¿Por qué reemplazar el cartucho de freno cuando las ranuras se desgastan?

Muchos sitios web recomiendan reemplazar los cartuchos de freno de llanta (pastillas) cuando las ranuras se hayan desgastado. ¿Por qué sería esto razonable, aparte de las razones hipotéticas que se enumeran a continuación? Estoy buscando una perspectiva científica / de ingeniería, no historias personales sobre cuándo reemplazar sus almohadillas.

Entiendo que una vez que el cartucho se desgasta hasta su soporte de metal, el rendimiento de frenado es pobre y el metal desgasta el borde. La llanta es mucho más cara, por lo que la pastilla de freno debe cambiarse antes de que el metal golpee al metal. Pero las nuevas pastillas de freno Shimano tienen un grosor de 10 mm (que acabo de medir), de las cuales 6 mm están fuera del soporte de metal. Las ranuras tienen menos de 2 mm. ¿Por qué no usar digamos 3 de los 4 mm restantes después de que las ranuras se hayan desgastado?

Entiendo que los cartuchos son baratos, también podría cambiarlos cada semana. No estoy buscando una explicación financiera o basada en preferencias, solo basada en el rendimiento.

Otra razón para cambiar los cartuchos temprano puede ser que los cartuchos gastados estarían demasiado lejos del borde. Los frenos tendrían que moverse más cerca del borde, lo que requiere un poco de trabajo. Con cartuchos nuevos, los frenos tendrían que retirarse nuevamente. Algunas personas prefieren cambiar los cartuchos en su lugar.

Puede ser que el material del cartucho no sea uniforme, por ejemplo, goma más blanda en la parte superior, más dura debajo. Cuando el caucho blando se desgasta, el cartucho comienza a desgastarse rápidamente y ofrece un frenado deficiente. No puedo detectar ninguna diferencia de goma en una pastilla de freno Shimano. Sería más costoso fabricar cartuchos de 2 compuestos que la composición uniforme. ¿La goma de un cartucho es uniforme?

La arena y las virutas de metal se pegan en una pastilla de freno, lo que hace que se desgaste el borde. Pero esto parece suceder desde el principio, no hay diferencia si los surcos están ahí o no. Presumiblemente, la arena se pega mejor en goma más suave, por lo que si la goma más suave está en la parte superior, los frenos acumulan más arena antes de que las ranuras se desgasten que después.

Esta es una buena pregunta. La respuesta corta es que el diseño de las pastillas de freno modernas es codicioso y cínico.

Esta es una pastilla Mathauser, y es representativa de cómo eran muchas pastillas de freno antiguas, y algunas todavía lo son.

Las diferencias de diseño con las almohadillas modernas son obvias. Obtienes un enorme bloque de goma simple sin surcos. Nada sobre el diseño de la almohadilla lo está obligando a reemplazarla en cualquier momento antes de que la parte metálica comience a tocar el borde, un punto que la mayoría de los ciclistas podrán ver venir y todos menos los menos observadores escucharán sobre el segundo en que realmente comienza a suceder. , antes de que se haga un daño grave.

Almohadillas como estas son baratas de producir y duran mucho, mucho tiempo. Soy un ciclista pesado, y tengo un conjunto de estos. Obtuve NOS en una bicicleta que tiene un uso moderado en todas las condiciones que he tenido durante unos 8 años y las almohadillas están desgastadas aproximadamente 1/3. Hay algunos argumentos teóricos por los que las ranuras pueden ayudar a frenar o prolongar la vida útil de la llanta, pero puedo poner el freno bien y mis llantas no se estropean. Muchos millones de almohadillas de este diseño han dado un rendimiento totalmente satisfactorio.

La razón por la cual el diseño de las pastillas de freno se alejó de ser barato, los gruesos bloques de goma es 100% que no puede hacer más que la cantidad más trivial de dinero produciéndolos y vendiéndolos. Duran demasiado y son demasiado efectivos para lo barato que son. Solo los ciclistas más duros se convierten en compradores habituales.

Los insertos de cartucho modernos son delicados y están llenos de ranuras de desgaste de tamaño conservador porque crea una situación en la que se venden más almohadillas. No pasa nada malo si los usa todo el tiempo mientras se detiene antes de llegar al soporte, al menos siempre que pueda molestarse en mantener el freno ajustado junto con el desgaste de la almohadilla, y tenga cuidado con la almohadilla desgastada sobresaliendo de la pista de freno. El compuesto no cambia, la geometría del freno no cambia sustancialmente en la mayoría de los casos, y las ranuras no hacen nada notable en ninguna dirección en cuanto a la potencia de frenado o el desgaste de la llanta.

Una pregunta central sobre las ranuras es si su presencia ayuda o dificulta la almohadilla para limpiar el agua y los escombros del borde, lo que aumenta potencialmente la potencia de frenado, incluso cuando disminuyen inherentemente el área de contacto. Personalmente, creo que no, y debido a que efectivamente alimentan agua en el área de contacto de la almohadilla / borde, probablemente sean perjudiciales cuando está mojado, pero no tengo ningún dato. Creo que la idea contraria sería que a medida que la almohadilla toca el borde mojado, el borde de ataque tiene el trabajo de sacar el agua para obtener más fricción entre la almohadilla y la pista del freno, y tener ranuras esencialmente le da otro borde de ataque, dejando más área libre de agua más rápido después de que la almohadilla toque tierra.

Revisé las almohadillas desgastadas que reemplacé recientemente en mi bicicleta. El resto de las ranuras se llenaron con restos del desgaste de la almohadilla.

Por lo tanto, creo que las ranuras sirven para descargar la capa desgastada de la almohadilla que se retira durante la acción de frenado, de modo que la acción en sí misma pueda ser más efectiva.

Imagine lo que sucede cuando frena: las pastillas presionan la llanta, y al ser la llanta metálica no se desgastará tanto contra el caucho. Por lo tanto, el caucho tiene que desgastarse. Los desechos serán transportados entre la superficie de la almohadilla y la llanta, agregándose entre sí a medida que aumenta la distancia recorrida, actuando como rodillos y disminuyendo el coeficiente de fricción y, por lo tanto, la potencia de frenado.

Si tiene algunas ranuras en la superficie, los escombros pueden capturarse allí sin disminuir demasiado la eficacia de frenado.

La respuesta de L. Dutch explica algunas de las decisiones de diseño. En cuanto a por qué tú y yo deberíamos cambiar nuestras almohadillas cuando se acaban los surcos, realmente no quieres correr hacia el metal desnudo en las almohadillas. Por lo tanto, cuando sepa que sus almohadillas están bastante gastadas, pero no hasta el metal, es un buen momento para reemplazarlas.

Si alguna vez has abierto una almohadilla vieja (bastante fácil si ha perecido), es probable que el metal se adhiera más al caucho de lo que parece.