Frenos cerámicos, más rozamiento y duración

Para comprender el porqué de los frenos cerámicos por ahora inaccesibles para los coches de utilización normal, deberemos saber algo sobre las leyes de rozamiento entre cuerpos sólidos.


fig.1

Consideremos la fig.1 : Si intentamos que los dos bloques de ladrillos se deslicen por la superficie de la mesa mediante la fuerza que ejerce el peso P, nos puede sorprender que el rozamiento entre dicho bloque y la mesa no depende nada más que de la fuerza normal a la superficie que esté ejerciendo aquél sobre ésta. La fuerza producida por el peso P, mueve igual el bloque de la izquierda que el de la derecha, aunque éste presenta una superficie 3 veces mayor. Ésta es la llamada en la mecánica clásica «primera ley del rozamiento»:

La fuerza de rozamiento no depende de la magnitud de las superficies en contacto.

¿De qué depende entonces? solamente del llamado coeficiente de rozamiento —denominado con la letra griega µ (mu)— y de la fuerza normal que se ejerza entre las dos superficies (fuerza normal es el peso en el caso de los bloques de ladrillos).

Fr = µ · N

N, es la resultante en sentido vertical de las fuerzas que actúan sobre el o los bloques; en el caso de no haber otra que el peso, éste será la fuerza normal.

El coeficiente de rozamiento toma valores muy diferentes dependiendo de la rugosidad de las superficies en contacto y de la naturaleza de ellas.

A continuación presentamos una tabla que nos puede servir de ejemplo en la que están reflejados diferentes valores de µ

µ = 0.9 ... ... ... ... ... ... ... Alquitrán seco
µ = 0.8 ... ... ... ... ... ... ... Asfalto rugoso seco
µ = 0.6 ... ... ... ... ... ... ... Adoquinado
µ = 0.5 ... ... ... ... ... ... ... Asfalto rugoso húmedo
µ = 0.4 ... ... ... ... ... ... ... Asfalto usado húmedo
µ = 0.3 ... ... ... ... ... ... ... Pastilla de freno sobre disco de fundición
µ = 0.3 ... ... ... ... ... ... ... Adoquinado húmedo
µ = 0.1 ... ... ... ... ... ... ... Hielo

Al observar la fig.2 se puede ver que, si para hacer deslizar el bloque de la izquierda, tenemos que ejercer la fuerza F ( ya que la de rozamiento Fr está oponiéndose a nuestro empuje ), para mover el siguiente, que pesa 10 veces mas, deberemos ejercer una fuerza F= 10 F (10 veces superior ) puesto que la de rozamiento Fr es así mismo 10 veces superior.


fig.2

 

Si derramamos aceite entre las dos superficies, la fuerza a efectuar se reduce drásticamente a pesar de que el bloque sea tan pesado. Como podemos deducir de lo anterior, el rozamiento entre dos superficies sólidas, solo depende de la naturaleza de las superficies en contacto; es decir, del coeficiente de rozamiento, y de la Resultante de las fuerzas que estén actuando Normales (perpendiculares) a la superficie; es decir. el peso del sólido, o el peso más la resultante de una o varias fuerzas perpendiculares a la superficie que en general puedan actuar; esto independientemente de la dimensión de dicha superficie de contacto con el suelo. Es así en el caso de cuerpos tan poco deformables como un ladrillo, pero no en el caso del neumático de un coche.

La fig.3, nos muestra cómo evoluciona idealmente el coeficiente de fuerza de freno con respecto al deslizamiento del neumático con el suelo.


fig.3

lk es el máximo valor de fuerza de freno, antes de que el neumático deslice claramente hasta llegar a la pérdida total de la adherencia (100% de deslizamiento). El punto lk es donde los fabricantes de los sistemas antibloqueo de frenos hacen que comience su secuencia de funcionamiento.

El coeficiente de rozamiento en frío de una pastilla cuyo material está pensado para una utilización normal, es de un valor relativamente alto (µ = 0.34) en comparación a su valor al pasar los 400º (µ = 0.25). El pensado para una utilización deportiva, presenta valores contrarios a los anteriores, es decir en las primeras frenadas hasta que se alcanzan 200º puede ser µ = 0.2, para pasar a un valor de µ = 0.3 en caliente (400º) manteniéndose en este valor hasta los 650º en que baja de nuevo a µ = 0.2. Con una pastilla de estas características, en el momento de aplicar el freno en frío, el conductor se encuentra con la sensación de que falta el agarre deseado. Sólo después de unas cuantas frenadas, en las que el disco alcanza más de 200º, es estable hasta que sobrevenga el calentamiento excesivo (fading) por encima de 650º, lo que produce una bajada drástica del coeficiente de rozamiento.

En 1.977, Porsche trasladó a la fabricación en serie la técnica de la competición; concretamente, extrajo los discos autoventilados del famoso 917 de carreras; estos discos, cuya sección se muestra en la siguiente fig., están constituidos por un canal central con unas nervaduras centrales envolventes en forma de turbina, que crean una corriente de aire del interior del disco hacia la periferia; que con su efecto disipador del calor, los refrigera sustancialmente.

Con estos discos, la estabilidad de la frenada en caliente, mejoró en una gran medida, consiguiéndose en el 911 Turbo ( primer coche donde se montó) distancias de frenada y estabilidad de la misma, semejantes a los coches de competición de la época.

La evolución de la técnica desde entonces, ha hecho que en su continua búsqueda de la máxima calidad para sus productos, Porsche saque al mercado y ofrezca como opción unos discos que aportan unas ventajas innegables a los anteriores; se trata de unos discos fabricados con fibra de carbono con lo que ello supone de ligereza y robustez.

La ventilación está asegurada por unos conductos interiores, que han sido patentados por la propia marca, y que junto a los taladros transversales refuerzan el efecto de ventilación en la superficie. A esta estructura en fibra de carbono se añade una capa superficial de material cerámico (básicamente carburo de silicio). Esta capa se adhiere mediante un sofisticado proceso de cocción a 1.420 º en un horno de alto vacío, y bajo una atmósfera de nitrógeno. A esta temperatura muy exactamente mantenida la cerámica fluye en fase líquida impregnando la fibra de carbono, que la absorbe como si de una esponja se tratara.

Tras el proceso de enfriamiento, el disco de freno tiene la dureza del diamante ( 9,7 R) presentando una gran resistencia a la abrasión, lo que alarga extremadamente su vida útil (300.000 kms ). Su coeficiente de rozamiento también es mayor que el de un disco de fundición.

Las pastillas de freno también permiten realizar un kilometraje que se puede cifrar en el doble de lo habitual. Esta altísima dureza superficial, hace que se mantenga su forma plana incluso por encima de 650º. Es decir, es casi imposible que se alabee , un fenómeno se que produce en los discos normales, y provoca una mala adaptación de la pastilla al disco.

La desventaja de este tipo de frenos es su precio. Por ahora es una opción en el Turbo, que cuesta 1.500.000 ptas. Pero estoy seguro de que en un futuro próximo los veremos como equipo original en coches de más modestas prestaciones.