Τα φρένα είναι ως γνωστόν μηχανισμοί που επιβραδύνουν και σταματούν κινήσεις διαφόρων συστημάτων. Σε όλους είναι γνωστά τα φρένα των αυτοκινήτων. Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες φρένων αυτοκινήτων, τα υδραυλικά φρένα και τα μηχανικά φρένα. Τα υδραυλικά φρένα λειτουργούν αξιοποιώντας μια διάταξη υδραυλικού κυλίνδρου, ενώ τα μηχανικά φρένα διακρίνονται σε δύο βασικούς τύπους, στα φρένα τύπου τυμπάνου και στα δισκόφρενα.

Τα μηχανικά φρένα που χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εφαρμογές έχουν την ίδια αρχή λειτουργίας με τους αντίστοιχούς τους τύπους των μηχανικών φρένων των αυτοκινήτων. Οι εφαρμογές τους είναι ιδιαίτερα πολλές και ποικίλες γιατί μπορούν να αφορούν κάθε περίπτωση μετάδοσης κίνησης και μεταφοράς φορτίου. Έχουν σημαντικό ρόλο σε κάθε μεταφορικό αλλά και ανυψωτικό μηχάνημα, αλλά συναντώνται και στις πολυάριθμες εγκαταστάσεις κινητήρων στη βιομηχανία, που αφορούν πολλές και ποικίλες λειτουργίες.

Φρένα τύπου τυμπάνου

Τα φρένα τύπου τυμπάνου φέρουν δύο σιαγόνες. Τα βασικά τους μέρη είναι το τύμπανο, ο φορέας των φρένων και η διάταξη έντασης. Το τύμπανο είναι συνδεδεμένο με το μηχανισμό που πρέπει να επιβραδυνθεί. Οι σιαγόνες και τα εξαρτήματα για την παραγωγή της δύναμης σύσφιξης είναι στερεωμένα πάνω στο φορέα, ο οποίος με τη σειρά του είναι στερεωμένος στο μηχανισμό που θα επιβραδυνθεί, π.χ στον άξονα ενός κινητήρα μετάδοσης κίνησης ή μεταφοράς φορτίου μέσα στην παραγωγική μονάδα και παραμένει ακίνητος. Οι σιαγόνες κατά την πέδηση πιέζονται από τις διατάξεις έντασης πάνω στην εσωτερική επιφάνεια του τυμπάνου.

Παράγουν με το υλικό τριβής την αναγκαία για την πέδηση τριβή. Η δύναμη έντασης ενώ στα φρένα του αυτοκινήτου παράγεται είτε υδραυλικά στους κυλίνδρους των τροχών, είτε μηχανικά μέσω μοχλού εκτόνωσης (χειρόφρενο) στα φρένα που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, μπορεί να παραχθεί με τη βοήθεια διαφόρων διατάξεων που ποικίλλουν ανάλογα με την εκάστοτε εφαρμογή. Γιατί αν για παράδειγμα θεωρήσουμε φρένα που ελέγχουν κινήσεις ενός γερανού ή μιας πρέσσας ο μηχανισμός ανάπτυξης της δύναμης έντασης είναι πιο σύνθετος και πολύ μεγαλύτερος.

Στα φρένα τύπου τυμπάνου το τύμπανο πρέπει να έχει μεγάλη αντοχή στη φθορά, ακαμψία μορφής και καλή αγωγιμότητα της θερμότητας. Συχνά χρησιμοποιείται ως υλικό χυτοσίδηρος, χυτοχάλυβας ή σύνθετο υλικό χύτερυσης από ελαφρό μέταλλο και χυτοσίδηρο. Η επιφάνεια επαφής με τις σιαγόνες πρέπει να είναι πολύ λεία (κατεργασμένη σε τόρνο ή ρεκτιφιαρισμένη) και να παρουσιάζει ομοιομορφία κατά την κίνηση της μαζί με ττον επιβραδυνόμενο μηχανισμό. Οι σιαγόνες πρέπει να έχουν μια ικανή ακαμψία, η οποία προέρχεται από τη διατομή της μορφής τους και συχνά χυτεύονται από κράμα ελαφρού μετάλλου, ή κατασκευάζονται με συγκόλληση χαλύβδινων ελασμάτων.

Τα φρένα τύπου τυμπάνου είναι αυτοενισχυόμενα και αυτή η ενίσχυση με κατάλληλη διάταξη των σιαγόνων μπορεί να πάρει μεγάλες τιμές. Η τριβή παράγει μια ροπή στρέψης, η οποία συμπαρασύρει την επερχόμενη σιαγόνα προς την επιφάνεια του τυμπάνου και ενισχύεται έτσι το αποτέλεσμα της πέδησης. Ταυτόχρονα η προκαλούμενη πίεση της απερχόμενης σιαγόνας πάνω στο τύμπανο ελαττώνεται.

Έχουν το μειονέκτημα ότι τα υλικά τριβής έχουν μικρή σχετικά διάρκεια ζωής, η δε συντήρησή τους και η αλλαγή του υλικού τους είναι δαπανηρή. Ένα άλλο μειονέκτημα αυτών των φρένων είναι η κακή απαγωγή θερμότητας, που έχει σαν συνέπεια τη μείωση της αποτελεσματικότητας της πέδησης. Ο συντελεστής τριβής του υλικού ελαττώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας ή σε μεγάλες ταχύτητες ολίσθησης.



Δισκόφρενα

Η διάταξη ενός δισκόφρενου περιλαμβάνει το φορέα φρένου, το δίσκο φρένου, το έμβολο, τα υγρά φρένων και τα υλικά τριβής. Τα δισκόφρενα δεν έχουν καμία αυτοενίσχυση λόγω των επίπεδων επιφανειών τριβής. Αυτό έχει σαν συνέπεια η απαιτούμενη δύναμη πέδησης να είναι μεγαλύτερη και συχνά χρειάζεται η χρήση ενός ενισχυτικού μηχανισμού. Από την άλλη πλευρά αποφεύγεται το «μονόπλευρο τράβηγμα» σε περιπτώσεις πέδησης τροχών ή περιστροφικών κινήσεων, ακριβώς γιατί λείπει η αυτοενίσχυση και οι τυχόν μικροδιαφορές στο συντελεστή τριβής δεν προκαλούν διαφορές στη δύναμη πέδησης.

Παράλληλα η δύναμη πέδησης μπορεί να κατανεμηθεί καλύτερα. Δεν έχουμε μείωση της αποτελεσματικότητας της πέδησης, μολονότι οι μικρότερες σχετικά επιφάνειες πέδησης και οι μεγάλες δυνάμεις πίεσης δημιουργούν τοπικά ψηλότερες θερμοκρασίες. Εμφανίζουν μεγαλύτερη φθορά του υλικού τριβής, αλλά η συντήρησή του και η αλλαγή των πλακιδίων είναι σχετικά απλή. Σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι η ρύθμιση του διακένου των πλακιδίων από το δίσκο γίνεται μόνη της. Ωστόσο σε διατάξεις όπου τα έμβολα των κυλίνδρων εφάπτονται των πλακιδίων υπάρχει τάση για σχηματισμό φυσλλίδων ατμού.

Το υλικό τριβής (φερμουίτ) των σιαγόνων ή των πλακιδίων επιτρέπει την ανάπτυξη μεγάλων δυνάμεων τριβής και παρεμποδίζει τη συγκόλληση. Στα φρένα τύπου τυμπάνου καρφώνεται στις σιαγόνες ή στερεώνεται με κόλλα. Στα δισκόφρενα όμως είναι στερεωμένο στη χαλύβδινη πλάκα με κόλλα. Το φερμουίτ πρέπει να έχει μεγάλη αντοχή στη θερμότητα και στη διάτμηση, μεγάλη συμπιεστότητα και μεγάλη διάρκεια ζωής. Πρέπει να έχει σταθερό συντελεστή τριβής στις υψηλές θερμοκρασίες και ταχύτητες ολίσθησης.

Πρέπει ακόμα να έχει ανθεκτικότητα στο νερό και στους ρύπους και να μην υαλοποιείται στις μεγάλες θερμικές καταπονήσεις. Τα φερμουίτ είναι συνήθως κατασκευασμένα από οργανικά υλικά. Για ιδιαίτερα μεγάλες καταπονήσεις χρησιμοποιούνται υλικά κονιομεταλλουργίας. Τα οργανικά υλικά τριβής περιέχουν μέταλλα, υλικά πλήρωσης, υλικά ολίσθησης και οργανικά πρόσθετα.