Por lo tanto clasificaremos las variaciones de torque generadas en el disco como calientes y frías, dependiendo si el espesor del disco varia por el efecto térmico se considerará como vibración caliente y si los impulsos son generados por las variaciones en el espesor del disco por desgaste propio del sistema y por corrosión formada en la superficie de disco, se le considerará como vibración fría, ya que está relacionado por causas naturales e incontrolables, la vibración fría no será parte del estudio de este trabajo.
Figura 3.3 Variación de Espesor del Disco.
Las fuentes de las variaciones de torque en el disco son principalmente 3:
- Mecánica.- Asociada con el comportamiento cinemático del Disco y balata por la
variación de espesor en el disco. Es referido como (DTV).
- Térmica.- Altas temperaturas en el Disco, Pueden distorsionar la geometría y por
consecuencia la superficie de contacto con la balata.
- Química.- Asociada con los procesos químicos en la balata que resultan en la
variación del coeficiente de fricción en la interfase del disco con la balata.
Enfocándonos a la capacidad térmica del Disco, es un parámetro muy importante que influencia el desgaste de la balata, los ruidos y vibraciones, además de la resistencia de fricción.
El flujo de aire que pasa a través de las venas del disco es vital para la disipación de calor a la atmosfera, las modificaciones geométricas en la entrada y salida del ducto del rotor resultan en una mejora en la transferencia de calor y por lo tanto los beneficios en desempeño del sistema de frenos se incrementan.
Una de las funciones básicas del sistema de frenos, es disminuir la velocidad del vehículo en tiempos relativamente cortos, al realizarlo, la energía cinética del vehículo es trasformada a energía térmica a través de la fricción entre el disco y la balata, por lo tanto el disco debe de absorber gran cantidad de energía térmica en un cierto periodo de tiempo, mientras que ésta gran cantidad de calor debe ser disipada rápidamente para permitir una frenada subsecuente en caso de ser necesario. El tiempo efectivo consta de cada proceso de frenado, por lo tanto los discos de frenos deben ser diseños con dos factores en mente:
- Capacitancia Térmica.- Almacenamiento de energía.
- Transferencia de Calor.- Gran disipación de calor por convección.
En adición, los autos de hoy en día son diseñados para minimizar peso, incluyendo el peso del disco, Aunque los discos sean más pequeños y por lo tanto pesen menos y típicamente los costos de manufactura son también reducidos, su capacidad térmica también es reducida. Más aún, los vehículos pequeños con tracción delantera, comprometen el aire disponible en la parte inferior de vehiculo, por lo tanto, las características geométricas para enfriar el disco son altamente importantes y deben ser mucho más eficientes.
Figura 3.4 Diagrama de Ventilación del Disco.
El objetivo de este trabajo es mejorar la convección de calor a través del disco, modificando el flujo de aire en su entrada y salida, así como el diseño de las ventilas para mejorar la transferencia de calor.
En la entrada de aire, el flujo debe girar aproximadamente 90 grados para entrar a las ventilas del disco, además el claro entre el nudillo de la suspensión y el balero del rotor es muy reducido por ser asimétricos, lo que restringe aún más la entrada de flujo de aire.
Mejorando la entrada de aire a través de las ventilas del disco en dos principales factores:
- La fuerza centrífuga de succión por la orientación de las ventilas del disco. (Rectas, Radiales, Curvas)
- Condiciones de flujo a la entrada, mejorando la geometría del disco.
Primero, las ventilas rectas del rotor, no permiten la mejor succión de aire desde un punto de vista velocidad/enfriamiento, sin embargo las ventilas radiales permiten mejor succión, pero su dificultad de manufacturar y falta de simetría incrementa el costo del disco, lo que lo hace poco viable de incorporar en vehículos comerciales.
Por lo tanto nos enfocaremos en mejorar la entrada de succión y el diseño de las ventilas rectas. Todas las modificaciones son escogidas para ser simétricas en el vehículo, evitando costos extras de producción por tener un disco izquierdo y un disco derecho.
Figura 3.5 Diseño de entrada del Flujo de Aire.
La transferencia de calor por convección se lleva a cabo en las ventilas del disco, debido a la forma y las diferentes configuraciones de velocidad del aire y está basada en la analogía de Reynolds y la ley de enfriamiento de Newton descrita previamente en el capitulo 2.
A continuación se estudiaran seis propuestas de configuración de ventilas para incrementar el flujo de aire y por consecuencia la disipación por convección, SRV (Ventila Radial Recta), TRV (Ventila Radial Delgada), MTRV (Ventila Radial Delgada Modificada), CP (Pilares Circulares), DP (Pilares Diagonales), MDP (Pilares Diagonales Modificados).
Figura 3.6 Diferentes Configuraciones de Ventilas en el Disco.
Los vehículos actuales requieren de gran rapidez de frenado, por lo que los sistemas de tambor son inadecuados y obsoletos hoy en día al menos en las los neumáticos delanteros por recibir la mayor transferencia de peso durante una frenada, además de la creciente demanda de reducir la masa en los componentes de frenos.
Por lo tanto, la absorción de calor tiene que aumentar mientras que el área disponible para disipar el calor se ha reducido, resultando en altas temperaturas y por lo tanto fallas en el sistema.
Las geometrías de las ventilas son escogidas de tal manera que los pasajes de entrada y salida son casi los mismos en todas las configuraciones.
Para el presente estudio, se considero una velocidad rotacional del disco de 800-1800 rpm, lo que equivale a 90-180 Km/hr en la velocidad del vehículo.
La literatura hasta ahora expuesta, sugerirá la metodología para evaluar los discos experimental y analíticamente bajo condiciones de operación variando el flujo de aire a través de las ventilas para aumentar el coeficiente de convección durante el proceso de transferencia de calor.
CAPITULO IV
Método experimental y análisis de resultados.
Se utilizaron varios métodos de medición para analizar las condiciones de operación del vehículo. Se instalaron termopares, acelerómetros y lectores de desplazamiento en puntos estratégicos para poder medir la temperatura del rotor, frecuencias de algunos componentes de la suspensión y de la dirección, además de medir la variación del cambio de espesor en ambas superficies del disco que son provocados por el efecto térmico.
El vehículo está equipado con una suspensión multilink, calipers flotantes y frenos de disco en las 4 ruedas. Cabe mencionar que este trabajo solo se enfocará en los discos delanteros porque es donde se concentra la transferencia de masa durante el frenado del vehículo y porque son precisamente los discos delanteros quienes transmiten las vibraciones al volante.
(a) (b) (c)
Figura 4.1 Instrumentación del vehículo, acelerómetros (a) (b) y termopares (c).
4.1 Metodología experimental.
Un exhaustivo análisis debe asumirse durante las pruebas para poder entender y analizar las vibraciones y ruidos en el vehiculo. Esto requiere llevar a cabo una compleja serie de mediciones en el vehiculo. Una detallada comparación de las variables dependientes del tiempo, como por ejemplo la presión en las líneas de frenos, la temperatura en la superficie del disco, la deformación que sufre el disco con el cambio de temperatura y la aceleración del vehículo, se describen en excitación y transmisión a los mecanismos con los cuales interactúan, como la estructura del vehículo y el sistema de dirección.
La información será usada posteriormente para optimizar y simular el comportamiento para contribuir a un mejor entendimiento de las variables que influyen directamente.
4.1.1 Evaluación del Vehiculo.
El vehiculo a ser evaluado está equipado con una suspensión estándar McPherson (Figura 1.13) en la parte delantera y suspensión independiente en la parte trasera, tiene instalados caliper flotantes de dos pistones (Figura 1.6) y discos ventilados SRV (Ventila Radial Recta) de 10" para realizar las evaluaciones, desacelerando a 0.35 g con una presión equivalente en cada rueda de 23.3 bar.
- Modelo: 2011
- Odómetro: 15,700 km - Motor: 3.0 L V6
- Transmisión: Automática de 6 velocidades / Tracción delantera. - Peso del Vehículo: 2097.86 kg
- Velocidad Máxima: 120 km/hr (33.52 m/seg) 1138 rpm en cada neumático. - Velocidad Minima: 70 km/hr (19.44 m/seg) 664 rpm en cada neumático. - Distribución de dinámica de Peso: 60% Frontal
- Desaceleración: 0.4 g (3.43 m/seg2) - Radio exterior del Disco: 122 mm - Radio interior del Disco: 71.5 mm
- Área de contacto del disco con la balata: 61.398 cm2 - Radio Exterior del pistón del caliper: 57 mm
- Radio Interior del Pistón del caliper: 47 mm
- Área de contacto del pistón del caliper con la balata: 8.16 cm2
Condiciones de prueba.
- Pista de Evaluación: Autopista México - Querétaro. - Altitud: 2,240 m (SNM)
- Temperatura Ambiente: 26 oC
- Terreno de evaluación: Asfalto
Procedimiento de prueba.
- Evaluación del vehículo desacelerando 10 veces de 120 – 70 km/hr cada 10 segundos de lapso entre frenadas. Tiempo promedio desacelerando 4-5 seg. - Evaluación del Vehículo desacelerando a 0.35 g
- Evaluación de las temperaturas generadas en el disco. - Evaluación de la variación de espesor en el disco.
- Evaluación de la variación de torque por la fuerza de fricción. - Evaluación de la recuperación térmica del Disco