circuitos son independientes, como se identifica por la bomba doble
  • De una parte de la bomba, la delantera en esta imagen, salen los conductos hidráulicos para la rueda delantera izquierda y trasera derecha, de la otra parte de la bomba, trasera en la imagen, salen los conductos hidráulicos a las ruedas delantera derecha y trasera izquierda
  • Cada uno de los tramos de los circuitos independientes traseros tiene su regulador de frenada, por lo que hay dos
  • Este es el circuito independiente en diagonal o “X”
  • En caso de fuga en cualquiera de los circuitos independientes, baja el pedal y se enciende el testo de mínimo nivel
  • Siempre frenará una rueda delantera, con toda la fuerza de frenada, la otra rueda trasera en diagonal frenará con la fuerza que determine su regulador de frenada trasera
  • Al frenar solo una de las dos ruedas delanteras se puede producir una cierta tendencia dinámica de desvío del automóvil, proporcional a la intensidad de frenada, por lo que se ha de conducir despacio, con precaución y hasta el taller, o mejor llamar a la asistencia
  • Para compensar la tendencia al desvío si la frenada es algo más fuerte se diseña la geometría delantera con radio de pivotamiento negativo, que vemos seguidamente

En este enlace puedes ver el efecto de auto aproximación de pastillas con más detalle que el propuesto antes, pues se representa con circuito en X.

Los circuitos independientes que hemos visto II, I+I y X se suelen denominar acompañados de “doble circuito”, pero no es así, pues para serlo el freno de rueda debería ser doble y recibir cada uno líquido de circuitos independientes.

El doble circuito lo veremos después.

Fuga con circuito hidráulico independiente en diagonal (X) y radio de pivotamiento negativo

La geometría de suspensión y dirección es compleja, y además varía dinámicamente.

Vamos a exponer exclusivamente lo necesario para entender qué es el radio de pivotamiento y porqué se elige que sea negativo habitualmente con circuitos en X.

Aquí tienes más información de la geometría de suspensión y dirección.

Imagen superior izquierda:

  • Vemos un automóvil de frente con suspensión independiente por dos brazos transversales paralelos
  • Se resaltan los puntos del centro de la huella del neumático en el suelo de cada rueda
  • Se proyecta en el suelo el eje que une los puntos de giro de la dirección de las ruedas
  • Si los puntos del eje de giro por la dirección de las ruedas proyectados en el suelo coinciden con los del centro de la huella, el radio de pivotamiento es cero (0) o neutro

Imagen central izquierda:

  • Es el mismo automóvil
  • Si los puntos del eje de giro por la dirección de las ruedas proyectados en el suelo están por el interior de los del centro de la huella, el radio de pivotamiento es positivo (+)

Imagen inferior izquierda:

  • Seguimos con el mismo automóvil
  • Si los puntos del eje de giro por la dirección de las ruedas proyectados en el suelo están por el exterior de los del centro de la huella, el radio de pivotamiento es negativo (–)

Se deduce que el radio de pivotamiento es la distancia en el suelo entre el punto del centro de la huella, y el de la proyección del eje de giro de las ruedas en el suelo por la dirección

Imagen de la derecha:

  • Se representa el esquema de un automóvil con dirección de cremallera y circuito hidráulico de frenos independientes en X, con radio de pivotamiento negativo
  • Al frenar hay fuga en uno de los circuitos, el rojo en la imagen
  • Si la frenada es fuerte, dinámicamente el automóvil tiende a desviarse en sentido de las agujas del reloj
  • … la rueda delantera que frena, verde en la imagen, por efecto del radio de pivotamiento negativo tiende a girar en sentido opuesto a las agujas del reloj
  • Si la frenada no es intensa ambas fuerzas contrapuestas se compensan manteniendo el automóvil la trayectoria
  • En cualquier caso, con el testigo de mínimo nivel encendido lo mejor es seguir con precaución solamente hasta poder parar con seguridad y llamar a la asistencia

La geometría de radio de pivotamiento positivo o negativo tiene otros efectos, sobre todo si es el eje delantero motriz, lo puedes ver en el enlace incluido en la introducción a este video.

Doble circuito hidráulico de frenos

Ya hemos visto diferentes tipos de circuitos independientes, pasamos ahora a ver lo que sí se puede denominar doble circuito hidráulico de frenos:

  • Este automóvil tiene discos en las cuatro ruedas y la bomba es doble o tándem
  • Una de las partes de la bomba tiene salidas para los frenos de las cuatro ruedas, a las traseras pasando por el regulador, es como un circuito simple I
  • La otra parte de la bomba tiene salidas solo para las ruedas delanteras, incidiendo en bombines diferentes a los del otro circuito
  • En caso de fuga de alguno de estos circuitos siempre frenaran al menos las ruedas delanteras en el peor de los casos
  • Se puede hacer que el segundo circuito sea también para las cuatro ruedas, con lo que si fuga uno de los dos circuitos hay otro completo por lo que no hay merma de frenada, siempre se encenderá el testigo como aviso
  • Otra posibilidad es duplicar todo el circuito hidráulico, incluida la bomba, serían dos circuitos completos simples que suministran líquido a los frenos de ruedas independientes para cada circuito
  • Es doble circuito hidráulico cuando en el freno de una misma rueda es doble y hay dos aportaciones de líquido por circuitos independientes

El doble circuito hidráulico de frenos se puede implantar en vehículos determinados en los que por riesgos o trabajos de emergencia es necesario que los frenos estén operativos siempre.

Con la inclusión cada vez mayor de la electrónica en el automóvil y en los frenos, estos pueden ser accionados mediante bomba eléctrica, aunque no frene el conductor, un paso más es que la actuación sobre los frenos de ruedas sea mediante motores eléctricos, que llegarán a desbancar el circuito hidráulico antes o después.

En la introducción hay enlaces a un artículo en dos partes sobre este tema.

Mientras se sigan utilizando pastillas, discos, zapatas, tambores y líquido de frenos se han de realizar mantenimientos periódicos, por tiempo transcurrido, distancia recorrida o desgastes.

Hay muchas posibles implantaciones de frenos de las que puedes ver algunas si te interesa.

Otros enlaces

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