Freno de disco cerámico ventilado

Porsche AG instala de serie en el Porsche Carrera GT2 y opcionalmente el 911 Turbo su sistema frenos cerámicos Porsche Ceramic Composite Brake (PCCB) . Este revolucionario sistema de frenos consta de un disco cerámico perforado dotado de conductos de autoventilación internos

Aún cuando los frenos convencionales de disco utilizados por Porsche de fundición gris , caracterizados por su color plateado, proporcionan incomparables valores de deceleración, hecho que ha quedado probado en las innumerables pruebas comparativas realizadas por diferentes entidades independientes, la utilización de un nuevo material compuesto ofrece una capacidad y una eficacia mayores y marca un nuevo punto de referencia en el campo de la tecnología de los frenos.
La rendimiento se establece basándose en criterios primordiales, como la capacidad de respuesta sobre las superficies secas o húmedas, propiedades antifading, estabilidad en la frenada, el peso del conjunto y la duración de los discos.
Los frenos Porsche PCCB establecen además una nueva marca en las distancias de frenado, si bien el sistema no podrá aprovechar todo su potencial hasta que la industria no disponga de unos compuestos de caucho apropiados para los neumáticos y de un ABS desarrollado específicamente.

Los expertos en el campo de los sistemas de frenos auguran que los frenos PCCB pueden tener un futuro prometedor, ya que al margen de las ventajas ya citadas, permiten su montaje sobre el sistema previo sin ningún tipo de problemas. Sólo es necesario sustituir los discos y las pastillas de freno, sin que los pistones, el mecanismo de servo y otros componentes del sistema de frenado requieran modificación alguna.

Un coeficiente de fricción veinticinco por ciento más alto

El sistema de frenos Porsche Ceramic Composite Brake proporciona una respuesta más efectiva y un coeficiente de fricción más alto (el coeficiente de fricción es de aproximadamente 0,5 , lo que representa un incremento en la fase inicial de la frenada de un 25% con relación a los discos convencionales de fundición). Esta capacidad adicional marca una clara ventaja en situaciones críticas. Una frenada de emergencia con los frenos PCCB no implica la necesidad de ejercer una mayor presión sobre el pedal de freno ni requiere ningún otro sistema de asistencia que ayude a generar la máxima presión de frenado en ambos trenes de rodaje en fracciones de segundo.

Los frenos PCCB proporcionan , de inmediato y sin ningún cambio en el tacto del pedal, la más alta efectividad de frenado. Esta cualidad excluye, además, el riesgo que se produce al efectuar un frenado a fondo con el sistema de discos convencionales, con el que muchos conductores ejercen una presión máxima sobre el pedal al iniciar el frenado, que reducen en cuanto se activa el ABS , creyendo que ya han alcanzado la máxima capacidad de deceleración. De hecho, desaprovechan unos valiosos metros de frenado, porque el antibloqueo ABS sólo está actuando, en ese momento puntual, sobre los frenos delanteros.

Una excelente estabilidad "antifading"

La temperatura de operación un factor determinante en las distancias de frenado con discos de freno metálicos no es un elemento prioritario en el caso de los frenos PCCB. Las pastillas y los discos de freno siempre proporcionan un óptimo coeficiente de fricción, con independencia de la temperatura de operación.

En la severa prueba "antifading" de Porsche, que consta de 25 frenadas consecutivas desde el 90 por ciento de la velocidad máxima hasta los 100 kilómetros por hora , con una relación de deceleración establecida de 8 m/s ² , el coeficiente de fricción de los frenos cerámicos se mantuvo en 0,45 después de la undécima frenada. Esta excelente estabilidad puede ahorrar a un conductor una sorpresa desagradable al tener que frenar, por ejemplo, desde una velocidad alta hasta la detención total. Ya que, a diferencia de los sistemas convencionales que pierden efectividad a medida que aumenta la temperatura de los discos, lo que ha de compensarse con una mayor presión sobre el pedal, los frenos Porsche están diseñados para decelerar desde unas elevadas velocidades.

En unas condiciones de acción tan exigentes como las que plantea la mencionada prueba que realiza Porsche, así como en los puertos de montaña o en competición, los discos de freno cerámicos llegan a alcanzar temperaturas de hasta 800 grados , muy por encima de la temperatura de los discos convencionales. Claro que los cerámicos PCCB se "hornean " al alto vacío a más de 1.700 grados y soportan sin problemas elevadas temperaturas.

Los discos de fundición, en cambio, se dilatan a alta temperatura y su superficie se ondula. Estas deformaciones impiden que las pastillas de freno "apoyen" sobre los discos en toda la superficie de contacto y, en consecuencia, producen unas molestas vibraciones en el volante de dirección al frenar. Estos movimientos recortan de forma notable el confort de conducción ya que transfieren las vibraciones a todo el tren delantero, provocando una cierta sensación de desequilibrio.

Ventilación interior: un diseño patentado por Porsche

Los discos cerámicos PCCB son capaces de soportar tan altas temperaturas debido al bajo peso específico de su material, que dispersa de un modo más eficaz el calor acumulado. De todas formas, la temperatura podría aumentar en determinadas condiciones de frenado hasta superar un valor crítico para los sensores del ABS o para el líquido de frenos, si los especialistas de Porsche no hubieran aplicado la inmensa experiencia tecnológica adquirida durante décadas en sistemas de ventilación de frenos. Los discos cerámicos PCCB incorporan unos conductos de autoventilación envolventes que ofrecen la máxima eficacia en la ventilación interior e incorporan además taladros transversales que refuerzan los efectos de ventilación en las mismas superficies de rozamiento.
Las perforaciones en las superficies de rozamiento aseguran además un comportamiento de frenado más efectivo que los discos convencionales de fundición gris sobre superficies húmedas. Esta ventaja se debe en parte al hecho de que, dada la más alta densidad del compuesto de fibra orgánica de nuevo desarrollo de las pastillas, éstas no absorben tanta humedad como los sistemas convencionales.

La razón primordial, sin embargo, es que Porsche ha utilizado en los discos cerámicos el mismo diseño patentado que ofrecen sus discos de frenos metálicos perforados, con una mayor evolución.

La patente nació del simple objetivo de capitalizar las leyes físicas en el auténtico sentido de la palabra: la aplicación de los frenos en una carretera mojada produce que la humedad acumulada entre el disco y el forro de las pinzas se evapore de forma instantánea, lo que provoca una fina capa de vapor de agua entre ambos elementos de fricción, lo que impide que el freno actúe con la máxima efectividad. Porsche ha solucionado este problema por medio de la utilización de discos de frenos perforados. Las aberturas permiten dispersar inmediatamente el vapor de agua acumulado de manera que los cilindros puedan transmitir a las pinzas plena potencia de fricción en los discos.

Máximo control en los discos de freno

Los frenos de las ruedas direccionales en el tren delantero cuentan con pinzas de seis cilindros, en tanto que los posteriores utilizan la ya clásica y efectiva solución de cuatro pistones. Los pistones son de diferente diámetro para compensar el desgaste tangencial oblicuo del material. Un sistema de aislamiento térmico de nuevo desarrollo asegura que las elevadas temperaturas que pueden producirse al frenar no sean transmitidas de algún modo al líquido de frenos.

Este novedoso sistema consta de un elemento termoaislante ubicado entre las pastillas y los cilindros de freno de cada pinza. Es una pequeña pieza de cerámica, cuyo factor de aislamiento es 2,5 veces más alto que el del titanio que se suele utilizar en los sistemas de freno de los monoplazas de Fórmula 1 para impedir la transmisión del calor. Las pinzas de aluminio utilizan el tradicional diseño "Monobloc" de Porsche, con las pastillas montadas con pernos para prevenir la corrosión y la línea de conexión montada en el exterior para una óptima refrigeración del líquido de frenos.

Un cincuenta por ciento más ligero

El diámetro de los frenos de disco cerámicos utilizados en el 911 Turbo es de 350 milímetros. Un disco cerámico pesa en definitiva alrededor de un 50 por ciento menos, debido a la menor densidad del material que lo compone, lo que supone un ahorro de peso del 16,5 kg en el tren de rodaje del modelo.

Este importante ahorro de peso supone un progreso tecnológico increíble en el desarrollo de chasis y suspensiones. Los ingenieros especializados tienen como uno de sus principales objetivos la reducción en el peso de las masas no suspendidas. El sistema de frenos PCCB ofrece excelentes posibilidades para mejorar el confort de rodaje, el comportamiento de suspensión de las ruedas y la precisión de la dirección de un vehículo de estas características

Un sofisticado sistema de fabricación

Comparado con los discos de freno, cuyos procesos de fabricación y mecanizado consumen nada más que un par de horas, los nuevos discos de cerámica PCCB requieren un sofisticado sistema de producción superior a un día. Desde el principio, se requiere una selección y tratamiento previo adecuados de la fibra de carbono que se va a utilizar en el compuesto de la fibra con carburo de silicio.

Las posteriores operaciones de cocción en un horno de alta temperatura y la silificación en una atmósfera de alto vacío exigen muchos años de experiencia en este tipo de producción. Para poder satisfacer las más exigentes pautas de calidad, Porsche ha seleccionado un proveedor con más de cien años de experiencia en el campo de los procesos de horneado de materiales a alta temperatura: SGL Carbon en la localidad alemana de Meitingen, cerca de Augsburg. Porsche ha concentrado en esta empresa de alta tecnología toda la cadena de fabricación de sus discos PCCB , partiendo de la producción inicial de la fibra de carbono.

El proceso de producción comienza con una mezcla de una cantidad exacta de fibra de carbono con polímeros líquidos , entre ellos resinas, para formar un compuesto tipo pegamento de fibra de carbono . Posteriormente se realiza una compresión termal del compuesto dentro de los moldes de los discos que incluyen los circuitos de ventilación interiores. Con el endurecimiento del polímero, se consigue un disco de fibra de carbono  listo para el tratamiento posterior.

Los discos son trasladados a continuación a un horno de pirólisis. Todos los componentes polímeros se transforman en carbono durante esta cocción que se efectúa a más de 1.000 grados en una atmósfera de nitrógeno. Este proceso de fabricación daría como resultado un disco de fibra de carbono como los que incorpora un vehículo de competición de Fórmula 1.

La última operación, muy importante, es la que marca la diferencia y proporciona un disco cerámico altamente estable. Requiere una inmensa experiencia en el tratamiento de los materiales de alta temperatura, ya que la cantidad de silicio en la fase de silificación en el horno de alto vacío debe ser exacta, al igual que la temperatura del proceso, ligeramente por encima de los 1.420 grados , punto de fundición del material. A esta temperatura el silicio fluye como el agua y es absorbido por el disco de carbono provisto de las perforaciones transversales, como si éste fuera una esponja.

Tras el proceso de enfriamiento, el disco de freno es casi tan duro como el diamante. El grado de dureza del carburo de silicio sometido al proceso de conversión química equivale a 9,7 . El material cerámico ofrece una elevada capacidad de resistencia a los impactos.

Una duración superior a la de la vida útil del vehículo

Los discos de freno cerámicos presentan, debido a su alto nivel de resistencia y dureza, una resistencia a la abrasión notablemente superior a los convencionales. Su vida útil es muy prolongada: en los múltiples ensayos realizados los discos cerámicos ofrecen una duración similar a la que puede ofrecer el vehículo, de hasta 300.000 kilómetros .

Otro factor que contribuye a esta durabilidad es la cualidad anticorrosiva del material compuesto. Los discos cerámicos son absolutamente inmunes al salitre que se utiliza en los sistemas de irrigación automáticos para las superficies nevadas durante el invierno. Tanto el soporte del disco como los elementos de conexión, por su parte, ofrecen una duración similar, ya que los ingenieros de Porsche los han realizado en acero inoxidable, para que el sistema de freno PCCB disponga de una máxima vida útil en todos sus componentes. Las pastillas de freno, finalmente, permiten realizar un kilometraje que llega al doble del que ofrecen las pastillas convencionales.

Hitos en el desarrollo de los frenos Porsche

La técnica de la competición en los productos de serie

Una capacidad de frenada que es referencia de la industria del automóvil

La empresa Porsche AG es uno de los pocos fabricantes de automóviles del mundo que no ha cedido el desarrollo de sus sistemas de freno a la industria auxiliar. Desde hace décadas ha encarado este importante aspecto de seguridad como una de sus competencias prioritarias. Sobre la base de la excelencia adquirida por Porsche en la tecnología de frenos a lo largo de tantos años, los deportivos de la frenan de forma más rápida, más segura y más efectiva que cualquiera de sus rivales.

• Los frenos deben soportar altas temperaturas

  Una efectiva dispersión del calor, utilizando aleaciones de aluminio de alta resistencia térmica en la carcasa de las pinzas y sus pistones, así como la incorporación externa de los conductos del líquido de frenos en la misma corriente del aire de ventilación. Este diseño reduce la temperatura del líquido de frenos, lo que a su vez disminuye el desgaste de las pastillas y prácticamente elimina la posibilidad de la formación de burbujas en el fluido de frenos.
  
• La rigidez es máxima, y como consecuencia, las dilataciones son mínimas, lo que es un requisito ineludible para una rápida respuesta del freno, un óptimo tacto y recorrido corto del pedal de frenos.
  
• Un retroceso homogéneo de las pastillas de freno asegura una óptima refrigeración de los discos, evitando así todo tipo de ondulaciones y rugosidades en las superficies de los discos así como cualquier vibración al efectuar una frenada.
  
• La ligereza de todos los elementos del sistema contribuye a la disminución del peso de las masas no suspendidas, lo que favorece un calibrado más efectiva de los muelles y sus amortiguadores en la suspensión.
  
• El sistema de fijación de las pastillas de freno proviene de la competición y ha sido desarrollado para proporcionar una larga efectividad y vida útil.
  

1962: discos de frenos de sujeción al interior de la llanta

Este disco de freno de sujeción al interior de la llanta fue desarrollado por Porsche y debutó con gran éxito en el monoplaza Porsche 804 , Fórmula 1 . Posteriormente se desarrolló para su utilización en el modelo de serie 356B 2000 GS .
La principal ventaja de este sistema respecto a un disco de freno convencional es su diseño compacto, que permitía que el vehículo incorporase discos y pastillas con una superficie entre un 20 y un 25 por ciento más amplias, sin necesidad de cambio en la medida de las llantas.

1976: pinzas fijas de aluminio de diseño "Monobloc"

El Porsche 935 fue el primer vehículo de competición que incorporó pinzas fijas de aluminio de diseño "Monobloc" con pastillas de freno fijadas mediante pasadores. El entonces innovador desarrollo ofrecía una rigidez excepcional de todos sus componentes y una máxima fiabilidad. Esta fue también la primera vez que se montaron los conductos del líquido de frenos en la parte exterior de la pinza con la finalidad para una mejor refrigeración del fluido hidráulico.

1977: el primer sistema de frenos de competición en un vehículo de serie

Para la presentación del Porsche 911 Turbo de 3,3 litros, la firma de Stuttgart tomó la decisión de dotarlo con un sistema de frenos procedente de un prototipo de competición para equilibrar los 300 CV de potencia del modelo. En ese momento nació la tradición de equipar a todos los vehículos Porsche de serie con sistemas de frenos de desarrollo propio. Los frenos del modelo 911 Turbo eran una evolución del sistema que utilizó el laureado Porsche 917 , con innovadores detalles como las pinzas fijas de aluminio y los discos de freno perforados y autoventilados con conductos envolventes en vez de radiales.

1982: frenos de disco con doble pinza

Este sistema de frenos provisto de doble pinza de aluminio en cada rueda fue desarrollado especialmente para competición y fue una importante contribución para que los Porsche 956/962 consiguieran cinco victorias consecutivas en el circuito de Le Mans. Un disco de freno con dos pinzas fijas de aluminio duplica la superficie de las pastillas y, en consecuencia, su duración, siendo los períodos de sustitución también dos veces más largos. El diseño técnico de las mordazas fijas de una pieza dotadas de unas pastillas fijadas mediante varios pasadores constituye la base para la actual generación de los frenos de mordaza fija Monobloc incorporados en las series Boxster y 911 .

1996: concepto innovador de frenos para la nueva generación de deportivos Porsche

• Los pistones de freno tienen diferentes diámetros para compensar el desgaste oblicuo tangencial de las pastillas.
  
• El diseño "Monobloc" proporciona una extremada rigidez de todos los componentes.
  
• La refrigeración del líquido de frenos en las pinzas se mejora a través de la utilización de conductos exteriores enfriados por el flujo de aire.
  
• La pinza de una sola pieza ("Monobloc") asegura una importante reducción de peso.