Teoría de los díscos de freno

1. Características

Los discos de freno son la superficie contra la cual interactuan las pastillas para frenar el vehículo, debido a que el disco gira solidario con las ruedas. Ese rozamiento entre discos y pastillas produce la transformación de energía cinética en energía calorífica, provocando una reducción de la velocidad.

Los discos de freno no solo deben producir la transformación de energía sino que además deben de conseguir que el calor producido sea transmitido a la atmósfera lo más rápidamente posible, ya que sino, las temperaturas a las que operaría el sistema serían muy elevadas llegando incluso al colapso del sistema.

El material escogido para fabricar los discos de freno es la fundición gris nodular de grafito laminar, ya que garantiza una estabilidad de las prestaciones durante el periodo de vida de los discos. Existen también, discos de materiales compuestos en matriz de carbono, usados en la alta competición. En la actualidad se están desarrollando discos de freno en aluminio con una base de carburo de silicio, ya que su menor peso los hacen muy atractivos, pero la mala disipación de calor que tienen los hacen inviables de momento, ya que necesitan un sobredimensionamiento importante que hacen que pierdan las ventajas del reducido peso.

Las características básicas de la fundición de los discos la podemos ver la siguiente tabla.

La composición básica de la fundición de los discos es en un 92 a 93 % hierro, además contiene carbono, silicio, manganeso y otros materiales en menor medida que confieren las propiedades específicas del elemento. La adición de carbono redunda en las siguientes mejoras:

• Optima conductividad térmica
• Minimiza la posibilidad de vibraciones
• Reducción de ruidos debido a un mayor coeficiente de amortiguación
• Mayor resistencia a la deformación
• Mayor resistencia a la aparición de micro-fisuras por recalentamiento
• Mayor seguridad de frenado y mejor desempeño de todo el sistema de freno

2. La geometría

 La geometría de los discos de freno es una superficie circular mecanizada perfectamente plana. Está compuesto de las siguientes partes:

La superficie de fricción debe ser capaz de disipar, en discos no ventilados 250 W/cm2, pudiendo llegar a 750 W/cm2 en discos ventilados. Por encima de dichos valores, pueden aparecer daños en el disco, tales como deformaciones geométricas, grietas, depósitos de material de fricción u otros que dañarían el disco de forma irreversible.

El principio de funcionamiento de los frenos como ya hemos visto anteriormente se basa en que la energía cinética que lleva el vehículo debe de disiparse en forma de calor. Este calor se acumula principalmente en los discos.

Pero lógicamente los discos no pueden almacenarlo infinitamente, sino que debe ser disipado a la atmósfera de una forma eficiente. La forma más sencilla es realizar una circulación de aire que, en contacto con el disco, se caliente y mantenga la temperatura del disco en valores razonables a efectos de su integridad mecánica. Los discos deben de desempeñar dos funciones principales: mover el aire a su alrededor como lo haría un ventilador, y transmitir su energía a la atmósfera como lo hace un radiador.

Para cumplir la primera de sus funciones, la propia geometría del disco hace que sea posible la circulación del aire desde la campana hacía el exterior de la superficie de fricción. Además la velocidad de dicho aire es mayor cuanto mayor sea la temperatura que va adquiriendo. Este proceso se da en los discos macizos, que cumple con su función cuando la energía que han de disiparse es reducida o media. Cuando la energía térmica disipada aumenta, las superficies de un disco macizo ya no son suficientes. Si se intentase aumentar su tamaño tendríamos la limitación impuesta por el tamaño de la rueda por lo cual la solución adoptada por unanimidad es el disco ventilado que permite una mayor disipación térmica en el mismo espacio.

El disco ventilado es la composición de dos pistas separadas por aletas en su interior. Estas aletas garantizan la cohesión del disco permitiendo el paso de aire por su interior. Gracias a estas aletas, el enfriamiento del disco no solo se produce en la superficie exterior del disco sino que además se produce su enfriamiento por el interior. Este intercambio de energía depende en gran medida de la forma y la orientación de las aletas, ya que en algunos casos las aletas se oponen al movimiento del aire en su interior con lo cual su utilidad es negativa. Por ello debe existir un compromiso entre la eficacia y la orientación - forma de las mismas. Generalmente son radiales y por lo tanto la colocación de los discos en la rueda izquierda o derecha, no afecta a las propiedades autoventilantes. Sin embargo existe alguna aplicación en el mercado en la cual las aletas están orientadas de tal forma que obligan a que esos discos sean montados en una rueda o en la otra, ya que no sería eficaz su ventilación si se intercambiara su ubicación.

Una de las mejoras más significativas encaminada a la reducción de la temperatura que alcanza la campana del disco, se consigue mediante una ranura en forma de canal en la zona situada entre la campana y la banda frenante del disco, lo que antes hemos denominado filtro térmico. La sección de paso de calor se reduce, el gradiente térmico aumenta, es decir, la diferencia de temperatura entre un lado del canal y el otro se hace mayor, lo cual hace que la temperatura de la campana sea menor. Esto es muy importante ya que el calor que se transfiere a la llanta y por consiguiente a la goma del neumático es menor, consiguiendo así que no sufra en exceso la carcasa del neumático. También se consigue una reducción en la deformación del disco al reducirse la temperatura de la campana y sus consiguientes tensiones térmicas.

En los discos ventilados la fabricación de un espesor diferente entre las bandas reduce la deformación del mismo. Esto se consigue aumentando el espesor de la superficie de fricción que va unida a la campana exclusivamente, ya que de aumentar el espesor de las dos pistas, el grueso total del disco aumentaríaexcesivamente con la necesaria reducción del grueso del material de fricción.

Existen discos fabricados en dos piezas independientes, nacidos para lacompetición. Estos discos constan de una corona de hierro fundido a modo de pistas frenantes y un buje de aleación de aluminio. Las dos partes son solidarias gracias a unos casquillos de fijación. Durante la frenada el disco presenta dos partes diferenciadas: las bandas frenantes (parte caliente) y la campana (parte fría). Este tipo de disco soluciona los problemas de deformación, ya que las bandas frenantes pueden dilatarse sin provocar tensiones que creen grietas. Este tipo de discos permite la deformación radial de las pistas evitando las deformaciones permanentes y las tensiones. Además supone una reducción importante del peso del conjunto. Sin embargo, dado su elevado coste, normalmente solo se utiliza este tipo de disco en competición pero son la solución más extendida en las motocicletas.

3. Otras tipologías

Otra de las tipologías existentes, cuando el nivel de exigencia en la frenada aumenta, son los discos perforados, siempre en combinación con el canal de enfriamiento, ya que la mejora de características que supone el taladrado en un disco macizo es menor que la de uno ventilado. Con ello conseguimos un aumento de la superficie en contacto con el aire, y por otro lado, una evacuación del agua más eficiente. Normalmente, se ulitizan en vehículos de gran potencia y en competición. Como complemento adicional, para aumentar la superficie de disipación, mejorar la circulación del aire y limpiar la pastilla de polvo surge el estriado o rayado.

Por último, tendríamos los disco carbo-cerámicos. Los discos de frenos Carbo-Ceramicos, tienen sus origenes en la industria de la aviacion, mas tarde a principio de la decada de los 80 se utilizaron en las competiciónes de F1, actualmente algunos automoviles muy exclusivos y de altas prestaciones tambien los utilizan como el Porsche 911 Turbo. Estan hechos de compuesto de carbono en una base cerámica para conseguir alta resistencia a la temperatura a la que estos operan. Los discos son de color negro (por el carbono) y ceramica como compuesto base, por eso a medida que se desgastan se desprende un polvo negro. Las pastillas que usan estos discos son tambien de carbo-ceramica o de carbono. La principal ventaja de estos frenos es su bajisimo peso, su altisimo poder de frenado, por la alta friccion, y su gran poder estructural que evita roturas, grietas y fallos a altisimas temperaturas. Pueden detener un vehiculo de 320 Kms/h a 0 en menos de 30 metros. Su desventaja es su alto precio.