El sistema por el cual funcionan nuestros oídos es asombroso. El aire en movimiento golpea un diafragma en su oído y unos pequeños huesos activan los nervios que transmiten las señales al cerebro. La manera en que interactúan el aire, el diafragma y los nervios pueden marcar la diferencia entre una conversación o el molesto ruido de los frenos.
Supongamos un ejemplo; digamos que usted deja caer un separador de rótulas en el suelo. Cuando los dedos de la herramienta golpean el piso, comienzan a vibrar. A medida que los dedos vibran, excitan el aire a su alrededor. El movimiento de los dedos hacia adelante empuja el aire hacia adelante, comprimiéndolo, y cuando los dedos se retractan, aspiran el aire hacia atrás creando un área de baja presión. Si tuviera que registrar en una gráfica el cambio de la presión con el tiempo, esta subiría y bajaría como una onda (frecuencia cíclica audible) hasta que los dedos de la herramienta dejaran de vibrar. Estos cambios en la presión del aire creados por una onda de sonido eventualmente entrarán en su oído.
Su oído es un dispositivo simple a nivel mecánico y fisiológico. Es una membrana que se extiende a través de una abertura como un tambor. Adjunto al tímpano están las estructuras del oído medio.
Las regiones de alta y baja presión de la onda de sonido mueven el tímpano hacia adentro y hacia afuera. Esto hace que las estructuras del oído interno vibren a la misma frecuencia.
Estas vibraciones se transmiten al líquido dentro del oído interno, donde se convierten en impulsos nerviosos eléctricos. El cerebro recibe e interpreta estas señales como sonido.
Frecuencia y Presión
Ahora digamos que deja caer un separador de rótulas más grande y con unos dedos más largos. Si lo dejara caer desde la misma altura, se escucharía un sonido diferente. El tono o el sonido serían más bajos en el tono y más fuertes.
La razón de esto es que los dedos de la horquilla se mueven más lentamente, lo que lleva más tiempo para generar regiones de alta y baja presión. El cerebro interpreta esto como un sonido bajo o “bajo”. En la medida en que el aire en movimiento mueva el tímpano hacia adentro y hacia afuera afectará la forma en que el cerebro interpreta la “intensidad” de un sonido. Cuanto más se mueva el tímpano, más fuerte es el ruido.
Todas las ondas de sonido se disipan o pierden energía en una distancia determinada. Cuanto más cerca esté de la fuente del ruido, más fuerte le parecerá. Mencionemos algunos términos de ingeniería detrás de lo que se acaba de observar. Una onda de sonido se compone de dos partes en un ciclo. Estas se denominan regiones de compresión y rarefacción (áreas de alta y baja presión). El número de veces que el ciclo se repite en un segundo (referido anteriormente) se denomina frecuencia y se mide en Hertz.
La “presión de sonido” o “volumen” es proporcional a la “amplitud” (altura) de la onda de sonido. En otras palabras, sería hasta qué punto la onda de sonido puede empujar y tirar del tímpano. La intensidad de una onda de sonido depende de la distancia a la que se mide. La presión del sonido se mide en decibeles o dB.
Sus oídos tienen un rango de rendimiento dado cuando se trata de frecuencia y presión del sonido. En otras palabras, el tímpano y los huesos conectados solo pueden moverse tan rápido o tan lento según su rango (frecuencia/Hz). El tímpano también puede moverse solo hasta cierto rango (presión sonora). El humano promedio puede oír entre 20 y 20,000 Hertz.
Control del Ruido
Si está tratando de eliminar un ruido, podría intentar evitarlo al mover el aire a su alrededor. Esto no es posible con los frenos porque estos no funcionan en el vacío y no pueden separarse del vehículo.
Las tres opciones disponibles son; cambiar la frecuencia, eliminar la ruta de transferencia de la vibración o disipar el ruido mediante un tratamiento de absorción a través de un aislamiento.
Cómo Comienza el Ruido en Todos los Frenos
Todos los frenos hacen ruido. Cuando el material de fricción de los frenos hace contacto con el rotor, el acoplamiento entre ambos hace que la pastilla de freno y el rotor oscilen y vibren. En términos de ingeniería, esto se denomina “excitación de fuerza acoplada”, lo que significa que los componentes están enlazados como un sistema combinado que vibrará con los modos de vibración combinados con la frecuencia natural del sistema.
La cantidad de excitación y la frecuencia generada pueden verse influidas por las variaciones en el par del freno (o los cambios en el coeficiente de fricción) en la cara del rotor. A medida que los componentes se calientan, el rotor puede generar puntos calientes que podrían ocasionar diferentes regiones de fricción que producirán diferentes niveles del par de frenado. En este acople de fricción es donde se genera la mayor parte del ruido de los frenos.
Analizando Todo el Sistema
Cuando un cliente escucha un ruido de frenos, no es solo el sonido “puro” del acoplamiento de fricción. El sonido que ellos escuchan es el producto de todo el sistema de frenos – las vías de transferencia estructural a través de los componentes de la suspensión en el compartimiento del pasajero y el ruido amplificado dentro del panel de la rueda actúan como una cámara de eco reverberante.
Por eso es importante tomar en cuenta todo el sistema cuando se trata de diagnosticar el ruido de los frenos. Los diferentes componentes pueden tener diferentes frecuencias naturales. El sistema de frenos también tiene diferentes componentes con diferentes masas, formas y puntos de sujeción, las cuales influyen en las frecuencias naturales y las diferentes formas.
Las frecuencias naturales combinadas pueden crear una nueva frecuencia que es diferente a las frecuencias originales.
Materiales de Fricción
¿Qué es lo que hace que un material de fricción sea más silencioso que otro? Esta respuesta tiene dos partes. Primero, si un material de fricción es mejor para mantener un coeficiente de fricción constante en amplios rangos de temperatura y condiciones ambientales, es probable que sea una pastilla silenciosa. Un material de fricción “consistente” regularmente causa una menor variación de la excitación vibratoria en el acoplamiento de fricción al generar un torque de frenado más constante en condiciones ambientales extremas de humedad y temperatura en el rango de -40° F a 500° F, (-40° C a 260° C).
En segundo lugar, algunos materiales de fricción dejan o transfieren una capa de material de fricción (película de transferencia o “condimento”) sobre la superficie del rotor. Algunas compañías de materiales de fricción afirman que esta capa puede suavizar la superficie del rotor, lo que causa menos excitación y ruido en el acople de fricción. Además, esta capa de transferencia puede no ser tan sensible a la variación del par de frenado inducida por el calor.
Rotores
La mayoría de los técnicos primero culpan las pastillas de freno en un problema de ruido, cuando en realidad la fuente del ruido es el rotor. La razón por la que esta mayoría de técnicos condenan a las pastillas en lugar del rotor es que piensan que el rotor no sufre cambios bajo el calor y la fuerza extrema. Esto no es verdad. La forma de un rotor puede volverse “viva” o “dinámica” bajo las fuerzas mecánicas del frenado y por el calor.
A medida que las fuerzas mecánicas de frenado actúan sobre el rotor, este puede moverse y flexionarse. Si bien no es visible a simple vista, este movimiento puede causar excitación y ruido en el acoplamiento de fricción. Un mal diseño de las aletas y el sombrero del rotor pueden no ser capaces de controlar dicho ruido.
La suavidad de la superficie de fricción de un rotor se describe en términos de micro-acabado o factor RA. El RA significa Promedio de Rugosidad y representa una forma de medir la suavidad de un rotor. La mayoría de los tornos disponibles en el mercado, cuando están nuevos y en buenas condiciones y se usan correctamente, producen factores de RA muy aceptables.
Mordazas y Herraje
La mordaza influye mucho en el acoplamiento de fricción y se ve afectada por las vibraciones generadas. Como se indicó anteriormente, la fuente de la mayoría de los ruidos de los frenos es el acople de fricción. Las variaciones en el par de frenado o torque y el coeficiente de fricción pueden inducir vibración y ruido.
La mordaza suministra la fuerza mecánica para el acoplamiento de fricción. La capacidad de la mordaza para mantener una “huella de fricción” constante entre las pastillas y la cara del rotor bajo diferentes niveles de fuerza mecánica determinará qué tan bien puede controlar el ruido.
La segunda propiedad que debe tener una mordaza es la capacidad de absorber y amortiguar la vibración. Una mordaza de freno más pesada puede amortiguar mejor la vibración. Pero, como todos los problemas de diseño e ingeniería automotriz, solo se puede poner determinado peso en una esquina de un vehículo antes que comience a afectar el peso del vehículo. En algunos casos, los ingenieros modifican la masa en ciertas áreas de la mordaza, como en los dedos y el puente de la misma.
Si un componente tiene demasiada libertad de movimiento, este vibrará y creará ruido. Si un componente tiene un ajuste apretado, probablemente vibrará e incluso podría excitar a otros componentes a su alrededor. Este efecto se complica aún más cuando influir en el acople de fricción, como una pastilla de freno atorada. Por esta razón, es necesario asegurarse de que los deslizadores, las guías y clips permitan el movimiento, pero no demasiado el juego libre. Muchos clips pierden tensión con el tiempo. Cuando se pierde la tensión del resorte, este es incapaz de aislar y amortiguar la vibración.
Calzas de Freno o Aisladores
Las calzas o cuñas de freno tienen la capacidad de controlar el ruido de tres diferentes maneras. Primero, previenen y reducen la transmisión y amplitud de las fuerzas vibratorias que causan la excitación de la mordaza, el ensamblaje de la pastilla y la estructura del soporte. Esto se logra mediante un material de amortiguación visco-elástico dentro de las capas de construcción de la calza y por el método de unirse al conjunto de la pastilla.
Segundo, una calza puede agregar masa a la pastilla de freno y así amortiguar las vibraciones y oscilaciones en la pastilla y la mordaza. Estas reducen las fuerzas de reacción que se transmiten de vuelta al pistón del freno utilizando recubrimientos de elastómeros en su superficie.
Tercero, una buena calza de freno o un aislador pueden actuar como una barrera térmica para asegurar temperaturas constantes en toda la cara de la pastilla. Esto puede ayudar a garantizar un torque de frenado constante.
Lubricantes
¿Por qué los lubricantes trabajan para reducir algunos ruidos de los frenos? Es una respuesta simple. Cuando un dedo de la mordaza se lubrica en el punto en que toca la pastilla de freno, el lubricante crea una barrera que separa la vibración de la pastilla de freno de la excitación del dedo de la mordaza y la mordaza. Este es un enfoque para resolver problemas de NVH (ruido, vibración, aspereza), pero tiene sus limitaciones.
Los lubricantes con base de petróleo nunca deben usarse para trabajos de montaje de frenos, ya que los aceites minerales pueden causar que las botas y los sellos se inflamen y fallen. Nunca use “grasa de chasis” ordinaria en las guías y bujes de la mordaza de freno. Lo más probable es que dentro de 500 a 1,000 millas (804 – 1609 Km), la grasa del chasis se descomponga y forme una masa pegajosa que hará que la mordaza se pegue.
Se debe usar lubricante de alta calidad del tipo moly (molibdeno), en todas las superficies de contacto entre metal y metal, y un lubricante de silicón de alta calidad en todas las partes entre metal y caucho. Algunos lubricantes de silicón pueden usarse en los deslizadores ya que están formulados para soportar altas presiones y temperaturas.
