Pastilla de freno

Las pastillas de freno son un componente de los frenos de disco utilizados en automóviles y otras aplicaciones. Están compuestas por placas de acero con material de fricción adherido a la superficie que está en contacto con el disco de freno.

Las pastillas de freno convierten la energía cinética de un vehículo en energía térmica mediante la fricción . Dos pastillas de freno se encuentran en el sistema de frenos , con sus superficies de fricción orientadas hacia el rotor. ^{[ 1 ]} Cuando se aplican los frenos hidráulicamente , la pinza sujeta o comprime las dos pastillas contra el rotor giratorio para reducir la velocidad y detener el vehículo. Cuando una pastilla de freno se calienta debido al contacto con el rotor , transfiere pequeñas cantidades de su material de fricción al disco, dejando una capa gris opaca. La pastilla de freno y el disco (ahora ambos con el material de fricción) se adhieren entre sí, proporcionando la fricción necesaria para detener el vehículo.

En los frenos de disco, generalmente hay dos pastillas por rotor, las cuales funcionan conjuntamente. Estas se mantienen en su lugar y son accionadas por una pinza fijada al cubo de la rueda o al soporte de la suspensión . Sin embargo, las pinzas de competición pueden utilizar hasta seis pastillas, con propiedades de fricción variables y dispuestas de forma escalonada para un rendimiento óptimo. Dependiendo de las propiedades del material, el peso del vehículo y la velocidad a la que se conduce, el desgaste de los discos puede variar. Las pastillas de freno generalmente deben reemplazarse periódicamente (según el material de las pastillas). La mayoría de las pastillas de freno están equipadas con un sistema que alerta al conductor cuando es necesario hacerlo. Una técnica común consiste en fabricar una pequeña ranura central cuya desaparición por desgaste indica el final de la vida útil de la pastilla. Otros métodos incluyen la colocación de una fina tira de metal blando en una ranura, de modo que cuando queda expuesta (debido al desgaste), los frenos chirrían audiblemente. También se puede incrustar una lengüeta de desgaste de metal blando en el material de la pastilla que cierra un circuito eléctrico cuando la pastilla de freno se desgasta, encendiendo una luz de advertencia en el tablero.

El concepto de pastillas de freno o frenos de disco como alternativa a los frenos de tambor existía al menos desde una patente de FW Lanchester en 1902. ^{[ 2 ]} Sin embargo, debido a su alto costo e ineficiencia en comparación con los frenos de tambor, no se implementaron comúnmente hasta después de la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 3 ]} Una vez que la tecnología de frenos de disco mejoró, el rendimiento de frenado superó rápidamente al de los frenos de tambor. La diferencia de rendimiento se exhibió más notablemente en 1953 cuando un Jaguar equipado con pastillas de freno ganó las 24 Horas de Le Mans, el Gran Premio de Resistencia. ^{[ 3 ] [ 4 ]} El éxito del Jaguar se atribuye comúnmente a los frenos de disco del automóvil, que permitieron a los conductores abordar las curvas más rápido y frenar más tarde que sus oponentes, lo que finalmente condujo a su victoria. Hasta 1963, la mayoría de los automóviles que usaban frenos de disco eran de fabricación europea, y los automóviles estadounidenses adoptaron la tecnología a finales de la década de 1960 después de la invención de las pinzas fijas que hicieron que la instalación fuera más barata y compacta. ^{[ 3 ]}

Existen numerosos tipos de pastillas de freno, según el uso previsto del vehículo, desde muy blandas y agresivas (como las de competición) hasta compuestos más duros, duraderos y menos agresivos. La mayoría de los fabricantes recomiendan un tipo específico de pastilla de freno para su vehículo, pero los compuestos pueden cambiarse (ya sea comprando una marca diferente o optando por unas de alto rendimiento de la gama del fabricante) según las preferencias personales y el estilo de conducción. Es importante tener precaución al comprar pastillas de freno no estándar, ya que los rangos de temperatura de funcionamiento pueden variar; por ejemplo, las pastillas de alto rendimiento no frenan eficazmente en frío o las pastillas estándar se sobrecalientan al conducir a altas velocidades. En los coches que sufren de sobrecalentamiento excesivo de los frenos , el problema puede minimizarse instalando pastillas de freno de mejor calidad y más agresivas.

Las características más importantes que se tienen en cuenta al seleccionar un material para pastillas de freno son las siguientes:

• La capacidad del material para resistir el desvanecimiento de los frenos, causado por un aumento de temperatura que experimentará el material debido a la conversión de energía cinética en energía térmica. ^{[ 5 ] [ 6 ]}
• Efectos de la humedad en el desgaste de los frenos. Todos los frenos están diseñados para soportar al menos una exposición temporal al agua. ^{[ 5 ] [ 6 ]}
• La capacidad de recuperarse rápidamente de un aumento de temperatura o humedad, y exhibir aproximadamente los mismos niveles de fricción en cualquier punto del proceso de secado o enfriamiento. ^{[ 5 ] [ 6 ]}
• El coeficiente de fricción de las pastillas de freno modernas debe ser lo suficientemente bajo como para evitar el bloqueo de las ruedas, pero lo suficientemente alto como para proporcionar una potencia de frenado suficiente. Los coeficientes de fricción suelen estar entre 0,3 y 0,5 para los materiales de las pastillas de freno. ^{[ 6 ]}
• La capacidad de resistir el desgaste debido a la fricción, pero no hasta el punto de que el desgaste del rotor se produzca más rápidamente que el material de freno. ^{[ 5 ] [ 6 ]}
• La capacidad del material para proporcionar un contacto suave y uniforme con el rotor o tambor, en lugar de un material que se rompa en trozos o cause picaduras, abolladuras u otros daños en la superficie de contacto. ^{[ 5 ] [ 6 ]}
• La capacidad de aplicar la fuerza de fricción adecuada al mismo tiempo que se opera silenciosamente. ^{[ 6 ]}

Otro requisito del material que se considera es la compresibilidad de las pastillas de freno; si son demasiado compresibles, el recorrido del freno o el desplazamiento del líquido del servofreno pueden ser excesivos. ^{[ 7 ]} El material de las pastillas de freno también debe ser poroso para minimizar el efecto del agua sobre el coeficiente de fricción. ^{[ 7 ]}

Tras la Primera Guerra Mundial, a medida que aumentaba la velocidad de los automóviles, se empezó a añadir amianto  como ingrediente común a las pastillas de freno, ya que las investigaciones demostraron que sus propiedades le permitían absorber el calor (que puede alcanzar los 500 °F) a la vez que proporcionaba la fricción necesaria para detener un vehículo. ^{[ 8 ]} Sin embargo, a medida que se hicieron evidentes los graves riesgos para la salud que conllevaba el amianto, fue necesario buscar otros materiales. En los países desarrollados, las pastillas de freno de amianto han sido sustituidas en gran medida por materiales orgánicos sin amianto (NAO). ^{[ 9 ]} Actualmente, los materiales de las pastillas de freno se clasifican en cuatro categorías principales, como se indica a continuación:

• Materiales no metálicos : se componen de una combinación de diversas sustancias sintéticas unidas para formar un material compuesto, principalmente celulosa , aramida , PAN y vidrio sinterizado . Son suaves con los rotores, pero generan bastante polvo, por lo que tienen una vida útil corta.
• Materiales semimetálicos : materiales sintéticos mezclados con diferentes proporciones de metales en escamas. Son más duros que las pastillas no metálicas, más resistentes al desgaste y de mayor duración, pero a costa de un mayor desgaste del disco/tambor, que deberá reemplazarse antes. Además, requieren mayor fuerza de accionamiento que las pastillas no metálicas para generar par de frenado.
• Pastillas totalmente metálicas : estas pastillas se utilizan exclusivamente en vehículos de competición y están compuestas de acero sinterizado sin aditivos sintéticos. Son muy duraderas, pero requieren mayor fuerza para frenar el vehículo y desgastan los discos más rápidamente. Además, suelen ser muy ruidosas.
• Materiales cerámicos : Compuestos de arcilla y porcelana unidas a escamas y filamentos de cobre, representan un buen equilibrio entre la durabilidad de las pastillas metálicas y la resistencia al desgaste y al agarre de las sintéticas. Sin embargo, su principal inconveniente es que, a diferencia de los tres tipos anteriores, a pesar de la presencia del cobre (que posee una alta conductividad térmica), las pastillas cerámicas generalmente no disipan bien el calor, lo que puede provocar que se deformen, al igual que otros componentes del sistema de frenado. ^{[ 5 ]} No obstante, debido a que los materiales cerámicos elevan el sonido del frenado por encima del umbral de audición humana, resultan excepcionalmente silenciosos. ^{[ 10 ]}

La resina de fenol-formaldehído se usa frecuentemente como agente aglutinante . El grafito puede servir como material de fricción y también como agente aglutinante. ^{[ 11 ]} Otro material de fricción comúnmente utilizado es el silicato de circonio . ^{[ 9 ]} Un productor italiano está realizando una investigación para usar cemento como un agente aglutinante económico y que requiere menos energía. ^{[ 12 ]} La tabla a continuación describe la composición de una pastilla de freno común. ^{[ 9 ]}

Existen factores ambientales que rigen la selección de materiales para pastillas de freno. Por ejemplo, el proyecto de ley SSB 6557 ^{[ 13 ]} , aprobado en el estado de Washington en 2010, limita la cantidad de cobre permitida en los materiales de fricción, la cual se eliminará gradualmente hasta reducirse a cantidades mínimas, debido al impacto negativo de los altos niveles de cobre en la vida acuática. Para su sustitución, se han desarrollado diferentes combinaciones de materiales, aunque aún no existe un reemplazo directo. ^{[ 14 ]} Se están estudiando otros materiales, como compuestos elaborados con antimonio.

Los vehículos tienen diferentes requisitos de frenado. Los materiales de fricción ofrecen fórmulas y diseños específicos para cada aplicación. Las pastillas de freno con un coeficiente de fricción más alto proporcionan un buen frenado con menor presión en el pedal, pero tienden a perder eficacia a temperaturas elevadas. Las pastillas de freno con un coeficiente de fricción menor y constante no pierden eficacia a altas temperaturas y son estables, pero requieren mayor presión en el pedal.

Las pastillas de freno deben revisarse al menos cada 5000 millas para detectar un desgaste excesivo o irregular. Aunque el desgaste de las pastillas de freno es único para cada vehículo, generalmente se recomienda reemplazarlas cada 50 000 millas, ^{[ 6 ]} mientras que los discos de freno (o rotores) suelen durar más y necesitan ser reemplazados cada 70 000 millas.

Las fallas en las pastillas de freno pueden tener muchos efectos en el rendimiento de un vehículo. La siguiente tabla describe algunos problemas comunes que pueden ser causados ​​por fallas en las pastillas de freno: ^{[ 8 ]}

La Oficina Nacional de Estándares (NBS) comenzó a realizar pruebas de materiales de freno en los EE. UU. en 1920. El equipo de prueba se compartió con los fabricantes que lo solicitaron para que pudieran comenzar a probar sus propios productos. ^{[ 15 ]} Con el tiempo, la NBS continuó desarrollando nuevos instrumentos y procedimientos para probar pastillas y forros, y estos estándares finalmente se convirtieron en los estándares del Código de Seguridad para Frenos y Pruebas de Frenos del Comité Estadounidense de Estándares de Ingeniería. ^{[ 15 ]}

La prueba SAE J661 se utiliza para determinar la fricción de diferentes materiales de pastillas de freno mediante la prueba de un revestimiento cuadrado de 25 mm (1 pulgada) con un tambor de freno. Esta prueba proporciona valores para los coeficientes de fricción en caliente y en frío, que luego se asocian con designaciones de letras. ^{[ 7 ]} La tabla a continuación describe qué letra corresponde a cada rango del coeficiente de fricción. Un ejemplo de la designación sería "GD", donde "G" representa el coeficiente normal, mientras que "D" representa el coeficiente en caliente. ^{[ 7 ]} 

Las pastillas de freno son una fuente importante de emisiones de tráfico no provenientes del escape, ya que producen partículas en suspensión debido al desgaste por fricción. Estas partículas de desgaste están compuestas de escamas metálicas, material carbonáceo y diversos aditivos de fricción, y pueden representar hasta el 55 % del total de las emisiones de PM _2.5 y PM ₁₀ no provenientes del escape en entornos urbanos. ^{[ 16 ]} Estas emisiones persisten incluso cuando los contaminantes del tubo de escape disminuyen debido a la adopción de motores más limpios y la electrificación. ^{[ 17 ]}

Los estudios muestran que las partículas de desgaste de los frenos incluyen hierro , cobre , antimonio , bario y diversos óxidos , dependiendo de la composición del material de fricción. ^{[ 18 ]} Muchos de estos metales presentan actividad biológica oxidativa e inflamatoria. Estudios de laboratorio han demostrado que el polvo de los frenos puede desencadenar respuestas inflamatorias de los macrófagos comparables a las de las partículas de los gases de escape del diésel, lo que sugiere posibles impactos cardiovasculares y respiratorios. ^{[ 19 ]}

Las preocupaciones medioambientales han dado lugar a medidas regulatorias. Los estados estadounidenses de Washington y California promulgaron la normativa «Better Brakes», que restringe el cobre, el plomo, el mercurio, el cadmio y el cromo hexavalente en los materiales de fricción de los frenos. El contenido de cobre debe ser inferior al 5 % en peso para 2021 y al 0,5 % para 2025. ^{[ 20 ]} Programas de investigación como el proyecto LIFE+ Rebrake de la UE están desarrollando materiales de fricción con menor toxicidad ambiental, manteniendo al mismo tiempo los estándares de rendimiento. ^{[ 21 ]}

Existen diferentes sistemas para la catalogación de pastillas de freno. El sistema más utilizado en Europa es el sistema de numeración WVA . ^{[ 22 ]}

El sistema de catalogación utilizado en Norteamérica, y reconocido a nivel mundial, es el sistema estandarizado de numeración de piezas para frenos y revestimientos de embrague emitido por el Friction Materials Standards Institute (FMSI). La misión del FMSI es «mantener y mejorar este sistema estandarizado de numeración de piezas para todos los vehículos de carretera en uso en Norteamérica». ^{[ 23 ]}

Un tipo de pastilla de freno utilizada en frenos de llanta .

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