Freno de disco

El freno de disco es un sistema de frenado usado normalmente para ruedas de vehículos, en el cual una parte móvil (el disco) solidario con la rueda que gira o el eje que gira es sometido al rozamiento de unas superficies de alto coeficiente de fricción (las pastillas) que ejercen sobre ellos una fuerza suficiente como para transformar toda o parte de la energía cinética del vehículo en movimiento, en calor, hasta detenerlo o reducir su velocidad, según sea el caso.  Esta inmensa cantidad de calor ha de ser evacuada de alguna manera, y lo más rápidamente posible. El mecanismo es similar en esto al freno de tambor, con la diferencia de que la superficie frenante es menor pero la evacuación del calor al ambiente es mucho mejor, compensando ampliamente la menor superficie frenante.

Historia 
El ingeniero británico Frederick W. Lanchester inventó el freno de disco, para el que obtuvo una patente en 1902. Sin embargo, todavía se necesitarían algunas décadas para que el freno de disco se convirtiera en una característica establecida. 

El primer automóvil equipado con frenos de disco fue el coche de carreras Jaguar C-Type en 1953. El equipo de carreras Jaguar ganó las 24 Horas de Le Mans de 1953 utilizando autos equipados con frenos de disco, y gran parte del crédito se le dio al rendimiento superior de los frenos de disco sobre los rivales equipados con frenos de tambor. 

El primer uso del freno de disco moderno en producción en masa fue en 1955, en el Citroën DS, que incluía frenos de disco delanteros tipo pinza entre sus muchas innovaciones. Estos discos estaban montados en el interior, cerca de la transmisión, y eran impulsados ​​por el sistema hidráulico central del vehículo. Este modelo llegó a vender 1,5 millones de unidades durante 20 años con la misma configuración de frenos. Le siguió en 1956 el Jensen 541, con frenos de disco en las cuatro ruedas.

En el mundo de la moto, la primera motocicleta de producción en serie con freno de disco fue la Honda CB750 Four de 1969, y fue la primera motocicleta “superbike”.

En la actualidad los frenos de disco han sido introducidos en el eje delantero de prácticamente la totalidad de los vehículos, si bien se siguen utilizando los frenos de tambor en el eje trasero en las gamas bajas, como forma de reducir costos y simplificar el funcionamiento del freno de mano. Dado que la mayoría del esfuerzo de frenada se produce en el eje delantero, esta solución ofrece un compromiso razonable entre costo y seguridad. No obstante, en vehículos deportivos de altas prestaciones y algunos autos de lujo, se ofrece la opción de equipar a los vehículos con freno de disco a las 4 ruedas, con el fin de eficientar el frenado y de igual forma se ofrecen kits de conversión a frenos de disco a los ejes traseros.

Mecanismo y componentes 
Sistema de frenado de un solo pistón.

El líquido de frenos circula por el circuito hidráulico hasta presionar el pistón y empujar la pastilla contra el disco (azul). La presión contra el disco de la pastilla que se desplaza con el pistón, empuja la otra pastilla contra el disco. El rozamiento entre las pastillas y el disco frena la rueda.

Discos 

Existen diferentes tipos de discos de freno. Algunos son de fundición mientras que otros de acero u otros materiales más innovadores como materiales cerámicos. Por otra parte, algunos están rayados en la superficie (denominados discos rayados) o tienen agujeros que los atraviesan radial (discos ventilados) o axialmente (discos perforados). Estos agujeros y líneas ayudan a evacuar el calor producido en la frenada, y pueden combinarse, obteniendo discos más complejos, pero mejorando la capacidad de frenado.

Mordazas (calipers) o pinzas 
La mordaza es el soporte de las pastillas y los pistones de freno. Los pistones están generalmente hechos de hierro dulce y luego son recubiertos por un cromado. Hay dos tipos de mordazas: flotantes o fijas. Las fijas no se mueven, en relación con el disco de freno, y utilizan uno o más pares de pistones. De este modo, al accionarse, presionan las pastillas a ambos lados del disco. En general son más complejas y costosas que las mordazas flotantes. Las mordazas flotantes, también denominadas "mordazas deslizantes", se mueven en relación con el disco; un pistón a uno de los lados empuja la pastilla hasta que esta hace contacto con la superficie del disco, haciendo que la mordaza y con ella la pastilla de freno interior se desplacen. De este modo la presión es aplicada a ambos lados del disco y se logra la acción de frenado.

Las mordazas flotantes pueden fallar debido al enclavamieto de la mordaza. Esto puede ocurrir por suciedad o corrosión, cuando el vehículo no es utilizado durante tiempos prolongados. Si esto sucede, la pastilla de freno de la mordaza hará fricción con el disco aun cuando el freno no esté siendo utilizado, ocasionando un desgaste acelerado de la pastilla y una reducción en el rendimiento del combustible, junto con una pérdida de la capacidad de frenado debida al recalentamiento del respectivo conjunto de frenado provocando además desequilibrio en el frenado, ya que la rueda con freno recalentado frenará menos.

Posición de montaje 
Los discos de freno van típicamente montados de manera solidaria con el buje de la rueda, aunque de manera muy minoritaria algunos fabricantes han optado por montajes sobre el exterior de la llanta (su perímetro), recibiendo esta opción el nombre de frenos perimetrales.

Pistones
Los pistones cuentan con una fijación que va alrededor y sellos que impiden el escape de la presión ejercida por el líquido de frenos, a través del cual son accionados. La mordaza lleva un conducto por el cual entra el líquido de frenos y eso hace que la mordaza empuje la pastilla contra el disco y, a la vez, que se corra la mordaza para frenar con ambas y se logre uniformizar el frenado y el desgaste.

Pastillas de freno  	
Las pastillas están diseñadas para producir una alta fricción con el disco. El material del que estén compuestas determinara la duración, potencia de frenado y su comportamiento en condiciones adversas. Deben ser reemplazadas regularmente, y muchas están equipadas con un sensor que alerta al conductor cuando es necesario hacerlo. Algunas tienen una pieza de metal que provoca que suene un chillido cuando están a punto de gastarse, mientras que otras llevan un material que cierra un circuito eléctrico que hace que se ilumine un testigo en el cuadro del conductor. 

Hasta la entrada del nuevo siglo las pastillas contenían asbesto, que ha sido prohibido a mediados y fines del 2000, 2001 dependiendo del país, por resultar cancerígeno. Por lo tanto, al trabajar con vehículos antiguos se debe tener en cuenta que no se debe inhalar el polvo de asbesto que pueda estar depositado en las inmediaciones de los elementos de frenada. Inhalar el polvo de asbesto conduce a una enfermedad sin cura llamada asbestosis.,
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Tipos de pastillas de freno
 Cerámicas: Este tipo de pastillas están compuestas por cerámica y fibra de cobre, lo que permite que las pastillas de este tipo controlen la tendencia del freno a perder potencia a temperaturas más altas y se recuperen de manera más rápida luego de detener el vehículo o móvil del disco. 
 Orgánicas: Están compuestas por materiales comunes como maderas y algunos con el grafito, resinas ,fibras . estas son de una inmejorable calidad y adherencia al frenar, generan menos calor que las metálicas y este tipo de pastillas necesita un rodaje en los primeros kilómetros
 Semi-metálicas o metálicas: Están compuestas por materiales de fricción como el hierro, la fricción en condiciones de seco y mojado no varían demasiado, por lo que tiene mejor frenada en condiciones de mojado que los otros tipos de pastilla. La duración es muy elevada, llegando a alcanzar los 15000 kilómetros. El calor desprendido es mucho mayor que los otros tipos.

Daños en los discos de freno 
Los discos pueden sufrir diferentes daños: alabeo, rayado, rotura y cristalización.

Alabeo 
El alabeo se produce por un sobrecalentamiento de la superficie de frenado que provoca una deformación en el disco. Esto provoca vibraciones en la frenada y una disminución en la potencia de frenado. El alabeo puede ser prevenido con una conducción menos exigente con los frenos, aprovechando el freno motor con un uso inteligente de la caja de cambios para reducir la carga del freno de servicio. Pisar el freno continuamente provoca una gran cantidad de calor, por lo que debe evitarse para verificar se mide con micrómetro (el espesor) y con un reloj comparador (para medir la deformación).

Rotura 
La rotura está en todos los tipos de discos, en los que pueden aparecer grietas entre los agujeros, (para los ventilados y super ventilados), y grietas en la superficie de fricción que tiene el disco.

Rayado 
Es producido cuando las pastillas de freno no están bien instaladas o son de material más duro que el material proveniente de los discos, esto al frenar provoca un rayado en el cual hace que el disco, en la superficie de fricción se deforme. La solución para este problema es el rectificado de ambos discos. Pero a veces es a causa de la mala instalación de ese sistema

Cristalización 
Las pastillas se cristalizan cuando, al momento de frenar, el material de fricción del disco con las pastillas generan una mayor temperatura (por ejemplo, al frenar desembragado en la bajada de una cuesta),y a su vez generan que la resina que contiene el material de fricción se haga líquida y suba a la superficie formando una capa que evita el rozamiento y la abrasión entre ambos objetos, provocando que el disco o la pastilla se deterioren, quedando la pastilla con un brillo en la superficie y con textura ultra dura y el disco en cambio de un color azulado, pudiendo aparecer micro fisuras a raíz de dicha cristalización. Para este daño hay que reemplazar el disco o la pastilla de freno por uno nuevo. Sin embargo esta peligrosa práctica puede dejar al vehículo sin frenos, ya que puede causar el "desvanecimiento" de estos, es decir la pérdida momentánea de gran parte o la totalidad de la capacidad de frenado en tanto los frenos no se enfríen.  Este percance puede sucederle a quien ignore la teoría del frenaje, la que podría resumirse así:  "para poder cumplir su cometido los sistemas de freno tienen que ejecutar dos funciones, la primera es convertir la energía cinética, es decir la que posee todo vehículo en movimiento, en otra forma de energía que pueda ser sacada del móvil, causando la reducción de la velocidad o la detención en caso necesario, en la mayoría de los casos la energía cinética es convertida en calor por medio del roce entre zapatas y tambores o entre discos y pastillas.  La segunda función es la de disipar el calor producido por el roce antes mencionado en el medio ambiente, por lo tanto puede decirse que la capacidad de los frenos está limitada por la cantidad de calor que puedan disipar al medio ambiente, también es necesario saber que con cada frenada se reduce momentáneamente la capacidad de frenado, razón por la cual los frenos deben usarse lo estrictamente necesario y nunca para ir "aguantando" o refrenando un vehículo en el descenso de una larga o empinada cuesta, cuestión que podría resultar fatal, no sólo para el conductor y sus acompañantes, sino que también para muchas otras personas. La "cristalización" de zapatas y pastillas es una evidencia concluyente de que los frenos fueron abusados y por lo tanto recalentados.

Véase también 
 Freno de tambor

Referencias

Enlaces externos 

 Cómo cambiar las pastillas del freno de disco
 Catálogo de Pastillas y discos de freno
 Componentes de freno de disco
Tecnologías del automóvil
Componentes del automóvil