La anatomía del sistema de frenos de aire de un camión

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

Los frenos de aire funcionan de manera diferente a los sistemas de frenos hidráulicos que se encuentran en automóviles y camiones de trabajo ligero. Todos los sistemas de frenos de aire difieren un poco 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 familiarizarse antes de intentar 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. SilverbackHD El 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 gobernador, que controla la salida del compresor ciclando aire en el sistema según sea necesario, o descargando si el sistema tiene la 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, un interruptor en el sistema debe encenderse y enviar una señal electrónica a una luz del tablero o un zumbador en la cabina y alertar al conductor de un problema.

El aire del sistema se almacena en depósitos de aire (generalmente tres o más por tractor) hasta que se necesita. Las válvulas de retención evitan que el aire presurizado vuelva a pasar por el compresor mientras no está funcionando para asegurarse de que el aire llegue a donde se necesita. Si el sistema se sobrepresuriza con demasiado aire, "pop-off" o seguridad, las válvulas 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 donde la humedad atmosférica se condensa en mayor cantidad. 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 de aire, pero el costo del ciclo de vida y los valores de reventa pueden compensar eso a largo plazo. SilverbackHDEl aire en los depósitos debe enrutarse a los diversos componentes del sistema antes de que pueda llevarse a cabo cualquier acción de frenado. El sistema de control es una serie de válvulas neumáticas que hace justamente 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 doble control es el actuador principal del sistema. En realidad, son dos válvulas que funcionan simultáneamente en respuesta a la entrada del pie del conductor en 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 que el conductor detenga 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 principal y a través de la parte principal de la válvula de pie de control doble para accionar los frenos del eje trasero. Al mismo tiempo, el aire fluye desde el depósito secundario a través de la parte secundaria de la válvula de pie de doble control para accionar los frenos del eje delantero. Una válvula de retención de dos vías detecta la presión de aire en los sistemas de aire primario y secundario y permite que el sistema con la presión más alta accione los frenos del remolque (si los hay). El aire primario también se puede suministrar manualmente al remolque por medio de una válvula manual, que generalmente se encuentra cerca del volante del vehículo. Además, la válvula de retención de dos vías activa el interruptor de la luz de freno del vehículo, lo que garantiza que las luces de freno se activen en caso de que falle el circuito.

Pero lleva tiempo hacer pasar aire a través de un 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 del sistema más rápido. Estas válvulas de relé se alimentan directamente con la presión del sistema y utilizan el 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 de 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 de la sincronización y el equilibrio de los frenos. Se determina para cada eje del vehículo según la carga del eje que recibe la válvula, el tamaño de los frenos y la agresividad de los revestimientos de esos frenos.

Una válvula que se rompe 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. Del mismo modo, una válvula que se rompe a una presión demasiado alta también puede causar 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 de la industria han trabajado arduamente para estandarizar las características de grietas de las válvulas. (Para obtener más información, consulte la práctica recomendada J1505 de SAE para conocer los procedimientos de equilibrio de frenos y la J1860 para conocer las prácticas recomendadas de etiquetado de componentes).

Una vez que un camión detenido está listo para partir, hacer que el aire viaje de regreso a través del sistema causaría un retraso notable entre el momento en que el conductor quitó el pie del pedal del freno y el momento en que se soltaron 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 rápidos de liberación de los frenos.

Las válvulas de aire montadas en el tablero dentro de la cabina controlan la presión de aire a los frenos de estacionamiento. En la mayoría de los casos, estos son frenos aplicados por resorte, que se activan gradualmente al descender la presión de aire en el sistema de frenos. Por el contrario, cuando se aplica aire empujando la válvula de control del tablero (válvula de control de estacionamiento), los frenos se liberarán por completo en el rango de 60 a 70 psi. Esto proporciona una función a prueba de fallas en caso de que se pierda todo el aire; el vehículo aún se puede estacionar y se puede usar como parte de un sistema de frenos de emergencia.

La válvula de protección del tractor mantiene la presión de aire en las líneas que transportan aire al remolque si uno está tirado detrás del vehículo. "Gladhands" - accesorios de conexión rápida en la parte trasera del tractor - suministro de aire al remolque. En caso de una emergencia, ya sea una fuga importante en las líneas de aire o una fuga 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 junto con la válvula del freno de estacionamiento del remolque montada en el tablero para cortar el aire al circuito del remolque antes de desconectar el remolque del tractor.

La válvula del 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 se necesiten o no.

Sería necesario reemplazar un extremo de rueda de freno de tambor por un freno de disco de aire con cámara de freno, maza y eje de rotor. frenos de servicio. Cuando se aplican los frenos en un vehículo equipado con frenos de aire, la presión de aire se dirige a las cámaras de freno en cada extremo de rueda. La cámara de freno en sí consta de varios componentes interconectados, que incluyen 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 3,000 libras de fuerza de varilla de empuje. Obviamente, es importante asegurarse de que las cámaras de los frenos coincidan correctamente para evitar problemas graves de desequilibrio de los frenos.

En un sistema de freno de leva en 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 de aire en la cámara del freno, la varilla de empuje fuerza el ajustador del freno hacia afuera. El tensor de freno está conectado a un eje que corre 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 las zapatas de freno a separarse, colocándolas contra la parte interior del tambor de freno, creando la fricción necesaria para reducir la velocidad del vehículo. La cantidad de fricción producida depende de varios factores, sobre todo el tamaño de las zapatas de freno, el coeficiente de fricción (agresividad) del material del revestimiento del freno y la masa y el rechazo de calor del tambor.

Las zapatas de freno, en particular su material de revestimiento, son autodestructivas por naturaleza. En otras palabras, la fricción creada al empujar la zapata contra el tambor del freno genera calor y, naturalmente, desgasta el revestimiento del freno a medida que reduce la velocidad del vehículo. El ajustador de frenos está equipado con un mecanismo de ajuste de holgura para compensar el constante desgaste 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 el revestimiento del freno se desgasta para que la varilla de empuje no tenga que viajar más y más lejos para aplicar presión de frenado. Sin el ajustador de freno, la varilla de empuje pronto no podría extenderse lo suficiente hacia afuera para aplicar los frenos.

Los ajustadores de freno también tienen otra función importante. Son multiplicadores de fuerza, esencialmente 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 1,000 libras de fuerza en la varilla de empuje en 5,500 pulgadas-libras de torsión 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 con mayor frecuencia para cumplir con los diferentes requisitos de frenado del vehículo. Los ajustadores automáticos de frenos (ABA) están clasificados por un "factor AL": el producto del área de la cámara (tipo) 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 3840 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 los ejes del remolque, también aplican los frenos de estacionamiento. Estos frenos de resorte utilizan una segunda cámara con un segundo diafragma y un resorte potente. Un conductor debe empujar las válvulas del freno de estacionamiento montadas en el tablero para poner un vehículo en servicio normal. Una vez que estas válvulas están en la posición de "funcionamiento" (presionadas), se aplica presión de aire a la cámara del resorte en el lado del diafragma opuesto al resorte mismo. La presión de aire en el diafragma comprime el resorte, manteniendo los frenos de estacionamiento apagados siempre que haya una presión de aire adecuada en el sistema. Esto no afecta la acción de los frenos de servicio en la operación normal del vehículo.

Cuando el vehículo está estacionado, el conductor saca las válvulas del tablero. Esta acción expulsa 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 precaución 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 la presión de aire por cualquier 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.