La anatomía del sistema de frenos de aire de un camión.

Jul 25, 2023

Lo siguiente fue publicado en el Air Brake Book de CCJ, 11.ª edición, patrocinado por SilverbackHD. El Libro de frenos de aire de CCJ es un recurso industrial complementario, cortesía de nuestra asociación con SilverbackHD, el Consejo de Tecnología y Mantenimiento y la Alianza de Seguridad de Vehículos Comerciales. Puede descargar el libro completo de frenos de aire aquí.

Los frenos de aire funcionan de manera diferente a los sistemas de frenos hidráulicos que se encuentran en automóviles y camiones livianos. Todos los sistemas de frenos de aire difieren algo según el diseño del fabricante y las opciones específicas de la aplicación. Este capítulo detallará los tres sistemas básicos de frenos de aire con los que debe estar familiarizado antes de intentar realizar trabajos de mantenimiento o reemplazo.

El sistema de suministro proporciona aire presurizado que acciona sus componentes y, en muchos sentidos, es el corazón del sistema de frenos de aire. SilverbackHDEl sistema de suministro proporciona aire presurizado que acciona sus componentes y, en muchos sentidos, es el corazón del sistema de frenos de aire. Un compresor de aire accionado por motor suministra aire a un regulador, que controla la salida del compresor haciendo circular el aire en el sistema según sea necesario, o descargándolo si el sistema está a su presión correcta, generalmente entre 100 y 120 psi para la mayoría de los vehículos.

El conductor del vehículo puede controlar la presión del sistema de aire a través de un manómetro montado en el tablero. Si la presión en el sistema cae por debajo de 60 psi, se debe encender un interruptor en el sistema y enviar una señal electrónica a una luz del tablero o un timbre en la cabina y alertar al conductor de un problema.

El aire del sistema se almacena en depósitos de aire (normalmente tres o más por tractor) hasta que se necesita. Las válvulas de retención evitan que el aire presurizado regrese a través del compresor mientras no está funcionando para garantizar que el aire llegue a donde se necesita. Si el sistema se sobrepresuriza con demasiado aire, las válvulas de "salida" o de seguridad se abren para permitir que el aire escape antes de dañar las líneas de aire, los depósitos u otros componentes del sistema.

El depósito de aire más cercano al compresor a menudo se denomina tanque de suministro (a veces llamado tanque "húmedo"), porque es allí donde la humedad atmosférica se condensa en mayores cantidades. La humedad es el mayor enemigo de cualquier sistema de frenos de aire y se debe tener mucho cuidado para garantizar que un vehículo tenga el aire más limpio y seco posible circulando a través de su sistema de frenos. Con ese fin, los depósitos están equipados con válvulas de drenaje automáticas o manuales que permiten purgar el agua del sistema.

Luego, los secadores de aire condensan y eliminan el agua no drenada del sistema forzando el aire a través de un recipiente que contiene material desecante. Antes de los secadores de aire, a veces se inyectaba alcohol en el sistema de aire en climas fríos para evitar que el agua se congelara y obstruyera las líneas de aire, pero se desaconseja enfáticamente esta práctica. El alcohol corroerá los componentes de goma, como los sellos.

Los costos de adquisición son más altos para los frenos de disco neumáticos, pero el costo del ciclo de vida y los valores de reventa pueden compensar eso a largo plazo. SilverbackHDEl aire en los depósitos debe dirigirse a los diversos componentes del sistema antes de que pueda tener lugar cualquier acción de frenado. El sistema de control es una serie de válvulas neumáticas que hace precisamente eso: dirigir y controlar el aire a medida que fluye a través del sistema para asegurarse de que llegue a donde se necesita. Estas válvulas generalmente se encuentran en una unidad de alojamiento común en el vehículo, aunque por razones de simplicidad las veremos individualmente aquí.

El valor del pie de control dual es el actuador principal del sistema. En realidad, son dos válvulas que funcionan simultáneamente en respuesta a la acción del pie del conductor sobre el pedal del freno. Se necesitan dos válvulas porque después de salir del tanque de suministro, el aire en el sistema se divide en dos circuitos de freno separados y protegidos que se dividen entre los depósitos primario y secundario. Esta fuente de aire de respaldo permite al conductor detener el vehículo por completo en caso de una falla del sistema.

Cuando el conductor pisa el pedal del freno, el aire fluye desde el depósito primario y a través de la parte primaria de la válvula de pie de control dual para accionar los frenos del eje trasero. Al mismo tiempo, el aire fluye desde el depósito secundario a través de la porción secundaria de la válvula de pie de control dual para accionar los frenos del eje delantero. Una válvula de retención de dos vías detecta la presión del aire en los sistemas de aire primario y secundario y permite que el sistema con la presión más alta active los frenos del remolque (si están presentes). El aire primario también se puede suministrar manualmente al remolque mediante una válvula manual, que generalmente se encuentra cerca del volante del vehículo. Además, la válvula de retención de dos vías acciona el interruptor de las luces de freno del vehículo, lo que garantiza que las luces de freno se activen en caso de que falle el circuito.

Pero se necesita tiempo para que el aire pase a través del sistema de frenos para detener o reducir la velocidad de un vehículo. Las válvulas de relé se utilizan en remolques y ejes traseros de tractores de ruedas largas para garantizar un tiempo de reacción más rápido del sistema. Estas válvulas de relé reciben suministro directo de presión del sistema y utilizan aire de la válvula de pie de control dual como señal para dirigir rápidamente el flujo de aire a los frenos a los que sirven. Si el vehículo está equipado con un sistema de frenos antibloqueo (ABS), las válvulas ABS se combinan con válvulas de relé en un remolque para suministrar aire modulado al mecanismo de frenos antibloqueo.

La presión de entrega de las válvulas relé se ve afectada por su respectivo ajuste de presión de “crack”. La presión de apertura es la cantidad de presión de aire requerida en la entrada de la válvula de pie antes de que la válvula de relé envíe presión de aire a los frenos controlados por esa válvula. La presión de apertura es un elemento importante en la sincronización y el equilibrio de los frenos. Se determina para cada eje del vehículo según la carga que tenga el eje al que sirve la válvula, el tamaño de los frenos y la agresividad de las pastillas de esos frenos.

Una válvula que se abre a una presión demasiado baja para un eje determinado puede hacer que los frenos de ese eje funcionen a una presión de control más baja mientras que los otros ejes no lo hacen y puede provocar un desequilibrio de frenado significativo. Asimismo, una válvula que se rompe a una presión demasiado alta también puede provocar un desequilibrio de frenado por las mismas razones. Debido a problemas de incompatibilidad y desgaste, los OEM y los fabricantes de componentes a través del Consejo de Tecnología y Mantenimiento, la Sociedad de Ingenieros Automotrices y otras organizaciones industriales han trabajado arduamente para estandarizar las características de rotura de válvulas. (Para obtener más información, consulte la práctica recomendada por SAE J1505 para conocer los procedimientos de equilibrio de frenos y J1860 para conocer las prácticas recomendadas de etiquetado de componentes).

Una vez que un camión detenido está listo para partir, el hecho de que el aire viaje de regreso a través del sistema causaría un retraso notable entre el momento en que el conductor retira el pie del pedal del freno y el momento en que se sueltan los frenos. Para combatir este problema, las válvulas de liberación rápida ubicadas cerca de los frenos a los que sirven expulsan rápidamente el aire del sistema y permiten tiempos de liberación rápidos de los frenos.

Las válvulas de aire montadas en el tablero dentro de la cabina controlan la presión del aire hacia los frenos de estacionamiento. En la mayoría de los casos, se trata de frenos de resorte, que se activan gradualmente mediante una presión de aire descendente en el sistema de frenos. Por el contrario, cuando se aplica aire presionando la válvula de control del tablero (válvula de control de estacionamiento), los frenos se liberarán completamente en el rango de 60 a 70 psi. Esto proporciona una función a prueba de fallos en caso de que se pierda todo el aire; el vehículo aún se puede estacionar y utilizar como parte de un sistema de freno de emergencia.

La válvula de protección del tractor mantiene la presión de aire en las líneas que llevan aire al remolque si hay una detrás del vehículo. “Gladhands” (accesorios de conexión rápida en la parte trasera del tractor) suministran aire al remolque. En caso de una emergencia, ya sea una fuga sustancial en las líneas de aire o la rotura del remolque, la válvula de protección del tractor se cierra automáticamente para mantener la presión de aire en el circuito del tractor. La válvula también funciona en conjunto con la válvula del freno de estacionamiento del remolque montada en el tablero para cerrar el aire al circuito del remolque antes de desconectarlo del tractor.

La válvula de freno de resorte del remolque, a veces llamada válvula multifunción, libera los frenos de estacionamiento del remolque y controla la carga de los depósitos de servicio del remolque. También funciona con una válvula de retención integral para aislar un depósito defectuoso, que de otro modo permitiría que los frenos de estacionamiento se aplicaran automáticamente, ya sea que fueran necesarios o no.

Un extremo de rueda de freno de tambor debería ser reemplazado por un freno de disco de aire con una cámara de freno, cubo y eje de rotor. SilverbackHD Los sistemas mencionados anteriormente existen y trabajan juntos para suministrar la cantidad adecuada de presión de aire controlada para accionar los frenos básicos del vehículo, o frenos de servicio. Cuando se aplican los frenos en un vehículo equipado con frenos de aire, la presión del aire se dirige a las cámaras de freno en cada extremo de la rueda. La propia cámara de freno consta de varios componentes interconectados, incluida una carcasa de presión, un diafragma y una varilla de empuje.

A medida que el sistema ejerce presión de aire sobre el diafragma, la varilla de empuje del otro lado del diafragma se extiende hacia afuera. La fuerza que ejerce esta varilla de empuje a medida que se mueve hacia afuera es el resultado de la cantidad de presión de aire aplicada en psi combinada con el área del diafragma en pulgadas cuadradas.

Por ejemplo, si se suministran 100 psi de presión de aire a una cámara de presión con un diafragma de 16 pulgadas cuadradas, entonces la cantidad de fuerza generada en la varilla de empuje sería de 1600 libras. Usando la misma fórmula, una aplicación de presión de aire de 100 psi en una cámara con un diafragma de 30 pulgadas cuadradas producirá 3000 libras de fuerza de varilla de empuje. Obviamente, es importante asegurarse de que las cámaras de freno coincidan correctamente para evitar problemas graves de desequilibrio de los frenos.

En un sistema de frenos de leva S, la varilla de empuje está conectada a una palanca llamada ajustador de freno (también llamado ajustador de holgura). Cuando es accionada por la presión del aire en la cámara del freno, la varilla de empuje fuerza al ajustador del freno hacia afuera. El regulador de freno está conectado a un eje que discurre perpendicular al plano formado por él y la varilla de empuje. A medida que la varilla de empuje se extiende hacia afuera, hace que el ajustador del freno gire el eje. A medida que el eje gira, hace girar una leva en forma de S ubicada entre las zapatas de freno. Esta acción fuerza a que las zapatas de freno se separen, colocándolas contra la parte interna del tambor de freno, creando la fricción necesaria para frenar el vehículo. La cantidad de fricción producida depende de varios factores, entre los que destacan el tamaño de las zapatas de freno, el coeficiente de fricción (agresividad) del material de las pastillas de freno y la expulsión de masa y calor del tambor.

Las zapatas de freno, en particular el material de su revestimiento, son autodestructivas por naturaleza. En otras palabras, la fricción creada al empujar la zapata contra el tambor de freno genera calor y naturalmente desgasta el forro del freno mientras trabaja para reducir la velocidad del vehículo. El ajustador de frenos está equipado con un mecanismo de ajuste de holgura para compensar el desgaste constante de las pastillas de freno y garantizar una fuerza de frenado constante cuando se aplican los frenos. Este sistema, como su nombre lo indica, se ajusta automáticamente a medida que se desgasta el forro del freno para que la varilla de empuje no tenga que viajar más y más para aplicar presión de frenado. Sin el ajustador de frenos, la varilla de empuje pronto no podría extenderse lo suficiente hacia afuera para aplicar los frenos.

Los ajustadores de frenos también tienen otra función importante. Son multiplicadores de fuerza, es decir, palancas que multiplican las fuerzas de frenado en proporción a su longitud. Un ajustador de freno de 5 1/2 pulgadas de largo, por ejemplo, convierte 1000 libras de fuerza en la varilla de empuje en 5500 libras-pulgada de torque en el árbol de levas del freno. Debido a esto, la longitud del ajustador del freno y el tamaño de la cámara del freno son los dos componentes que se modifican más comúnmente para cumplir con los diferentes requisitos de frenado del vehículo. Los ajustadores automáticos de frenos (ABA) se clasifican según un "factor AL": el producto del área (tipo) de la cámara por la longitud del ABA.

Los ingenieros expresan el producto de estos dos valores como el "factor AL" del sistema de frenos. Este factor, cuando se multiplica por una presión de aire de 60 psi, es el estándar de la industria para los cálculos de frenado. Usando esta fórmula, 60 psi de presión de aire aplicada a una cámara de aire con un diafragma de 16 pulgadas cuadradas (la porción "A" del factor AL) crea 960 libras de fuerza de varilla de empuje. Esto se convierte en 3,840 libras-pie de torsión aplicada al árbol de levas del freno cuando se multiplica por un ajustador de freno de 4 pulgadas.

Las cámaras de freno hacen más que simplemente aplicar los frenos de servicio en la conducción diaria. En los ejes traseros del tractor y del remolque, también aplican los frenos de estacionamiento. Estos frenos de resorte utilizan una segunda cámara con un segundo diafragma y un resorte potente. El conductor debe presionar las válvulas del freno de estacionamiento montadas en el tablero para poner el vehículo en servicio normal. Una vez que estas válvulas están en la posición de "funcionamiento" (empujadas), se aplica presión de aire a la cámara del resorte en el lado del diafragma opuesto al resorte. La presión del aire sobre el diafragma comprime el resorte, manteniendo los frenos de estacionamiento desactivados siempre que haya una presión de aire adecuada en el sistema. Esto no afecta la acción de los frenos de servicio en el funcionamiento normal del vehículo.

Cuando el vehículo está estacionado, el conductor saca las válvulas del tablero. Esta acción agota el aire que retiene los frenos de resorte, permitiéndoles desplegarse y mantener el vehículo en su lugar. FMVSS 121 normalmente define los requisitos mínimos de estacionamiento de vehículos para vehículos cargados.

Como medida de seguridad, los frenos de resorte están diseñados para aplicarse automáticamente en caso de pérdida de presión de aire en el sistema de frenos. Si se pierde presión de aire por algún motivo, el freno de resorte de estacionamiento supera la presión de aire de retención en la cámara del freno secundario y los frenos se aplican automáticamente para proporcionar potencia de frenado de emergencia.