FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1720179447
APELLIDOS Y NOMBRES: LASCANO PIEDRA DAVID ALEJANDRO
DIRECCIÓN: CALLE OE6-253 Y JUAN CAMACARO
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 02-2666-982
TELÉFONO MOVIL: 0984498448
DATOS DE LA OBRA
TITULO:
ANÁLISIS DE LOS DISCOS DE FRENO DE UN CHEVROLET AVEO CUANDO ESTA SOMETIDO A DIVERSAS TEMPERATURAS PARA DETERMINAR EL CAMBIO DE PROPIEDADES DEL MISMO.
AUTOR O AUTORES: DAVID ALEJANDRO LASCANO PIEDRA
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
22 DE Agosto del 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
MSC. LENIN VALENCIA MENDEZ
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA:
INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: Mínimo 250 palabras Como sabemos el sistema de frenos de un automóvil permite al conductor disminuir o anular la velocidad, conforme a su necesidad, de ahí que otro de los objetivos de esta investigación es proporcionar información válida para que el ciudadano común y los profesionales automotrices conozcan las alteraciones que sufren las piezas con el uso, a fin de que sepa utilizarlo de mejor manera y lograr una mayor eficiencia de frenado.
En este trabajo se muestra, especialmente, el cambio de propiedades que tienen los
discos de freno cuando son sometidos a varias temperaturas. En la experiencia se pudo determinar que la microestructura es una de las partes que sufrió alteración. También los ensayos permitieron observar las diferencias que existen entre un disco de freno original y otro alterno, en aspectos como su composición química y apariencia física.
Las experiencias se realizaron en los laboratorios de la Escuela Politécnica Nacional y en terreno, en este último realizando un recorrido entre la ciudad ecuatoriana de Quito y la ciudad colombiana de Pasto, con una extensión de 323 km. El sistema de frenos del automóvil Chevrolet Aveo fue sometido a pruebas de dureza, tracción e impacto, bajo el cumplimiento de las normas ASTM para la realización de ensayos destructivos y no destructivos. Como se podrá apreciar en el apartado de Conclusiones, el experimento evidenció que en el frenado el contacto neumático-suelo somete al sistema a variedad de temperaturas y esfuerzos de trabajo que terminan por alterarlo física y funcionalmente. Podemos señalar como ejemplo que los frenos alcanzaron temperaturas muy elevadas (247 grados centígrados).
PALABRAS CLAVES: Discos de freno, ensayos destructivos, extradición de probetas, tracción. Impacto, desgaste, sistema de frenos.
DEDICATORIA
A Dios, por darme una segunda oportunidad de vida, el mismo quién supo guiarme por el buen camino y darme fuerzas para seguir adelante y no desmayar a pesar problemas que se me presentaban, enseñándome a no desfallecer en el intento y encarar las adversidades que se me presentaban. A mi abuelita Susana, por fomentar en mi la constancia, la fuerza en el trascurso de toda mi vida, ya que sin su bendición diaria me guiaba por el buen camino.
A mis padres Georgi y Laura por su amor, confianza, compresión y ayudarme en mis momentos difíciles e impulsar a que cumpla mis sueños. Ellos me han dando todo lo que soy como persona, mis valores, mis principios, mi carácter, mi perseverancia y mi coraje para conseguir mis objetivos.
A mis hermanos Fer, Junior, Magus, por sus palabras de aliento en los momentos más difíciles, por darme el apoyo necesario en momentos donde declinaba y me daba por vencido y principalmente por ser mis hermanos porque sin ellos nada de esto tendría sentido.
A mis sobrinos Doménica, Mateo que con sus risas, bromas, travesuras hacían que vea el mundo de manera diferente y darme cuenta que siempre es bueno sonreír a pesar de las circunstancias.
AGRADECIMIENTO
La elaboración de esta tesis no hubiera sido posible sin la ayuda de otras muchas personas a las que quisiera agradecer su apoyo durante la realización de este trabajo.
En primer lugar a mi director de Tesis, Msc. Lenin Valencia, quien me introdujo en los fundamentos, no sólo por el esfuerzo y dedicación que ha entregado a la ejecución de este proyecto, sino también por su confianza y valiosas orientaciones, que me han sido de gran ayuda en mi crecimiento a nivel profesional.
Asimismo quisiera agradecer a los profesores, por sus aportaciones y valoraciones en el desarrollo de la investigación, que directa o indirectamente, sin duda han contribuido a la orientación del trabajo hacia el enfoque más adecuado en cada momento.
Gracias a mis amigos los cuales me han sabido dar una voz de aliento cuando mas lo necesita en el transcurso de toda mi vida estudiantil, ya que gracias al compañerismo, amistad y apoyo moral han aportado en alto porcentaje a mis ganas de seguir adelante en mi carrera profesional.
Gracias a mi segunda madre Tete la cual ah hecho que la distancia no sea un factor para contar con el apoyo que me ah brindado en el transcurso de mi vida, y demostrarme que un logro mío es uno de ella.
Gracias a mis tíos Manuel, Virginia, Gloria, Sonia por su preocupación, confianza, cariño y por no dejarme declinar y darme fuerza para cumplir mis metas.
i
INDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... xi
ABSTRACT ... xiii
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 4
2.1 SISTEMA DE FRENOS ... 4
2.2 TIPOS DE FRENOS ... 5
2.2.1 FRENOS MECÁNICOS. ... 5
2.2.2 FRENOS DE AIRE ... 6
2.2.3 FRENOS HIDRÁULICOS ... 7
2.3 FRENOS DE TAMBOR ... 8
2.3.1 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE FRENO DE TAMBOR ... 9
2.4 TIPOS DE FRENO DE TAMBOR. ... 11
2.4.1 FRENO DE TAMBOR SIMPLEX ... 11
2.4.2 FRENO DE TAMBOR DUPLEX ... 12
2.4.3 FRENO DE TAMBOR TWINPLEX ... 13
2.4.4 FRENO DE TAMBOR DUO-SERVO ... 13
2.5 FRENOS DE DISCO... 14
2.6 CONSTITUCIÓN ... 15
ii
2.7.1 MORDAZAS (CALIPERS) O PINZAS ... 16
2.7.2 LÍQUIDO DE FRENOS ... 16
2.7.3 SERVOFRENO ... 17
2.7.4 DEPÓSITOS DE LIQUIDO DE FRENOS ... 17
2.7.5 VÁLVULA COMPENSADORA ... 17
2.7.6 GRIFO DE PURGA ... 18
2.7.7 ANTILOCK BRAKING SYSTEM... 18
2.7.8 CILINDRO ... 18
2.7.9 DISCOS DE FRENO ... 18
2.7.10 COMPOSICIÓN DEL DISCO DE FRENO ... 19
2.7.11 PISTA... 23
2.7.12 FIJACIÓN ... 24
2.7.13 CAMPANA ... 24
2.7.14 FILTRO TÉRMICO ... 24
2.8 MEDIDAS Y DISEÑOS ... 24
2.9 DISCOS DE FRENO VENTILADOS ... 26
2.9.1 DISCOS PERFORADOS ... 26
2.9.2 DISCOS CERÁMICOS ... 27
2.10 ECUACIÓN DE FRENADO ... 28
2.11 PASTILLAS DE FRENO ... 29
2.12 COMPOSICIÓN ... 30
2.12.1 FIBRAS ... 31
2.12.2 APORTES MINERALES ... 31
2.12.3 APORTES METÁLICOS ... 31
2.12.4 LUBRICANTES ... 31
iii
2.12.6 ELEMENTOS ABRASIVOS ... 32
2.13 ENSAYO DE MATERIALES ... 32
2.13.1 ENSAYOS DESTRUCTIVOS ... 32
2.13.2 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS ... 36
2.14 DIAGRAMA HIERRO CARBONO ... 36
2.14.1 . FERRITA ... 37
2.14.2 . AUSTENITA ... 37
2.14.3 CEMENTITA ... 37
3. METODOLOGÌA ... 38
4. ANALISIS DE RESULTADOS ... 41
4.1 OBTENCION Y SELECCIÓN DE DISCO DE FRENOS ... 41
4.2 MEDICIONES DE DISCOS DE FRENO ... 41
4.3 PREPARACIÓN DE PROBETAS PARA ENSAYOS ... 43
4.4 COMPOSICIÓN QUÍMICA ... 45
4.5 ENSAYO DE DUREZA ... 47
4.6 ENSAYO METALOGRÁFICO ... 50
4.6.1 DISCO DE FRENO ALTERNO... 50
4.6.2 DISCO DE FRENO ORIGINAL ... 50
4.7 ENSAYOS DESTRUCTIVOS ... 51
4.7.1 ENSAYO DE TRACCIÓN ... 51
4.7.2 ENSAYO CHARPY O IMPACTO ... 53
4.8 SELECCIÓN DEL VEHÍCULO PARA PRUEBAS DE RUTA ... 54
iv
4.10.1 ENSAYO DE DUREZA ... 58
4.10.2 ENSAYO METALOGRÁFICO ... 60
4.10.3 DISCO DE FRENO ALTERNO ... 60
4.10.4 DISCO DE FRENO ORIGINAL ... 61
4.10.5 ENSAYO DE TRACCIÓN ... 62
4.10.6 ENSAYO DE IMPACTO ... 64
5.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 65
5.1 CONCLUSIONES ... 65
5.2 RECOMENDACIONES ... 66
BIBLIOGRAFÍA ... 67
v
ÍNDICE DE TABLAS
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Tabla 1. Propiedades físicas del disco de freno ... 19
Tabla 2. Características carbono ... 20
Tabla 3. Características del silicio ... 22
Tabla 4. Características del Manganeso ... 23
Tabla 5. Composición porcentual de materiales usados en las pastillas de freno ... 29
Tabla 6. Mediciones de deformaciones en disco alterno ... 42
Tabla 7. Valores de deformaciones en discos originales. ... 43
Tabla 8. Composición química ... 46
Tabla 9. Composición química disco alterno ... 46
Tabla 10. Composición química disco original... 46
Tabla 11. Escala de dureza Rockwell ... 48
Tabla 12. Cálculo de Dureza Rockwell ... 49
Tabla 13. Valores de dureza obtenidos. ... 49
Tabla 14. Codificación para ensayos. ... 51
Tabla 15. Ensayo de tracción ... 52
Tabla 16. Valores de Ensayo de Tracción ... 52
Tabla 17. Valores de Ensayo de Impacto. ... 53
Tabla 18. Principales vehículos vendidos 2015 según AEADE ... 54
Tabla 19. Valores de Prueba de Ruta 1. ... 55
Tabla 20. Valores Prueba de Ruta 2 ... 57
Tabla 21. Cálculo de Dureza Rockwell. ... 58
Tabla 22. Valores de dureza en disco sometidos a una prueba de ruta ... 59
Tabla 23. Ensayo de tracción ... 62
Tabla 24. Valores de Ensayo de tracción en discos sometidos a una prueba de ruta. ... 63
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Sistemas de Frenos ... 4
Figura 2. Frenos Mecánicos ... 6
Figura 3. Servofreno ... 6
Figura 4. Frenos Hidráulicos ... 7
Figura 5. Composición del tambor de freno ... 8
Figura 6. Componentes de los frenos de tambor ... 9
Figura 7. Esquema de Interior del plato de frenos ... 10
Figura 8. Zapatas de freno de tambor ... 11
Figura 9. Frenos de tambor Simplex ... 12
Figura 10. Frenos de Tambor Duplex ... 12
Figura 11. Freno de tambor Duo-servo ... 13
Figura 12. Frenos de Disco ... 14
Figura 13. Constitución de los frenos de disco ... 15
Figura 14. Mordaza. ... 16
Figura 15. Composición del Disco de Freno. ... 19
Figura 16.Medidas del Disco de freno ... 25
Figura 17. Diseño del Disco de Freno ... 25
Figura 18. Disco de freno ventilado. ... 26
Figura 19. Discos Perforados ... 27
Figura 20. Discos cerámicos ... 27
Figura 21. Fuerza de frenado ... 28
Figura 22.Pastillas de Freno ... 30
Figura 23. Diagrama hierro-carbono ... 37
Figura 24. Mediciones en los discos de freno. ... 41
Figura 25. Separación de probetas para metalografía y composición química. ... 44
Figura 26. Probeta para metalografía. ... 45
vii
Figura 28. Composición química del disco de freno alterno ... 46
Figura 29. Composición química del disco de freno original. ... 47
Figura 30. Valores de dureza ... 49
Figura 31. Microestructura disco de freno alterno ... 50
Figura 32, Microestructura disco de freno original. ... 51
Figura 33. Valores de temperatura Prueba de Ruta 1 ... 56
Figura 34. Valores Prueba de Ruta 2. ... 57
Figura 35. Promedio de dureza en discos de freno usados. ... 59
Figura 36.Microestructura de discos de freno utilizados en la prueba de ruta. ... 60
viii
ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1.
Resultados de Composición Química. ... 71
Anexo 2.
Resultados ensayos de impacto y tracción. ... 72
Anexo 3. Resultados ensayos de impacto y tracción. ... 73
Anexo 4. Ensayo de dureza y metalografía discos de freno nuevos. ... 74
Anexo 5. Ensayo de dureza y metalografía discos de freno nuevos. ... 75
Anexo 6. Ensayo de dureza y metalografía discos de freno nuevos. ... 76
Anexo 7. Ensayo de dureza y metalografía discos de freno nuevos. ... 77
Anexo 8. Ensayo de dureza y metalografía discos de freno nuevos. ... 78
Anexo 9.
Ensayo de dureza y metalografía discos de freno después de un prueba de ruta. ... 79
Anexo 10. Ensayo de dureza y metalografía discos de freno después de un prueba de ruta. ... 80
Anexo 11. Ensayo de dureza y metalografía discos de freno después de un prueba de ruta. ... 81
ix
Anexo 13. Restados ensayos de impacto y tracción en discos de freno después de prueba de ruta. ... 83
Anexo 14. Restados ensayos de impacto y tracción en discos de freno después de prueba de ruta. ... 84
Anexo 15.
Mediciones preliminares en discos de freno. ... 85
Anexo 16. Señalamiento de deformaciones. ... 85
Anexo 17. Marcación total de deformaciones en discos de freno. ... 86
Anexo 18. Mediciones en varios puntos de los discos de freno. ... 86
Anexo 19.
Medición del radio interior de los discos de freno. ... 87
Anexo 20. Medición de espesores de los discos de freno. ... 87
Anexo 21.
Medición de espesores en los discos de freno. ... 88
Anexo 22. Corte de chorro en discos de freno. ... 88
Anexo 23.
Preparación de probetas para composición química. ... 89
Anexo 24. Preparación de probetas para metalografía y composición química... 89
Anexo 25. Corte probetas de metalografía y dureza. ... 90
Anexo 26. Desbaste grueso en probeta para metalografía. ... 90
x
Anexo 28.
Desbaste fino en probetas para metalografía. ... 91
Anexo 29.
Pulimento probetas para metalografía. ... 92
Anexo 30. Probetas acabadas para ensayo metalográfico. ... 92
Anexo 31. Toma de fotos de probetas. ... 93
Anexo 32. Probetas para ensayo de impacto. ... 93
Anexo 33.
Corte de probetas para ensayo de tracción. ... 94
Anexo 34.
Pulimento en probetas para ensayo de impacto. ... 94
Anexo 35. Esmerilada de probetas. ... 95
Anexo 36. Mediciones par probetas de tracción. ... 95
Anexo 37. Medición de probeta para ensayo de tracción. ... 96
Anexo 38. Probeta para ensayo de impacto. ... 96
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RESUMEN
Como se sabe el sistema de frenos de un automóvil permite al conductor disminuir o anular la velocidad, conforme a su necesidad, de ahí que otro de los objetivos de esta investigación es proporcionar información válida para que el ciudadano común y los profesionales automotrices conozcan las alteraciones que sufren las piezas con el uso, a fin de que sepa utilizarlo de mejor manera y lograr una mayor eficiencia de frenado.
En este trabajo se muestro, especialmente, el cambio de propiedades que tienen los discos de freno cuando son sometidos a varias temperaturas. En la experiencia se pudo determinar que la microestructura es una de las partes que sufrió alteración. Las experiencias se realizaron en los laboratorios de la Escuela Politécnica Nacional y en terreno, en este último realizando un recorrido entre la ciudad ecuatoriana de Quito y la ciudad colombiana de Pasto (ida y regreso) con una extensión de 646 km.
El sistema de frenos del automóvil Chevrolet Aveo fue sometido a pruebas de dureza, tracción e impacto, bajo el cumplimiento de las normas ASTM para la realización de ensayos destructivos y no destructivos.
En el análisis de resultados se describió los datos numéricos y la aplicación de varias fórmulas matemáticas conforme a los requerimientos de los ensayos realizados y con el fin de comprobar su validez.
Se pudo determinar en el análisis que los discos de freno sufrieron cambio cuando estos fueron sometidos a un régimen de trabajo, en el ensayo de dureza se observó que la dureza en los discos de freno alternos cuando eran nuevos alcanzó un promedio de 88 HRB, en tanto que luego de las pruebas de ruta su promedio subió a 94 HRB, mientras que en los discos de freno originales ese valor se mantiene con 97 HRB.
xii pudo determinar que no existe ningún cambio, ya que en los dos casos los valores obtenidos en los ensayos son los mismos de 2,71 J.
xiii
ABSTRACT
As is known the brake system of a car allows the driver to prevent or decrease the speed according to your need, hence another objective of this research is to provide valuable information for the average citizen and automotive professionals know the alterations suffering the pieces with use, so that better know how to use and achieve greater braking efficiency. This paper shows, especially the change of properties that have the brake discs when subjected to various temperatures. In the experience it was determined that the microstructure is a party that suffered alteration. The experiments were carried out in the laboratories of the National Polytechnic School and field, the latter making a tour between the Ecuadorian city of Quito and the Colombian city of Pasto (round trip) with an area of 646 km. The brake system of the car Chevrolet Aveo was tested for hardness, tensile and impact on compliance with ASTM standards for carrying out destructive and nondestructive testing.
In the analysis of numerical data results and the application of various mathematical formulas according to the requirements of the tests performed and in order to check its validity is described.
It was determined in the analysis that the brake discs suffered change when they were subjected to a regime of work, hardness testing was observed that the hardness discs alternate brake when they were new averaged 88 HRB, in while after testing route your average rose to 94 HRB, while the original brake discs that value is maintained with 97 HRB. In the same way I observed changes in tensile and impact made to the brake discs in different circumstances, stress tests, traction showed the highest values for the original disks, with a difference of 3.91 Mpa in alternate and 6.07 on the original disks and in relation to the impact test discs can be determined that there is no change, since in both cases the values obtained
in the tests are the same as 2.71 J.
1
1. INTRODUCCIÓN
En Ecuador el patio automotor ha crecido en los últimos años en virtud de la necesidad de movilización para el cumplimiento de las distintas actividades que cumplen los ecuatorianos, en el marco del desarrollo nacional. Ese crecimiento está caracterizado por el ingreso al país de nuevas marcas, modelos, y cilindraje del automotor.
Sin embargo, una consecuencia de ese crecimiento vehicular es el incremento, a su vez, de los accidentes de tránsito, ocurridos, en un gran medida por fallas mecánicas y dentro de esas el mal funcionamiento de los frenos. Este es el principal fundamento de la importancia de ocuparnos en la investigación del funcionamiento del sistema de frenos. Basta decir que éste es una de las más trascendentales piezas de un automotor, porque brinda la seguridad del vehículo.
De acuerdo con información oficial de la Agencia Nacional Tránsito (ANT), contemplado en el Boletín N°337, del 16 de junio de 2016, la cuarta causa probable de los accidentes de tránsito en nuestro país son las fallas mecánicas del automotor y dentro de ella destaca las fallas en el sistema de frenos, de manera especial cuando éstos son sometidos a esfuerzos o temperaturas altas. Adicionalmente, hay que tomar en cuenta que por la falta de conocimiento o negligencia de los propietarios en realizar el mantenimiento adecuado y oportuno de los vehículos, los daños en el automotor se incrementan.
“En mayo de 2016 se produjeron 1 710 siniestros de tránsito; 154 fallecidos y 1 298 lesionados, a diferencia de mayo de 2015 en que se registraron 1 809 siniestros de tránsito; 168 fallecidos y 1 435 lesionados”, señala el reporte de la ANT.
2 de freno en diversas circunstancias de variación de temperaturas, a fin de poder determinar los cambios de propiedades en los mismos, realizar las respectivas correcciones y capacitar a los conductores para el buen uso del sistema de frenos y del vehículo en general.
El siguiente trabajo justificara la investigación mediante los resultados que han sido obtenidos en varios experimentos realizados a los discos de freno, ya que los mismos tienen una gran importancia en el funcionamiento óptimo del sistema de frenos.
Para la realización de este análisis se tomó en cuenta, principalmente, las características de los discos de frenos, en virtud de que se tomaron como referencia los discos de frenos de dos fabricantes diferentes y también se tuvo en cuenta la normativa vigente para realizar de ensayos no destructivos como: ensayos de dureza, ensayos destructivos, ensayos de tracción y flexión, entre otros.
Dichas pruebas permiten verificar los cambios que se produce en los mismos, así como las temperaturas a las que le somete el automotor en el experimento de ruta, para obtener los resultados de esfuerzo al que están sometidos los discos de freno, se debe tomar en cuenta: condiciones climáticas, cargas, peso del vehículo, una correcta alineación de las ruedas, balanceo de las ruedas y correcta presión en los neumáticos.
De lo señalado arriba, se puede indicar que el objetivo principal de este trabajo es analizar los discos de freno de un vehículo a diversas temperaturas mediante ensayos destructivos y no destructivos para determinar los cambios de las propiedades que se dan en estos elementos mecánicos.
4
2. MARCO TEÓRICO
2.1 SISTEMA DE FRENOS
El sistema de frenos es el conjunto de elementos mecánicos que tienen como función la reducción o anulación progresiva de la velocidad del vehículo, garantizando que el vehículo se encuentre inmóvil, como se muestra en la figura. 1.
El sistema de frenos ha tenido una importante evolución desde su creación. Dichas mejoras no son solo en el ámbito electrónico sino también a los cambios que hay los otros elementos que lo componen.
Años atrás, los vehículos contaban con frenos de tambor, pero en la actualidad se utilizan frenos de disco en las cuatro ruedas. Los materiales que se utilizan para la elaboración de los discos de freno son carbono y cerámica, los cuales poseen un alta resistencia a los esfuerzos.
El principio de funcionamiento del sistema de frenos se basa en la aplicación de esfuerzos sobre una fuente de energía, generando con ello la capacidad para detener el vehículo en el menor tiempo posible. Los materiales de las piezas que forman el sistema de frenado son hechos en materiales con resistencia a la fatiga y que sean dosificables (Automotriz, 2012)
Figura 1. Sistemas de Frenos (Automotriz, 2012)
5 deben reaccionar al accionar del conductor para garantizar la seguridad del mismo. Un vehículo tiene un peso aproximado de entre 800 Kg y 2500 kg, así que las principales funciones que debe cumplir un sistema de frenos son: alta resistencia a la corrosión, alta resistencia mecánica y térmica, alto nivel de confort en el frenado y seguridad de funcionamiento al 100%.
Los frenos trabajan por rozamiento y están constituidos por dos partes: una parte fija y una parte móvil. Cuando se acciona el freno, la parte fija desacelera produciéndose el rozamiento, mientras que la parte móvil tiende a generar calor hasta llegar a altas temperaturas, dependiendo de la velocidad registrada en el momento del frenado (Automotriz, 2012).
2.2 TIPOS DE FRENOS
Con el tiempo y la evolución tecnológica se han creado tres tipos de freno, de los cuales en la actualidad solo se utilizan dos mientras que el otro ya ha quedado obsoleto. No obstante, en este trabajo se referirá sobre los tres ya que en su tiempo fue el mejor.
Los tipos de frenos son: Mecánicos
hidráulicos frenos de Aire
2.2.1 FRENOS MECÁNICOS.
6
Figura 2. Frenos Mecánicos (Automotriz, 2012)
2.2.2 FRENOS DE AIRE
Los frenos de aire, como se muestra en la figura 3, es un sistema implementado en camiones o buses por ser muy potente y, al mismo tiempo, económico. Este sistema de frenos funciona con la fuerza del pedal, el cual es accionado por el conductor, y un sistema de aire comprimido llamado servofreno. Este dispositivo es muy potente para detener el vehículo, pero con el tiempo tiende a perder una cantidad significativa en el poder de frenado, por lo que se puede decir que los frenos de aire son más eficientes pero no son los más seguros (Automotriz, 2012)
7
2.2.3 FRENOS HIDRÁULICOS
Este tipo de frenos se utiliza principalmente en vehículos de turismo ya que son vehículos que presentan exigencias distintas, por la misma razón se presentan varios sistemas con diferentes fuerzas de transmisión. En automóviles de turismo se implementan frenos hidráulicos que pueden ser de pedal o de mano. Su funcionamiento se basa en el Principio de Pascal que dice: “La presión ejercida en cualquier lugar de un fluido encerrado e incompresible se transmite por igual en todas las direcciones en todo el fluido” (Fisica, 2016) es decir, cuando se ejerce una fuerza en un embolo pequeño este tiende a ampliarse dependiendo del área o sección; se debe tomar en cuenta que la dirección y el sentido de la fuerza ampliada cambiara, como se muestra en la figura 4 (Automotriz, 2012).
Figura 4. Frenos Hidráulicos (Automotriz, 2012)
8 constan de un elemento de fricción, elaborado en material metálico o cerámico, son muy resistentes a altas temperaturas. Estos frenos funcionan, esencialmente, rozando las partes fijas hasta detener el vehículo por completo (Automotriz, 2012).
2.3 FRENOS DE TAMBOR
Este sistema de frenos está formado por partes móviles y fijas como se observa en la figura 5. La función principal de este sistema es detener el vehículo por completo a través de un tambor móvil, el cual esta acoplado sobre el buje de la rueda y está sujeto a él por tornillos, espárragos y tuercas. También consta de otra parte móvil llamado plato de freno, implementado con dispositivos de fricción, y otros elementos mecánicos para que funcione correctamente el desplazamiento de las zapatas y así cumplir el objetivo del freno que es la disminución de velocidad y detener al vehículo por completo (Automotriz, 2012)
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2.3.1 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE FRENO DE TAMBOR
2.3.1.1. Tambor
El tambor es la parte giratoria del freno y la que se lleva prácticamente todo el calor generado en la acción de frenado. Generalmente está fabricado en materiales fundidos, por ser de bajo costo pero con un alto coeficiente de absorción de calor y resistencia al desgaste producidos por la fricción entre las piezas. La fundición es de gris perlítica con grafito esferoidal como se observa en la figura 6 (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014). El torneado del tambor de freno es muy importante porque le ayuda a tener un equilibrio dinámico; además, la composición del tambor en la parte interior como en la parte central es una de las más eficientes ya que en la parte interior se garantiza que en el momento de fricción se facilite el acoplamiento de los materiales de fricción para que no se produzca ningún agarrotamiento, en tanto que en la parte central existen varios orificios para el acoplamiento del tambor al buje de la rueda y para los espárragos de sujeción. El diámetro de los tambores está regulado por la norma UNE 26 019 (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
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Plato de Freno
El plato de freno está integrado por un plato portafrenos, sobre el que se ubican un bombín de accionamiento hidráulico, las zapatas de freno y los demás elementos de fijación y regulación de las zapatas como se observa en la figura 7.
Para el funcionamiento de los frenos, las zapatas tienen dos zonas de ajuste, en el un extremo se une al bombín y por el otro extremo al soporte fijo, además se acoplan al plato mediante unos muelles y un pasador. Los muelles permiten el desplazamiento de las zapatas y al mismo tiempo que regresen a su posición de reposo; esta fuerza o este desplazamiento se da gracias a la función que cumple el bombín (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
Figura 7. Esquema de Interior del plato de frenos. (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014)
Zapatas
11 con precisión para que amortigüen las vibraciones y disminuyan los ruidos en el momento de frenado como se muestra en la figura 8 (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
Figura 8. Zapatas de freno de tambor. (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014)
2.4 TIPOS DE FRENO DE TAMBOR.
2.4.1 FRENO DE TAMBOR SIMPLEX
Este tipo de frenos es uno de los más ineficientes cuando están en la acción de frenado, ya que las zapatas en el momento de frenar no apoyan totalmente la superficie sobre el tambor. Lo destacable de este sistema de frenos es su gran resistencia a las elevadas temperaturas, en relación con los otros modelos de frenos.
En estos frenos de tambor, las zapatas van montadas en el plato de freno, donde uno de sus extremos está fijado al soporte de articulación y es accionada mediante un solo bombín de doble pistón figura 9.
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Figura 9. Frenos de tambor Simplex. (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014)
2.4.2 FRENO DE TAMBOR DUPLEX
Este modelo se creó para obtener mayor fuerza en la acción de frenado. Su estructura consta principalmente de dos zapatas que funcionaran como primarias, están acopladas a un doble bombín de un solo pistón independiente para cada zapata, consiguiendo así la misma presión para los dos lados del tambor. Éste es un sistema es eficaz, pero sensible a la variación del coeficiente de rozamiento como se observa en la figura 10. La ventaja de este freno es que no manifiesta ninguna reacciones sobre los rodamientos del buje (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
Figura 10. Frenos de Tambor Duplex.
13
2.4.3 FRENO DE TAMBOR TWINPLEX
Este tipo de freno de tambor es muy parecido al Duplex, con la diferencia de que los puntos de apoyo de las zapatas en vez de ir fijos se montan flotantes. En este freno las dos zapatas son secundarias, pero por un sistema de articulaciones, trabajando en posición flotante, se acoplan al tambor en toda su superficie, evitando el acuñamiento y ejerciendo una presión uniforme sobre el tambor. En un sentido de giro las dos zapatas actuarían como zapatas primarias y en el otro sentido como zapatas secundarias (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
2.4.4 FRENO DE TAMBOR DUO-SERVO
Este tipo de frenos se utiliza principalmente en la industria americana, por su eficacia, pero la desventaja del mismo es que tiene un rango muy alto a la sensibilidad de las vibraciones producidas por la fricción que se produce al momento del frenado. El funcionamiento de este sistema comprende dos zapatas en serie cuya función es que el efecto de autobloqueó aumente; el proceso comienza cuando una zapata empuja a la otra con ayuda de una biela de acoplamiento, con esto se puede conseguir mayores esfuerzos en el frenado como se observa en la figura 11.
14
2.5 FRENOS DE DISCO
Es uno de los frenos más utilizados en casi todos los vehículos de turismo. La gran ventaja que tiene este sistema es que la velocidad de reacción y la precisión del sistema es alta, obteniéndose un menor tiempo en el frenado y también una menor distancia de parada. Esto gracias a que los elementos de fricción están montados al aire para mejora la refrigeración, ayudando a que la absorción de energía y su transformación se realicen más rápidamente.
Este tipo de frenos consta de dos partes fundamentales para su funcionamiento: una parte fija y una parte móvil. Las pastillas como parte fija son las encargadas de generar la fuerza suficiente para detener el vehículo mediante la fricción que se produce al interactuar con el disco; un de la consecuencias de esta fricción es que se produce calor el mismo que debe ser evacuado lo más rápido posible como se observa en la figura 12 (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
El gran mérito de este sistema es que los frenos de disco no presentan el fenómeno de “faiding” (pérdida de eficacia de los frenos ante un uso continuado). El faiding se produce porque el sistema no es capaz de expulsar el calor provocado por la fricción de sus distintos componentes” (Mecanica A. , 2014) lo que quiere decir que los frenos de disco son capaces de evacuar rápidamente el calor mientras que en los frenos de tambor no se producen el mismo efecto, por consiguiente los frenos de disco son más eficientes. (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014)
15 El disco de freno es sujetado por las dos caras con una fuerza igual, con esto se evita la deformación y el desgate irregular. Es importante equilibrar las fuerzas que se ejercen sobre el disco de freno; este equilibrio se lo puede hacer cuando la implementación de la pinza es fija, con esto se ayudaría a que los pistones laterales apliquen la fuerza de las pastillas contra el disco de freno en igual medida.
2.6 CONSTITUCIÓN
El sistema de discos de freno de disco está constituido por un disco unido al buje de la rueda formando un solo elemento móvil de frenado, el disco va montado en un mordaza sujeta al puente o manguera, en cuyo interior se desplazan los pistones; éstos son aquellas piezas que están unidos a las patillas, elaboradas en un material similar a las de la zapatas que se utilizan en los frenos de tambor. En el interior de la mordaza existen conductos por donde pasa el líquido de frenos hacia los cilindros acoplados al latiguillo de freno y en el purgador. Cuando comienza el proceso de frenado el líquido de frenos va por las cañerías o tuberías del circuito, desplazando así luego a los pistones y ellos a las patillas para que actúen sobre el disco de freno y por rozamiento detengan el vehículo por completo o disminuya su velocidad como se observa en la figura 13 (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
16
2.7 COMPONENTES DEL FRENO DE DISCO
2.7.1 MORDAZAS (CALIPERS) O PINZAS
Las mordazas como se observa en la figura 14 son elementos acoplados a las pastillas y a los pistones, éstos últimos están fabricados de hierro dulce y recubiertos de cromo. Las mordazas son de dos tipos: flotantes y fijas. Las mordazas fijas tienen la función de accionar las pastillas a los dos lados del disco, mientas que las mordazas flotantes, también llamadas deslizantes, son aquellas que toman el mismo movimiento del disco, donde uno de los pistones desplaza a la patilla hasta hacer contacto en la superficie del disco y haciendo con esto que la mordaza y la pastilla detengan el movimiento. Este tipo de mordazas flotantes pueden provocar muchos daños, uno de ellos es el enclavamiento que se produce esencialmente por la suciedad o por la corrosión del mismo sistema. Esta genera un rápido desgaste de las pastillas de freno y al mismo tiempo el recalentamiento de los frenos, lo cual influye en su mal funcionamiento (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
Figura 14. Mordaza.
2.7.2 LÍQUIDO DE FRENOS
17 ejecutar el frenado, el mismo que llega a las ruedas mediante una tubería especial e independiente. Este fluido está compuesto por derivados de poliglicol, que al estar expuesto a tan altas temperaturas debe resistir un elevado punto de ebullición, 205 °C, según la normativa del Departamento de Transportes ( DOT) (Automotriz, 2012)
2.7.3 SERVOFRENO
Este mecanismo sirve principalmente para disminuir el esfuerzo de las personas al momento de frenar, el principio de funcionamiento del mismo es mediante la absorción del vacío del motor el cual está conectado a él mediante cañerías. Su único objetivo es brindar la comodidad al conductor (Automotriz, 2012).
2.7.4 DEPÓSITOS DE LIQUIDO DE FRENOS
Es el lugar donde se almacena el líquido de frenos, este contenedor está constituido por un polímero resistente a altas temperaturas que impide las fugas, pues si esto se da pondría en peligro la vida de los ocupantes del vehículo, este depósito lo conserva al líquido de frenos de una manera hermética previniendo que existan fugar o perdida de líquido de freno (Automotriz, 2012).
2.7.5 VÁLVULA COMPENSADORA
18
2.7.6 GRIFO DE PURGA
Esta pieza tiene la finalidad de vaciar todo el sistema hidráulico cuando se va a realizar el cambio de líquido de frenos, el cual se realiza a los 20.000 kilómetros aproximadamente. La purga o limpieza se realiza para eliminar todas las burbujas de aire que se encuentran en el sistema de frenos por efectos de su funcionamiento (Automotriz, 2012).
2.7.7 ANTILOCK BRAKING SYSTEM
En la actualidad este sistema es uno de los más importantes en los automóviles ya que es el sistema de antibloqueo de frenos. Como su nombre lo indica, la función principal de este sistema es prevenir que los frenos se bloqueen al momento del frenado. Fue implementado primero en los aviones y posteriormente fue adaptando para su uso en los vehículos; en la actualidad el 60% de los automotores tienen implementado este sistema (Automotriz, 2012).
2.7.8 CILINDRO
Los cilindros accionan las pastillas para que se acoplen al disco de freno y produzcan un frenado uniforme, el accionamiento de dichos pistones se produce por el líquido de frenos que llega a ellos a través de las mangueras que están acopladas a estos por medio de sellos, garantizando que no exista perdida del fluido de freno ni haya perdida de presión, la cual es producida por dicho líquido (Automotriz, 2012).
2.7.9 DISCOS DE FRENO
19 materiales alternos como son silicio, manganeso, los cuales garantizan la acción de frenado como se observa en la figura 15 (Automotriz, 2012).
Figura 15. Composición del Disco de Freno.
2.7.10 COMPOSICIÓN DEL DISCO DE FRENO
Como se indicó anteriormente los materiales que se utilizan para la fabricación de discos de freno son: carbono, silicio y manganeso, cuyas propiedades físicas se detallan a continuación en la tabla 1:
Tabla 1. Propiedades físicas del disco de freno Propiedades Físicas Valores
Resistencia a tracción 240 N / mm
Dureza 170 – 250 HB
(FRENO, 2014)
Sin embargo, hay que tomar en cuenta que ésta no es la única composición de los discos de freno, pero por ahora se realizan estudios y ensayos con
Materiales del disco de freno
20 discos de frenos fabricados por materiales compuestos con una matriz de carbono. Este tipo de discos de freno son utilizados en autos de competencia y en los frenos de los aviones. Cuando el disco de freno entra en funcionamiento se divide en dos partes, la caliente que es la pista de frenado y la fría que es la campana. Los discos de freno se caracterizan primordialmente por su construcción; los fabricantes modificaron y mejoraron su superficie plana para que la disipación de calor sea más rápida, mientras que el disco de frenos está conformado por varias partes: pista, fijación, campana y filtro térmico (FRENO, 2014)
Carbono
El carbono es un elemento químico que se encuentra en la naturaleza en diferentes formas como cristales o en humo. Es uno de los elementos importantes en el estudio de la química orgánica por formar parte de la constitución de los seres vivos.
El carbono está formado por dos óxidos: el monóxido de carbono y el dióxido de carbono, los cuales al fusionarse dan como resultado principal el carbono. En la actualidad el carbono es un mineral de uso generalizado en el campo automotriz. Principalmente, se lo utiliza en la fabricación de las cabinas de os autos de Fórmula Uno, debido a sus propiedades físicas que le hacen al mismo tiempo duro y flexible como se observa en la tabla 2 (Carbono, 2016)
Tabla 2. Características carbono Información general
Nombre símbolo
número:
Carbono, C, 6
Serie química: No metales
Densidad: 2267 kg/m3
21
Tabla 2. Características del carbono
Radio medio: 70 pm
Radio atómico(calc): 67 pm
Radio covalente: 77 pm
Radio de van der Walls: 170 pm Electrones por nivel de
energía:
2
Estado(s) de oxidación: 4 Estructura cristalina: Hexagonal
Estado ordinario: Sólido
Punto de fusión: 3500 °C
Punto de ebullición: 4200 °C
Entalpía de
vaporización:
Grafito; sublima: 711
kJ/mol
Entalpía de fusión: Grafito; sublima: 105 kJ/mol
(Carbono, 2016)
Silicio
22
Tabla 3. Características del silicio Información general
Nombre, símbolo, número Silicio, Si, 14
Serie química Metaloides
Masa atómica 28,085 u
Dureza Mohs 6.5
Propiedades atómicas
Radio medio 120 pm
Electronegatividad 1.9 (Pauling)
Radio atómico (calc) 111 pm (Radio de Bohr) Radio covalente 111 pm
Radio de van der Waals 210 pm
Óxido Anfótero
1.ª Energía de ionización 786,5 kJ/mol Propiedades físicas
Estado ordinario Sólido (no magnético)
Densidad 2330 kg/m3
Punto de fusión 1687 K (1414 °C) Punto de ebullición 3173 K (2900 °C) Entalpía de vaporización 384.22 kJ/mol Entalpía de fusión 50.55 kJ/mol Presión de vapor 4.77 Pa a 1683 K Calor específico 700 J/(K·kg) Conductividad eléctrica 4.35•10-4 S/m Conductividad térmica 148 W/(K·m)
Velocidad del sonido 8433 m/s a 293.15 K (20 °C) . (Silicio, 2016)
Manganeso
23 caracteriza principalmente su composición ya que gracias a ella este elemento es utilizado principalmente en la industria para la elaboración de baterías secas, producción de acero, y otros usos químicos como se observa en la tabla 4 (Manganeso, 2016).
Tabla 4. Características del Manganeso Información general
Nombre , símbolo, número:
Manganeso,Mn,25
Serie química: Metal de Transición Densidad: 7470 kg/m3
Apariencia: Plateado metálico Radio medio: 140 pm
Radio atómico(calc): 161 pm (Radio de Bohr) Radio covalente: 139 pm
Radio de van der Walls:
Sin datos pm
Configuración electrónica:
[Ar]3d54s2
Estructura cristalina: Cúbica centrada en el cuerpo
Estado ordinario: Sólido
Punto de fusión: Diamante:1517 K Punto de ebullición: 2235 K
Entalpía de vaporización:
226 kJ/mol
Entalpía de fusión: 12.05 kJ/mol
Velocidad del sonido: 5150 m/s a 293.15 K (20 °C)
(Manganeso, 2016)
2.7.11 PISTA
24
2.7.12 FIJACIÓN
La fijación del disco de frenos depende principalmente de los pernos de sujeción que van directamente a la rueda y gracias a que el orificio central se acopla en la mangueta para un ajuste perfecto, por tal motivo es importante que los pernos de sujeción estén correctamente ajustados para evitar que se produzcan daños graves en el sistema de frenos (Ingemecanica, 2016).
2.7.13 CAMPANA
La campana es un cilindro que une la banda con el plato de fijación. En la mayoría de los casos está diseñada para cumplir dos funciones: una de freno de estacionamiento y otra para implementar un sistema de freno de tambor para cuando sea necesario. Se acciona de manera mecánica (Ingemecanica, 2016).
2.7.14 FILTRO TÉRMICO
El filtro es el encargado de reducir el calor producido por el frenado, a fin de que éste no pase a la rueda y mucho menos al neumático, si esto sucediese se tendría varias consecuencias graves (Ingemecanica, 2016).
2.8 MEDIDAS Y DISEÑOS
25
Figura 16.Medidas del Disco de freno (BOSCH, 2011)
En la figura 16, se puede observar las medidas que los fabricantes toman de referencia (A) es el diámetro extremo (B) la altura total del disco (C) diámetro del orificio central (E) cantidad de de orificios del disco de freno y finalmente el espesor máximo y mínimo. El calor generado por la fricción que se produce entre en el disco de frenos y la plaquetas al momento del frenado hace que el líquido de frenos absorba el calor, lo cual no es recomendable ya que aumentaría la probabilidad de que ocurra el efecto fainding. Por este motivo, los fabricantes han tomado en cuenta la necesidad de hacer orificios alargados en los discos de freno para que el líquido de frenos se encuentre lo más alejado posible del calor generado por el rozamiento. De igual forma, la pinza es fabricada en aluminio, material que ayuda en la eliminación del calor como se observa en la figura17 (BOSCH, 2011).
26
2.9 DISCOS DE FRENO VENTILADOS
Este tipo de frenos fueron construidos con la finalidad de que el calor se disipare más rápido como si fuese un ventilador, pero también cumple con la tarea de transmitir ese calor al exterior como lo hace un radiador. Igualmente, elimina el calor que se encuentra en la campana enviándola al exterior de la pista. El uso del disco de freno no es el único que sirve para disipar el calor rápidamente; en los autos deportivos o vehículos grandes se puede poner discos de mayor tamaño correspondientes con el tamaño de la rueda para que hagan el mismo trabajo. Adicionalmente, se han colocado aletas para que ayuden a evacuar más rápido el calor como se observa en la figura 18 (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
Figura 18. Disco de freno ventilado. (Ingemecanica, 2016)
2.9.1 DISCOS PERFORADOS
27 potencia, mientras que para vehículos de media potencia se utilizan discos ventilados solamente. (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014)
Figura 19. Discos Perforados (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014)
2.9.2 DISCOS CERÁMICOS
Los discos cerámicos son generalmente usados en el transporte aeronáutico, aunque ya se implementan en los vehículos de alta potencia, los cuales pueden llegar a 320km/h en 30 metros estos vehículos son principalmente los de competencia de fórmula 1 en la actualidad.
Estos discos son de color negro por la alta cantidad de carbono que tiene y gracias a su base de cerámica tienen la ventaja de tener poco peso y una alta resistencia a la temperatura, lo que le permite evitar roturas o grietas en su estructura y mantener su gran capacidad de frenado. La única desventaja que tiene es su altísimo costo como se muestra en la figura 20 (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
28
2.10 ECUACIÓN DE FRENADO
Una ecuación para la acción de frenado de un automóvil se basa, en su totalidad, en las fuerzas que intervienen en el movimiento del vehículo, considerando que el movimiento es en línea recta y sin ninguna alteración con relación a la suspensión (Ruben García Galea, 2014).
En la figura 21 se puede observar que cuáles son y cómo actúan las fuerzas en el movimiento del vehículo, teniendo en consideración que cada una de las ruedas sea su propio eje (Ruben García Galea, 2014).
Figura 21. Fuerza de frenado (Ruben García Galea, 2014)
El vehículo en el momento de frenar esta sometido a varias condiciones que se consideran en la formulación de la ecuación básica más eficiente para el cálculo de la dinámica del frenado, la misma que es:
Dónde:
m: Masa de vehículo (Kg)
a: Aceleración longitudinal (
29 : Total de fuerzas de frenado cuando la rueda entra en contacto con el suelo.
El propósito de la ecuación anteriormente mencionada es determinar la desaceleración que tiene el vehículo al momento del frenado (KALPAKJIAN, 2008)
2.11 PASTILLAS DE FRENO
La fabricación de las pastillas de freno depende mucho de cada uno de los fabricantes y de la actual normativa de estandarización. Se puede seleccionar de entre 250 materiales para hacer las pastillas, pero los de uso más común son apenas 16 o 18 como: Fibras, minerales, componentes metálicos, modificadores de coeficiente de fricción, materiales orgánicos y abrasivos, latón, bronce, cobre, carbono entre otros. Las pastillas de freno actúan como mordazas sobre el disco de freno al ser accionadas por los pistones que se encuentran acoplados en ellas, como se observa en la figura 24 y en la tabla 3 (Álvarez, 2015)
Tabla 5. Composición porcentual de materiales usados en las pastillas de freno
Función % Materiales
20% aglomerantes Resina fenólica, caucho
10% metales
Lana de acero, virutas de cobre, virutas
de zinc, virutas de latón, polvo de
aluminio
10% fibras
Fibras de carbón, fibras orgánicas, lana
mineral, fibras químicas
25% material de relleno
Óxido de aluminio, óxido de hierro,
sulfato sódico
35% deslizantes
Óxido de aluminio, óxido de hierro,
30
Figura 22.Pastillas de Freno (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014)
Las exigencias para la fabricación de pastillas de freno son muy altas porque ellas deben cumplir con muchas exigencias en el momento del frenado. Esos requerimientos son: El coeficiente de fricción de las patillas de freno debe ser muy alto ya que éstas están sometidas a altas exigencias cuando toman contacto con la superficie del disco de freno para detener el vehículo en el menor tiempo posible. Los materiales que se utilizan en la fabricación de las pastillas soportan el desgaste y tienen resistencia a la abrasión, lo cual garantiza la durabilidad de las mismas, pero también los materiales de las pastillas permiten la compresión en cualquier condición climática, como la absorción de vibraciones e irregularidades que se producen al momento de interactuar con los discos de freno. Finalmente, los materiales deben tener una resistencia al cizallamiento y al choque por el hecho de estar sometida a los giros del disco (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
2.12 COMPOSICIÓN
31
2.12.1 FIBRAS
Las fibras de vidrio, las fibras de aramida, lanas de rocas, fibras minerales y las fibras sintéticas son las más utilizadas para armar las pastillas. Tales fibras se utilizan en toda la estructura de las pastillas, pero principalmente en el armazón de ellas (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
2.12.2 APORTES MINERALES
Carbonatos, mica, talco, magnesita y otros son los minerales más comunes que se utilizan en la fabricación de las pastillas. Con la ayuda de estos minerales obtenemos resistencia a la abrasión y al cizallamiento más aún cuando son sometidas a altas temperaturas producidas por un régimen de trabajo (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014).
2.12.3 APORTES METÁLICOS
El latón, cobre, bronce son los más utilizados en la fabricación de las pastillas de freno, los cuales se añaden a la aleación en forma de polvo o viruta, de tal forma que se mejorar las propiedades de las pastillas para la disipación rápida del calor y el mejoramiento del coeficiente de fricción de las mismas (Mecanica A. p., Aficionados por la Mecanica , 2014)
2.12.4 LUBRICANTES
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2.12.5 ELEMENTOS ORGÁNICOS
Las ceras, aceites o resinas fenólicas termo-endurecibles y diferentes tipos de cauchos son los principales materiales que se utilizan en la fabricación de las pastillas de freno, a fin de garantizar que las diferentes piezas se mantengan juntos en el armazón de las pastillas de freno (Mecanica A. , 2014).
2.12.6 ELEMENTOS ABRASIVOS
Estos elementos ayudan a optimizar el coeficiente de fricción entre las pastillas y el disco de freno formando sobre él una cubierta de protección, conocida como tercera capa (Mecanica A. , 2014).
2.13 ENSAYO DE MATERIALES
Son pruebas que se realizan en los materiales con la finalidad de determinar sus propiedades. Los ensayos sirven también establecer los cambios que se producen cuando están expuestos a diversas condiciones y para verificar el cumplimiento de las especificaciones reguladas en el ámbito automotriz. Sin embargo, los ensayos pueden ofrecer resultados negativos dependiendo de los factores y variables a los que son sometidos los materiales seleccionados. Entre ellos están: humedad, temperatura, velocidad de aplicación de carga y dirección de carga. Los ensayos se clasifican en dos grandes grupos: ensayos no destructivos y destructivos, los cuales se explican a continuación (españoles, 2016).
2.13.1 ENSAYOS DESTRUCTIVOS
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Tracción
Éste es uno de los más utilizados cuando se realizan ensayos en metales, con él se puede determinar la resistencia del metal, su tenacidad, el módulo de elasticidad y ductilidad, entre otras propiedades mecánicas las cuales con importantes en la fabricación de las elementos. (españoles, 2016).
2.24.1.2 Compresión
A esta prueba son sometidos los materiales para determinar el coeficiente de poisson y el módulo de elasticidad mediante ensayos normalizados (españoles, 2016).
2.24.1.3 Dilatación
El principal objetivo de este experimento de dilatación es verificar los cambios que se producen en las propiedades físicas de los materiales cuando los elementos son sometidos al calor. El cambio experimentado se llama dilatación y consiste en el aumento o disminución de la magnitud o volumen que registran las piezas sometidas a diferentes temperaturas, en este caso los discos de freno es un ejemplo de elementos que tienen estos cambios por varias condiciones (españoles, 2016). La dilatación de los materiales se mide aplicando la siguiente ecuación de dilatación de volumen:
Dónde:
: es la variación que tiene el material del volumen inicial. : Volumen inicial
34
2.24.1.4 Flexión
La flexión es una de las propiedades importantes que se tomó en cuenta en las prácticas, en razón de que prueba la fatiga del material o del elemento cuando está sometido a diferentes agresiones como: cargas dinámicas y estáticas, impactos y rupturas ya que estos elementos mecánicos en la práctica están sometidos a grandes cargas y muy altas variaciones de temperatura. Para el cálculo de la resistencia de flexión se utilizaron las siguientes ecuaciones las cuales se diferencian de acuerdo con sus características (españoles, 2016).
Fuerza de Ruptura
Dónde.
F: es la carga de ruptura
L: es la separación de los rodillos de apoyo b : la anchura de la probeta
Resistencia a la flexión o módulo de rotura
Se encarga principalmente de determinar la fatiga del material o del elemento que este en estas condiciones como lo detalla la ecuación.
Dónde:
F: es la carga de ruptura
35
2.24.1.5
DurezaEl
ensayo de dureza se usa para comprobar la resistencia que tienen los materiales con los que están fabricados los discos de freno, cuando éstas sufre alteraciones como: penetración, abrasión, rayado, cortadura, deformaciones permanentes, etc.La dureza de estos materiales se demuestra con la siguiente ecuación:
Donde:
D: Diámetro de la bola P: Carga
t: Duración de la carga
2.24.1.6. Desgaste
36 resultados requeridos en la investigación. Las ecuaciones fueron tomadas de (R.Nave, 2014) (Castellon, 2004).
2.13.2 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
Los ensayos no destructivos son aquellos que cuando se realizan no dañan el material con el que están elaborados los discos de freno. Este tipo de pruebas pueden ser (R.Nave, 2014).
2.24.2.1 Ensayos Esclerométricos
Estos ensayos sirven para medir la dureza superficial del material sometido a prueba (R.Nave, 2014).
2.24.2.2 Ensayos Ultrasónicos
Son aquellos que miden por velocidad de ondas ultrasónicas el módulo de elasticidad y la resistencia a la compresión que tiene el material en prueba (R.Nave, 2014).
2.14 DIAGRAMA HIERRO CARBONO
El diagrama hierro carbono también llamado diagrama de fases es a que determina las transformaciones que sufre que el acero y el hierro cuando están sometidas a altas temperaturas, este diagrama se obtiene principalmente obteniendo los puntos críticos de temperatura esto quiere decir que se necesita las temperaturas donde se realiza la transformación del hierro como se muestra en la figura 23 (SOLÁ, 1991).
El hierro está presente principalmente en 3 estados estos son: Ferrita,
37 Perlita.
2.14.1 . FERRITA
El hierro se encuentra en fase ferita cuando tiene cubos centralizados, la ferrita también puede disolver pequeñas cantidades de carbono, esta fase se da a una temperatura hasta 911 ºc (SOLÁ, 1991).
2.14.2 . AUSTENITA
La fase austenita del hierro se produce principalmente a una temperatura entre 911 a 1400 cristaliza el hierro y se obtiene cubos de caras centralizados, la fase austenita es la más fácil en deformarse tomando en cuenta que esta fase es paramagnética (SOLÁ, 1991).
2.14.3 CEMENTITA
Esta fase principalmente se identifica en aceros y otras aleaciones ferreas como son las fundiciones blancas, esta base tiene un 6.67% de peso de carbono esto quiere decir que en la estructura cristalina se obtiene 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda (SOLÁ, 1991).
38
3. METODOLOGÍA
3.1
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
Para la realización del presente trabajo investigativo se eligió el Método Experimental, por considerar que es el más adecuado para resolver las inquietudes existentes en torno a temas de las ciencias, como este caso de estudio denominado: Análisis de los discos de freno de un Chevrolet Aveo cuando está sometido a diversas temperaturas para determinar el cambio de propiedades del mismo, correspondiente al trabajo académico exigido previo a la obtención del título universitario en el área de Ingeniería Automotriz. El Método Experimental pertenece a los denominados empíricos, es considerado uno de los más complejos que utiliza la manipulación y las pruebas controladas para entender los procesos causales.
En general, una o más variables son manipuladas para determinar su efecto sobre una variable dependiente, así se garantizó que los resultados obtenidos sean lo mas confiables posibles y confirmar los cambios producidos en estos elementos que se pusieron a prueba.
La investigación experimental se caracteriza por ser un proceso sistemático que se utiliza en tres situaciones: a) Cuando hay prioridad temporal en una relación de causalidad (la causa precede al efecto), b) Cuando no hay consistencia en una relación de causalidad (una causa siempre llevará al mismo efecto) y c) Cuando la magnitud de la correlación es grande.
El presente estudio corresponde a la situación a, porque se quiere establecer los cambios que se producen en las propiedades de los discos de frenos de un Chevrolet Aveo cuando está sometido a diversas temperaturas. El método de investigación experimental exige la consideración de tres fases principalmente las cuales se detallan a continuación:
39
3.2
PLANIFICACIÓN DEL EXPERIMENTO
El principal objeto del método experimental es comprobar prácticamente los hechos que están anclados a una teoría. De tal forma que se diseña y organiza las prácticas o ensayos a los que se someterá el objeto de estudio, con la ayuda de medios e instrumentos para la obtención de resultados. El presente experimento busca analizar los cambios que ocurren en los discos de freno cuando éstos son sometidos a varias pruebas. Para ello, en primer lugar, se determinó los tipo de discos de frenos que se someterán a ensayo (serán dos, seleccionados de los ofertados en el mercado local, para un estudio comparativo) y cuáles son sus características al encontrarse en condiciones normales.
En la selección de los discos de freno se consideró principalmente que compartieran las mismas características de composición de materiales y tamaño, con la única diferencia de que uno sería el original de un automóvil Chevrolet Aveo y el otro un repuesto conseguido en un local de reposición de artículos automotrices.
Con la ayuda de varias herramientas como: calibrador vernier y reloj comparador, al igual que se utilizaron maquinas en la medición como el torno, con estas herramientas y maquinaria se realizó las mediciones prelimares, como deformaciones y espesores de los cuatro discos de freno y, también se efectuó un análisis visual de la apariencia de los discos de freno, en virtud de las desigualdades que pudieran presentar debido a su diferente procedencia.
A continuación, se separó un disco original y un disco alterno, para colocarlos al vehículo escogido para las pruebas, el mismo en el que se realizó la prueba de ruta con una distancia señalada, con el propósito de comprobar el cambio de temperatura de los discos de freno durante la experiencia con ayuda de una pistola laser que mide temperatura.
40 ensayos destructivos y no destructivos que tuvieron lugar en los laboratorios de la Escuela Politécnica Nacional (EPN).
Se realizaron los ensayos de dureza, ensayos de tracción, ensayos de impacto, microestructura y composición química. Los mismos que se expresaron gráficamente y matemáticamente utilizando ecuaciones acordes con las condiciones de los discos de freno, para el ensayo de tracción se utilizó la siguiente ecuación de tensión mecánica que es mientras que para el ensayo de dureza se utilizó la ecuación más acorde a las condiciones del disco de freno que es la ecuación de dureza rockwell.
41
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1 OBTENCIÓN Y SELECCIÓN DE DISCO DE FRENOS
Para la obtención y selección de los discos de freno se consideró la utilización de discos de freno procedentes de distintas casa de distribución. En este caso el disco original es del concesionario Automotores Continental y un disco alterno o de repuesto de la distribuidora El Original, el mismo que, según se informó tiene gran demanda por ser japonés, y por su bajo costo comparado con el del concesionario Chevrolet.
Es importante indicar que, no obstante ser la misma pieza, se puedo ver a simple vista las diferencias físicas que existen entre los dos discos de freno. Por mencionar una, los discos de freno original tienen un recubrimiento de protección, mientras que los discos alternos están expuestos directamente a las pastillas de freno sin ninguna protección.
4.2 MEDICIONES DE DISCOS DE FRENO
Antes de ser sometidos a los ensayos, se midieron los espesores, deformaciones y diámetros de las piezas con la ayuda de herramientas y equipo, como el reloj comparador, que permiten precisión en la medición. Se tomaron tres medidas: A) magnitud del borde del plato externo del disco de freno, B) magnitud en el punto medio del plato exterior del disco de freno y C) magnitud de la manzana, tal como se puede observar en la figura 24. Durante el proceso se pudo determinar que las deformaciones eran en los mismo puntos de las piezas.
Figura 24. Mediciones en los discos de freno. C
A
