miércoles, 8 de mayo de 2013

FRENOS EN LA F1: ELEMENTOS Y FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE FRENADO



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.
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.
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.

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.
Sistema Básico de Frenos

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