miniatura|Fre aerodinàmic d'un MiG-23 miniatura|Discos de frens roents a les 24 hores de Le Mans Un fre, en sentit tecnològic, és un dispositiu capaç d'absorbir l'energia cinètica d'un sistema mecànic en moviment per tal de produir una disminució de la velocitat, provocar l'aturada completa o impedir l'acceleració. Simplificant, un fre és tot allò que dificulta o impedeix el moviment. D'acord amb el principi de la conservació de l'energia de la física, tota l'energia absorbida pel fre es dissipa en forma de calor.
Història Els primers frens es van muntar sobre els carros de tracció animal, a causa que quan calia baixar per un pendent llarg, l'animal es cansava tant com de pujada. Davant del risc de perdre el control del carro i l'animal, es va muntar un sistema que actuava damunt les rodes per fregament i les impedia girar lliurement.
Amb l'arribada de vehicles més ràpids els materials a fricció van canviar, però el sistema continuava sent bàsicament el mateix, basat en pressionar una sabata sobre la llanda de la roda per dificultar-ne i impedir-ne el moviment. Amb l'arribada de l'automòbil i dels avions, es van desenvolupar frens efectius davant les velocitats de què eren capaços d'arribar aquests vehicles.
Classificació dels frens Per la forma d'actuar i el mitjà en què actuen, es podria classificar els frens en quatre grans tipus: Frens mecànics: Aquells on hi ha contacte físic entre dues superfícies Frens elèctrics: Amb intervenció de fenòmens de tipus electromagnètic Frens hidràulics: On un líquid és l'element retardant Aerofrens: Com el seu nom indica, l'aire fa d'element retardant
Frens Mecànics Fre de sabata miniatura|Fre d'un antic carruatge amb sabates En aquest tipus, es tracta de posar en contacte una o dues sabates,GDLC. Sabata. Tecnologia que estan muntades sobre el bastidor del vehicle, en contacte amb la llanta de la roda, exercint pressió sobre ella per mitjà d'unes palanques. És el cas dels carros i els antics ferrocarrils.
En les bicicletes es fa servir un derivat d'aquest fre que actua sobre els costats de la llanta (a la banda de sobre hi ha el pneumàtic), antigament es feia servir un joc de palanques per accionar-lo (frens de varilles), avui en dia es fa per mitjà de cables amb dissenys variats.
Fre de cinta S'utilitza una cinta de material flexible, pot ser cuir o fins i tot cinta d'acer recoberta de cautxú, o altre material resistent al fregament (ferodo), abraçant un tambor o eix. Quan es posa en tensió la cinta, té tendència a alentir l'eix. És un fre molt antic, que es feia servir en maquinària i, actuant sobre l'arbre de transmissió d'un vehicle, com a fre d'estacionament.Frenos.Us – Freno de cinta -
Fre de tambor miniatura|Vista del sistema interior de tambor de dues mordasses primàries, amb dos bombins
En aquest cas es tracta generalment de dues sabates (o mordasses) de forma semicircular, i fixes al bastidor del vehicle, que per mitjà d'un mecanisme s'obren i freguen sobre la superfície interna d'un cilindre que anomenem tambor, que forma part de la roda. Al principi el mecanisme que obrien les mordasses eren unes lleves governades per cables, cilindres hidràulics o neumàtics; més tard es va fer que els extrems del cilindre (bombí de fre) actuessin sobre les mordasses. Aquestes tornen a la posició original per mitjà de molles. Era el fre dels automòbils i dels primers avions.
Es dona el cas que la mordassa que s'obre en sentit de gir té tendència a ser "clavada" en el tambor, és la mordassa primària, mentre que l'altre, «escopida», és la secundària. És per axó que en vehicles de competició s'utilitzaven frens de doble lleva o més.Mecánica virtual – Freno de tambor -
Fre de disc miniatura|Aspecte d'un fre de disc
És el fre més modern, desenvolupat per la mala ventilació dels frens de tambor. Es tracta d'unes pinces que freguen amb un tambor que és solidari amb la roda. Aquestes pinces poden ser fixes o basculants i les peces que freguen amb els discos, anomenades "pastilles", normalment són empeses i pressionades contra els discos per mitjans hidràulics. En cessar la pressió hidràulica deixen de contactar amb els discos.
En vehicles en què la velocitat és alta i la massa també és elevada, es fa servir més d'un disc per roda, és el cas dels avions comercials i els trens d'alta velocitat. En vehicles de competició es fan servir discos de carboni.Monografias.com – Sistema de frenos de disco -
Actualment s'acostuma a incloure en aquest sistema els ABS (Antiblocking Braking System, Sistema Antibloqueig de Frens), que són uns sistemes electrònics que per mitjà de sensors comparen les velocitats de les rodes, de manera que si n'hi ha alguna que es bloqueja (s'atura) es desfrena; per això, quan es fa una frenada forta amb un cotxe que porta el sistema ABS, sembla que el pedal tremoli.
Fre elèctric miniatura|Vista d'un fre elèctric de vehicle, conegut també per "retarder" En aquest tipus de fre es fa servir la força electromagnètica per actuar. Hi ha dues maneres: la primera, i molt utilitzada per automòbils de transport (camions i autocars), es tracta que unes bobines actuen sobre un tambor amb més o menys intensitat, segons la governa el conductor per mitjà d'un reòstat, i acostuma a actuar sobre l'arbre de transmissió.
L'altre és molt utilitzada pels trens, i es basa en la reversibilitat de les màquines elèctriques, que de motors passen a generadors, derivant el corrent generat a unes resistències que acostumen a estar damunt de les unitats motrius.
Frens hidrodinàmics Es tracta d'un líquid que circula entre dues rodes de paletes, que tendeix a immobilitzar-les. És un fre poc conegut pel públic en general, ja que el seu ús no és molt corrent. Es fa servir sobretot en els bancs de proves de motors, per determinar les corbes de potència. El més conegut és el fre Froude.Banco de pruebas – Freno Froude -
Aerofrens És un sistema desenvolupat durant la Segona Guerra Mundial per baixar la velocitat dels avions quan feien un descens en picat, o ara actualment quan han d'aterrar. Consisteix en el desplegament d'unes superfícies que fan augmentar considerablement la secció frontal de l'avió, causant la pèrdua de velocitat desitjada. En els avions antics, acostumava a desplegar-se als costats del fuselatge, però en els d'avui és damunt de les ales.Treballs Acadèmics de la UPC – Disseny i Estudi d'un sistema de Aerofre -
Sistemes d'accionament Qualsevol sistema de frens consta d'un o més elements de frenada pròpiament dits i un sistema d'accionament que fa que l'element de fre actuï responent a la voluntat de l'operador humà o a l'acció d'un sistema automàtic adequadament projectat.
Sistemes mecànics miniatura|Palanca del fre d'estacionament d'un SAAB 0-5. En els vehicles hipomòbils (carros i similars, tirats per èquids) les sabates (o socsGDLC. Soc. Transport.) s'accionaven per un sistema purament mecànic, basat en palanques. Alguns mecanismes empraven un sistema desmultiplicador amb una corda i una politja accionada indirectament per una maneta i palanca rotativa. En els primers vehicles automòbils els sistemes de comandament eren mecànics. La força del conductor es transmetia als frens per un sistema de palanques o cables, sense cap assistència. El fre d'estacionament o de mà era tradicionalment mecànic, amb un sistema de palanca i cables. Actualment hi ha alguns automòbils amb frens d'estacionament amb comandament elèctric.
Sistemes pneumàtics La majoria de vehicles pesants (camions, autobusos i altres) disposen d'un sistema d'actuació dels frens basat en l'aire comprimit. Un compressor elèctric comprimeix aire i l'envia a un dipòsit o calderí. Quan el conductor prem el pedal de fre s'obre una vàlvula i l'aire comprimit actua sobre un pistó (o diversos pistons) que accionen els elements de frenada directament o indirectament.
Sistemes hidràulics Els primers automòbils amb frens hidràulics varen substituir les palanques o cables per un circuit hidràulic. El pedal de fre accionava un pistó i un líquid adequat, passant per uns tubs transmetia la pressió a uns pistons receptors que actuaven sobre els elements de fre. En els primers temps el fluid emprat era l'aigua. Els sistemes hidràulics de frenada actuals són servo-assistits. Un servo accionat pel buit parcial del sistema d'admissió del motor ajuda a l'esforç que ha de fer el peu de la persona conductora. Durant molts anys els automòbils esportius disposaven de frens hidràulics sense servo. Porsche, en el seu model 911, va mantenir molts anys un sistema sense servo. Des de 1964 fins a 1976.
Sistemes elèctrics Els circuits elèctrics podien formar part auxiliar dels sistemes de comandament pneumàtics o hidràulics. En el cas de vehicles elèctrics o híbrids la relació del sistema de comandament amb l'element de fre és més directa.
Casos particulars Els diversos sistemes de frenada esmentats més amunt, d'acord amb els elements de fre i la manera d'accionar-los, són molt difícils d'explicar en termes generals. L'anàlisi resumida d'alguns casos particulars permet destacar alguns detalls importants.
Automòbils miniatura|Esquema d'un fre de disc accionat hidràulicament. miniatura|Duesenberg de 1922. Amb frens hidràulics. Frens hidràulics La majoria d'automòbils amb motor de combustió interna disposen de sistemes de frenada amb comandament hidràulic que actua sobre els frens. Considerant els vehicles amb 4 rodes, cada roda disposa del seu element de fre que funciona per fricció (4 discs o 2 discs al davant i 2 de tambor al darrere). La frenada respon a l'acció del conductor quan prem el pedal de fre. El desplaçament del pedal provoca el desplaçament d'un cilindre hidràulic que transmet la pressió del fluid mitjançant quatre tubs fins als pistons de cada fre. Els pistons es desplacen, primer posant en contacte els elements de fricció i després exercint una força proporcional entre aquests. El fluid acostuma a ser glicol-etilè (també designat etilenglicol), que només es congela a temperatures molt baixes. La força sobre el pedal es multiplica mitjançant un servofrè. Es tracta d'una tija connectada en sèrie amb el cilindre mestre de fre que rep la força per un diafragma, amb pressió atmosfèrica per una cara i amb pressió més baixa, la del conducte d'aspiració del motor, per l'altra cara. Generalment el circuit de frens és doble, adoptant la disposició d'un doble circuit en diagonal. El pedal actua sobre dos pistons. Un pistó frena la roda del davant dreta i la del darrere esquerre. L'altre pistó frena la roda del davant esquerre i la del darrere dreta.
Cronologia dels frens hidràulics 1914. Fred Duesenberg inventa, sense patentar-lo, un sistema de frens hidràulics aplicat als automòbils Duesenberg de competició. 1919. Malcolm Lougheed (després Lockheed) patenta un sistema hidràulic de frenada. 1921. Frens hidràulics aplicats per primer cop per Duesenberg a automòbils de passatgers. 1927. Edward Bishop Boughton patenta els frens hidràulics amb servo encara usats actualment.
Motocicletes Bicicletes Ferrocarrils Els sistemes de frenada dels ferrocarrils han estat, i són encara, molt diversos. Un petit resum pot consultar-se a continuació.
Inicis En els primers temps del ferrocarril els sistemes de frenada eren precaris. Només disposaven de frens la locomotora i el tènder. Els elements de frenada, o frens pròpiament dits, eren molt semblants als dels carruatges de cavalls, amb sabates que actuaven sobre les rodes per fricció. Posteriorment hom va emprar el sistema de disposar frens en alguns vagons o cotxes; cada fre l'accionava manualment un operari mitjançant un volant que movia un sistema de palanques cap a les sabates o mordasses. L'operari havia d'estar amatent al senyal del maquinista demanant una acció de frenada, senyal consistent en una xiulada especial des de la locomotora.
Sistema Heberlein