SISTEMA DE FRENADA DE UN VEHÍCULO MONOPLAZA
Febrero 2019
Carlota Groczewski Perote
DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE GRADO:
Francisco Javier Páez Ayuso
Car lota Groczew s k i P e rot e
TRABAJO FIN DE GRADO PARA
LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
GRADUADO EN INGENIERÍA EN
TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial Departamento de Ingeniería Mecánica
Área de Ingeniería Mecánica
Instituto Universitario de Investigación Del Automóvil INSIA
TRABAJO FIN DE GRADO
Diseño y Optimización del Sistema de Frenada de un Vehículo Monoplaza.
Autor: Carlota Groczewski Perote Director: Dr. Francisco Javier Páez Titulación: Grado en Tecnologías Industriales.
Madrid - Febrero de 2019
Carlota Groczewski Perote i
“Los sabios tienen las mismas ventajas sobre los ignorantes que los vivos sobre los muertos”
Aristóteles
Carlota Groczewski Perote iii En primer lugar, quiero dar las gracias a todo el equipo de UPM Racing. A esos nuevos compañeros que en tan poco tiempo se convirtieron en amigos. A aquellos que me enseñaron
y guiaron cuando entré en el equipo y que consiguieron hacer que todo fuera más fácil.
Mención especial a mi amigo Antonio Bravo, el cual despertó en mí la curiosidad por el proyecto y por lo que siempre le estaré agradecida.
A mi tutor, Francisco Javier Páez Ayuso, por haberme dado la oportunidad de realizar dicho proyecto, y por haberme apoyado a lo largo de toda su duración. Aprovecho para agradecerle
también su gran ayuda en los momentos más complicados para mi.
A la Universidad Politécnica de Madrid y al Instituto Nacional de Investigación del Automóvil, por la labor de todos sus docentes y profesionales, así como por facilitar el uso de
sus instalaciones.
Por último, a toda la gente que me quiere y que me ha apoyado siempre, y en concreto, a lo largo de este proyecto. Por estar ahí en mis subidas y mis bajadas, por todos sus consejos, y
por hacer mas llevaderos los momentos mas difíciles.
Resumen ejecutivo
Carlota Groczewski Perote v El Trabajo de Fin de Grado tiene como objetivo el diseño y la optimización del sistema de frenos del nuevo Monoplaza UPM Racing 18 de tracción eléctrica.
El sistema de frenos de un vehículo es una parte de gran importancia dentro del diseño de este, ya que es el encargado de controlar la velocidad, y de detenerlo si así se desea. Dentro de la importancia que tiene este sistema en cualquier vehículo, en el mundo de la competición adquiere mayor importancia, debido a las pruebas directamente relacionadas con su funcionamiento. El sistema de frenos en un Formula SAE puede ser un elemento diferenciador en muchas de sus pruebas, como pueden ser las pruebas de seguridad, con la prueba del Brake;
o bien en las pruebas estáticas, en el Design, y en las dinámicas.
Este proyecto se ha realizado como miembro del equipo UPM Racing y por tanto se ha desarrollado de forma paralela a otras actividades relacionadas con el equipo. Muchas de las fechas en las que se han llevado a cabo las fases del proyecto vienen determinadas por la competición de Formula Student. Esta competición es un evento que congrega diversos equipos de construcción de vehículos monoplaza a nivel internacional, procedentes de universidades de ingeniería de todo el mundo. Los alumnos integrantes se encargan tanto del diseño como de la fabricación y montaje, apoyados por un entorno de profesionales especializados.
En las primeras fases de estudio se ha realizado un análisis general del vehículo, llevado a cabo por toda la división de dinámica. En estos análisis, se destaca el estudio de los ensayos de diferentes neumáticos y la obtención de los resultados más adecuados para la competición, junto con un análisis del comportamiento de vehículos monoplaza ante diversos cambios dinámicos y geométricos.
Previo al comienzo del diseño del sistema de frenos, se han realizado y analizado varios ensayos para conocer el funcionamiento del sistema y los rangos de operatividad de las presiones de estos sistemas. Esto se ha realizado con ayuda del software AIM Race Studioã, con el cual se obtienen datos directamente del vehículo, medidos mediante sensores de voltaje y convertidos posteriormente a la unidad de interés (presión en este caso). Esto servirá más adelante para comparar con las presiones necesarias para cumplir los requerimientos del sistema que se va a diseñar, y analizar si estas son posibles.
En este trabajo se van a describir todas las fases de desarrollo llevadas a cabo para el diseño óptimo del sistema de frenos. Comenzando con una breve introducción a la competición y su funcionamiento, así como una descripción del comportamiento de los sistemas de frenos y todos sus elementos, en vehículos convencionales y sus distinciones en los vehículos de competición.
Para ello también se va a desarrollar un apartado dedicado a la definición de todos los parámetros necesarios para los posteriores cálculos. En este capítulo se definen los parámetros de los vehículos relacionados con el sistema de frenos, así como todas las fórmulas o gráficos que van a ser de interés a lo largo del proyecto.
Resumen ejecutivo
Una vez introducido el mundo del automóvil, y más concretamente, de los sistemas de frenos de los vehículos de competición, se detallarán los pasos seguidos para su diseño. En primer lugar, se definen todos los elementos que forman parte de estos sistemas y se detalla el funcionamiento de todos y cada uno de ellos. A continuación, se procederá a la elección de los elementos que van a formar parte de este, así como el diseño de aquellos que serán mecanizados.
En la elección de los elementos van a intervenir muchos aspectos. El diseño debe cumplir los aspectos geométricos y dinámicos del vehículo junto con los requerimientos propios de un sistema de frenos de competición, sin olvidarnos del objetivo económico del equipo.
El equipo cuenta con unas limitaciones económicas, motivo por el cual siempre hay que encontrar el equilibrio entre los objetivos técnicos y económicos. Es por ello por lo que este aspecto va a estar muy presente a lo largo de todo el diseño.
Para este proyecto ha sido necesario formarse previamente con algunas herramientas entre las que destacan CATIAã, programa informático de diseño, fabricación e ingeniería asistida por ordenador; y ANSYSã, software de simulación para predecir la reacción y funcionamiento de un elemento en un entorno real.
En concreto, CATIA se va a utilizar para, una vez elegidos los elementos que van a formar parte del sistema de frenos, desarrollar cada uno de ellos en esta plataforma, creando así un conjunto de CAD’s, con el que tener un diseño completo del sistema, junto con el resto del vehículo. Para que esto sea posible se ha implementado la constitución del ‘Skeleton vehicular’.
Esto consiste en un CAD que reúne todos los elementos de trabajo necesarios para cada uno de los estamentos y divisiones del equipo (dinámica, chasis, aerodinámica, etc.). El programa ANSYS, es el utilizado para realizar la simulación de las cargas y las tensiones, en concreto del disco de frenos, para garantizar que se soportan las condiciones de trabajo y decidir su diseño final y su optimización. De esta manera, se puede adecuar correctamente tanto el diseño como el material utilizado.
Por último, se van a describir todos los cálculos necesarios que han sido llevados a cabo para demostrar que el diseño del sistema de frenos es correcto, y por tanto que la elección realizada de todos los elementos durante el trabajo, así como el diseño y elección de materiales de las piezas, son los óptimos para desarrollar el sistema de frenos del vehículo monoplaza. A lo largo del proyecto se han realizado estos cálculos en una gran variedad de hojas de Excel para poder realizar todos los cambios pertinentes e iteraciones necesarias. Esto se debe a que durante el periodo de diseño de cualquier sistema siempre surgen muchos cambios, y en este caso esto se ve potenciado por tratarse de un equipo en el que se diseñan diferentes sistemas que están interrelacionados entre sí, de manera que los cambios de uno afectan al resto de sistemas. En este proyecto aparecerán únicamente los referidos al diseño final.
Carlota Groczewski Perote vii
ÍNDICE GENERAL
1. INTRODUCCIÓN ...1
1.1 ¿Qué es la Formula Student? ...1
1.2 Historia de la competición ...1
1.3 Competición ...3
1.3.1 Pruebas de seguridad ...3
1.3.2 Pruebas estáticas ...4
1.3.3 Pruebas dinámicas ...5
1.4 Normativa general ...6
2. OBJETIVOS ...11
3. METODOLOGÍA ...13
4. SISTEMAS DE FRENADO EN COMPETICIÓN ...15
4.1 Tipos de sistemas de frenos ...17
4.1.1 Frenos de Tambor ...17
4.1.2 Frenos de Discos ...20
4.2 Tendencias en competición ...22
4.3 Masas no suspendidas ...24
5. CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE FRENOS DE UN AUTOMÓVIL ...27
5.1 Conceptos previos ...27
5.2 Curvas de equiadherencia ...29
5.3 Componentes del sistema de freno ...32
5.3.1 Pinzas de freno y pastilla ...34
5.3.2 Discos de freno ...35
5.3.3 Líneas de freno ...35
5.3.4 Bombas de freno ...35
5.3.5 Balance Bar ...36
6. ANÁLISIS PREVIO DE LOS NEUMÁTICOS ...39
6.1 Estudio del coeficiente de adherencia longitudinal ...39
7. ENSAYOS ...45
7.1 Ensayo en estático ...45
7.2 Ensayo real en movimiento ...48
8. DISEÑO ...51
8.1 Diseño del sistema de frenado ...51
8.1.1 Objetivos ...51
8.1.2 Condicionantes y requisitos ...51
8.1.3 Distintas alternativas ...51
8.1.3.1 Bombas de freno ...52
8.1.3.2 Balance bar ...52
8.1.3.3 Líneas de freno ...52
8.1.3.4 Discos de freno ...52
8.1.3.5 Pinzas de freno ...53
8.1.4 Decisión ...54
8.1.4.1 Bombas de freno ...54
8.1.4.2 Balance Bar y repartidora ...54
8.1.4.3 Líneas de freno ...55
8.1.4.4 Discos de freno ...55
8.1.4.5 Pinzas de freno ...57
8.1.5 Pre-Diseño ...57
8.1.5.1 Selección de las pinzas de freno ...58
8.1.5.2 Diseño de los discos de freno ...62
8.1.5.3 Línea de freno ...63
8.1.5.4 Bombas de freno ...66
8.1.5.5 Balance bar ...68
8.1.5.6 Repartidora ...70
9. VERIFICACIÓN DE LA VALIDEZ DEL DISEÑO PRELIMINAR ...73
9.1 Fuerzas de frenada ...73
9.2 Fuerzas de frenada teniendo en cuenta la reguladora ...78
9.3 Fuerzas en los discos ...83
9.4 Simulación de los discos en ANSYS ...84
9.4.1 Simulación Diseño 1 ...87
9.4.2 Simulación Diseño 2 ...88
9.4.3 Simulación Diseño 3 ...89
9.4.4 Simulación Diseño 4 ...90
9.4.5 Simulación Diseño 5 ...91
9.4.6 Elección del diseño final ...92
9.5 Diseño del modelo tridimensional final en Catia ...93
9.6 Aplicación de una frenada concreta al análisis de los neumáticos ...94
10. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ...97
10.1 Líneas Futuras ...97
10.2 Conclusiones Personales ...98
11. RESPONSABILIDAD INGENIERIL ...99
12. PLANIFICACIÓN Y PROGRAMACIÓN ...101
12.1 Diagrama de Gantt Curso 2017/2018 ...102
12.2 Diagrama de Gantt Curso 2018/2019 ...103
13. PRESUPUESTO ...105
14. BIBLIOGRAFÍA ...107
Carlota Groczewski Perote ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Ejemplo de prueba Skid Pad ... 6
Figura 2: Ejemplo de sistema de frenos de un Formula 1 (VirutasF1, 2018) ... 16
Figura 3: Elementos de los frenos de tambor (Aficionados a la mecánica, 2019) ... 17
Figura 4: Esquema interno de un plato de freno (Aficionados a la mecánica, 2019) ... 18
Figura 5: Zapata de freno de tambor ... 18
Figura 6: Freno de tambor Simplex ... 19
Figura 7: Freno de tambor Dúplex (Aficionados a la mecánica, 2019) ... 19
Figura 8: Freno de tambor dúo-servo ... 20
Figura 9: Elementos de los frenos de discos (autonoción, 2018) ... 20
Figura 10: Esquema de un freno de disco con pinza fija ... 21
Figura 11: Esquema de un freno de disco con pinza oscilante ... 22
Figura 12: Esquema de un freno de disco con pinza flotante ... 22
Figura 13: Masas suspendidas y no suspendidas (Ingemecánica, 2018) ... 24
Figura 14: Esquema de masas con suelo irregular (km77, 2018) ... 25
Figura 15: Modelo de cuerpo libre de un vehículo de dos ejes para el estudio del frenado (Izquierdo, Álvarez, & Lopez, 2001) ... 27
Figura 16: Ejemplo de curva de equiadherencia (H.Bill, 2010) ... 30
Figura 17: Comportamiento de un vehículo de dos ejes con bloqueo de las ruedas del eje trasero (Izquierdo, Álvarez, & Lopez, 2001) ... 32
Figura 18: Sistema básico de Sistema de Frenos (Aficionados a la mecánica, 2019) ... 33
Figura 19: Esquema de funcionamiento Discos-pastillas ... 33
Figura 20: Fuerza ejercida sobre las pinzas de freno (Frenado, 2017) ... 34
Figura 21: Esquema del conjunto bomba-balance ... 37
Figura 22: Representación del coeficiente de adherencia longitudinal frente al deslizamiento, para el neumático del monoplaza, para unas variables concretas ... 40
Figura 23: Variación del coeficiente de esfuerzo tractor con el deslizamiento longitudinal (Izquierdo, Álvarez, & Lopez, 2001) ... 41
Figura 24: Variación del ángulo de inclinación con el recorrido vertical de la rueda ... 42
Figura 25: Variación del coeficiente de adherencia con la carga vertical, IA=2º y PI=12psi .. 43
Figura 26: Sensor de alta presión, modelo 0 265 005 303, fabricante Bosch ... 45
Figura 27: Especificaciones técnicas del sensor, relación voltaje presión ... 45
Figura 28: Colocación de los sensores para el ensayo ... 46
Figura 29: Presiones (bar) ensayo A ... 47
Figura 30: Presiones (bar) ensayo B ... 47
Figura 31: Presiones (bar) ensayo C ... 47
Figura 32: Presiones (bar) ensayo D ... 48
Figura 33: Recorrido del vehículo en los ensayos ... 48
Figura 34: Presiones (bar) ensayo 1 ... 49
Figura 35: Presiones (bar) ensayo 2 ... 49
Figura 36: Anclajes de casquillo y circlips (The edge products, 2018) ... 57
Figura 37: CAD de la llanta, vista del interior ... 58
Figura 38: Pinza del eje delantero, modelo CP4227 (APRacing, APRacing cp4226, 2018) ... 59
Figura 39: Pinza del eje trasero, modelo CP4226 (APRacing, APRacing cp4227, 2018) ... 59
Figura 40: Pinza del eje delantero, modelo 22-048 (ISR, 2019) ... 60
Figura 41: Pinza de freno eje trasero, modelo 22-049 (ISR, 2019) ... 60
Figura 42: Plano de pinza delantera, 22-048 (ISR, 2019) ... 61
Figura 43: Plano de pinza trasera, 22-049 (ISR, 2019) ... 62
Figura 44: Pre-diseño del disco de freno compacto ... 63
Figura 45: Disposición 1 ... 64
Figura 46: Disposición 2 ... 65
Figura 47: Disposición 3 ... 65
Figura 48: CAD de la Línea de frenos ... 66
Figura 49: Bombas de freno, modelo CP7855 (APRacing, APRacing cp7855, 2018) ... 66
Figura 50: Especificaciones técnicas de las bombas (APRacing, APRacing sheet, 2018) ... 67
Figura 51: Balance-bar, modelo CP5500-9 (APRacing, APRacing cp5500, 2018) ... 68
Figura 52: Esquema básico de funcionamiento de la balance-bar (APRacing, APRacing Balance Bar Systems, 2018) ... 68
Figura 53: Balance bar (APRacing, APRacing Balance Bar Systems, 2018) ... 69
Figura 54: Repartidora, modelo CP3550-13cd (APRacing, APRacing cp3550, 2018) ... 70
Figura 55: Posiciones de la repartidora (APRacing, APRacing sheet cp3550, 2018) ... 71
Figura 56: Gráfica de presiones de la repartidora (APRacing, APRacing sheet cp3550, 2018) ... 71
Figura 57: Tabla de Excel de parámetros del vehículo ... 73
Figura 58: Curva de equiadherencia, curvas de isoadherencia delantera y trasera, y rectas de deceleración constante ... 74
Figura 59: Tabla de Excel con datos sobre las bombas de freno y los pistones ... 76
Figura 60: Curva de equiadherencia junto con rectas del sistema real para distintos repartos en la balance-bar ... 77
Figura 61: Sistema real para cada posición de la reguladora con un reparto 50/50 en la balance- bar ... 79
Figura 62: Curva de equiadherencia, junto con las posiciones de la reguladora en tres repartos distintos: 35/65, 50/50 y 65/35 ... 80
Figura 63: CAD Diseño 1 (Diseño Original) ... 85
Figura 64: CAD Diseño 2 ... 85
Figura 65: CAD Diseño 3 ... 86
Figura 66: CAD Diseño 4 ... 86
Figura 67: CAD Diseño 5 ... 86
Figura 68: Simulación en ANSYS del Diseño 1, disco trasero ... 87
Figura 69: Simulación en ANSYS del diseño 1, disco delantero ... 88
Figura 70: Simulación en ANSYS del diseño 2, disco trasero ... 88
Figura 71: Simulación en ANSYS del diseño 2, disco delantero ... 89
Figura 72: Simulación en ANSYS del diseño 3, disco trasero ... 89
Figura 73: Simulación en ANSYS del diseño 3, disco delantero ... 90
Figura 74:Simulación en ANSYS del diseño 4, disco trasero ... 90
Figura 75: Simulación en ANSYS diseño 4, disco delantero ... 91
Figura 76: Simulación en ANSYS del diseño 5, disco trasero ... 91
Figura 77: Simulación en ANSYS del Diseño 5, disco delantero ... 92
Figura 78: CAD diseño final del disco con anclajes ... 93
Carlota Groczewski Perote xi Figura 79: Modelo tridimensional en CATIA del diseño final del sistema de frenada ... 94 Figura 80: Diagrama de Gantt 2017/2018 ... 102 Figura 81: Diagrama de Gantt 2018/2019 ... 103
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Coeficiente de adherencia en tracción para PI=8psi ... 41
Tabla 2: Coeficiente de adherencia en frenada para PI=8psi ... 41
Tabla 3: Coeficiente de adherencia en tracción para PI=12psi ... 42
Tabla 4: Coeficiente de adherencia en frenada para PI=12psi ... 42
Tabla 5: Coeficientes de adherencia en función de IA y PI, Fz=1100 N ... 44
Tabla 6: Coeficientes de adherencia en función de IA y PI, Fz=900 ... 44
Tabla 7: Coeficientes de adherencia en función de IA y PI, Fz=700 N ... 44
Tabla 8: Datos técnicos de las pinzas delanteras ... 61
Tabla 9: Datos técnicos de las pinzas traseras ... 61
Tabla 10: Puntos de corte de una recta real de frenado (50/50) con la recta de deceleración cte (2g's) ... 81
Tabla 11: Coeficientes de adherencia utilizados en los puntos de la Tabla 8 ... 81
Tabla 12: Masas de los distintos diseños de disco de freno ... 87
Tabla 13: Tensiones de Von Mises máximas del Diseño 1 ... 88
Tabla 14: Tensiones de Von Mises máximas del Diseño 2 ... 89
Tabla 15: Tensiones de Von Mises máximas del Diseño 3 ... 90
Tabla 16: Tensiones de Von Mises máximas del Diseño 4 ... 91
Tabla 17: Tensiones de Von Mises máximas del Diseño 5 ... 92
Tabla 18: Costes fijos ... 105
Tabla 19: Costes indirectos ... 106
Tabla 20: Costes totales ... 106
Carlota Groczewski Perote 1 1. INTRODUCCIÓN
1.1 ¿Qué es la Formula Student?
La Formula Student, más comúnmente conocida como Formula SAE (Society of Automotive Engineers), es una competición entre equipos formados por estudiantes de universidades internacionales. Es un concepto de competición diferente, ya que pese a ser una competición automovilística, lo que realmente se premia en este tipo de competiciones es el trabajo de ingeniería que existe detrás de todo el proceso de diseño y creación del automóvil, el cual es llevado a cabo íntegramente por los estudiantes.
1.2 Historia de la competición
En 1979, la única SAE Mini-Indy se llevó a cabo en la Universidad de Houston. Concebido por el Dr. Kurt M. Marshek, el concurso se inspiró en un artículo práctico que apareció en la revista Popular Mechanics, para un pequeño vehículo "estilo Indy" hecho de madera y con la potencia de un Briggs de cinco caballos de fuerza y Motor Stratton. Trece escuelas entraron y once compitieron. La Universidad de Texas en El Paso ganó la competencia general. Si bien el Dr.
William Shapton (quien recientemente había abandonado la Universidad de Cincinnati para unirse a la Universidad Tecnológica de Michigan) abordó la idea de organizar una competencia similar en 1980, nadie se adelantó para organizar otro Mini-Indy.
En 1980, cuando los miembros de la nueva rama de estudiantes de SAE en la Universidad de Texas (Austin) se enteraron de que la Mini-Indy había muerto, generaron el concepto para un nuevo concurso de diseño de ingeniería de estudiantes entre colegios que les permitiría a los estudiantes aplicar lo que estaban aprendiendo, haciendo un diseño de ingeniería en el mundo real: diseño y desarrollo de un coche de carreras. Los miembros de la rama estudiantil de UT SAE Robert Edwards y John Tellkamp lideraron una discusión entre los miembros de UT SAE y previeron una competencia que involucraría el diseño y la construcción de un vehículo de carreras siguiendo las líneas de la serie de carreras de nivel de entrada SCCA Fórmula 440 que era popular en ese momento.
El Prof. Matthews propuso el nombre de "Fórmula SAE" enfatizando que este nuevo vehículo de carrera era una competencia de ingeniería en lugar de una competencia de conductores. Las escuelas se reunirían después del final del año académico para competir y determinar quién había construido el mejor automóvil. Edwards, Tellkamp y otros estudiantes de UT SAE, Joe Green, Dick Morton, Mike Best y Carl Morris redactaron un conjunto de reglas de seguridad y competencia y los presentaron a los miembros de la rama de estudiantes de SAE y al profesor Ron Matthews, asesor de UT SAE. Luego, el profesor Matthews se comunicó con Bob Sechler, del Departamento de Relaciones Educativas de SAE en la sede de SAE, y le pidió permiso para establecer el nuevo concurso de diseño de ingeniería estudiantil intercolegial y para organizar el primer concurso de Fórmula SAE durante el verano de 1981, y estuvo de acuerdo.
La recién formada sucursal de UT SAE, compuesta principalmente por entusiastas de la automoción y la motocicleta que realizan estudios de ingeniería, incluidos varios que habían
dejado carreras en campos en los que el mercado laboral prácticamente había desaparecido debido a la depresión de la economía a principios de la década de 1980, incluidos algunos mecánicos de automóviles experimentados. abrazaron y adoptaron el concepto con poca idea de en qué se estaban metiendo. Mike Best, Carl Morris, y Sylvia Obregon, oficiales de la rama estudiantil de SAE, junto con la Dra. Matthews comenzaron a planificar y organizar el evento que se celebraría el año siguiente.
Aquí, es importante tener en cuenta que la Fórmula SAE NO fue un simple cambio de nombre de la competencia Mini-Indy, sino que fue una competencia de diseño de ingeniería estudiantil intercolegial completamente nueva. A diferencia de todas las competiciones de diseño / carreras estudiantiles aprobadas por SAE anteriormente, incluyendo Mini-Indy, las reglas de Fórmula SAE dejaron la selección del motor al equipo de diseño, siempre que se usara un motor de 4 tiempos con un limitador de admisión de una pulgada de diámetro. La primera competencia de Formula SAE se llevó a cabo en el estacionamiento del campo de béisbol de UT (campo Disch- Falk), en el campus de la Universidad de Texas, en el fin de semana del Día de los Caídos, 1981.
La Universidad de Texas continuó siendo la sede del evento de 1982 a 1984 a medida que crecía la popularidad y el número de participantes. En estos años subsiguientes, UT trasladó la competencia de Fórmula SAE a otras áreas de estacionamiento que incluían cambios de elevación y plataformas de entrada que forzaban el uso de suspensiones funcionales. El evento se convirtió en internacional en 1982 con la entrada del equipo de la Universidad La Salle de la Ciudad de México. Los cambios significativos en las reglas para 1982 fueron: 1) un límite de desplazamiento de 600 cc, pero manteniendo la regla del limitador de 1 pulgada de diámetro, 2) un requisito para la suspensión independiente en las 4 ruedas (Mini-Indy no tenía cualquier regla de suspensión), y 3) la adición de una clase "B&S" temporal de vehículos que fueron diseñados originalmente para Mini-Baja, tuvo que conservar el motor Briggs & Stratton de 8 hp, y no tuvo que cumplir con las 4 ruedas Regla de suspensión independiente.
Formula SAE continuó siendo una competencia internacional cuando el equipo de la Universidad La Salle regresó. Con la única restricción de motor que es un límite de desplazamiento de 600 cc y un diámetro máximo de 1 pulgada para la ingesta, la creatividad floreció. También en 1983, se eliminó la clase B&S temporal, la Universidad de Texas en Austin ingresó en el primer vehículo compuesto de Fórmula SAE y la Universidad de Marquette ingresó en el primer motor turboalimentado. Las reglas permitieron que un automóvil de Formula SAE compitiera durante dos años en reconocimiento al esfuerzo requerido para construir y probar un automóvil de calidad. Esto también permitió a los estudiantes la experiencia de reingeniería y mejora en elementos de diseño que no funcionaron. Las reglas para 1984 permitían específicamente los turbocompresores, sobrealimentadores y el uso de óxido nitroso, pero el motor tenía que respirar a través de un orificio de salida de 25,4 mm de la fundición del carburador. Los limitadores de admisión del motor se ajustaron posteriormente con la aceleración de los vehículos año tras año, a medida que se transmitía el conocimiento dentro y entre los equipos. Además, se promulgó una regla de distancia entre ejes de 65-100 pulgadas, como lo fue una regla que exige a todos los vehículos tener un "cuerpo que se asemeja a un coche de fórmula". El campo de Formula SAE había crecido a once vehículos en 1984,
Carlota Groczewski Perote 3 por lo que la Universidad de Texas en Austin decidió que la competencia había madurado lo suficiente como para que fuera seguro transmitirla a otros anfitriones.
La Universidad de Texas en Austin fue sede de la competencia hasta 1984. En 1985, la competencia fue organizada por la Universidad de Texas en Arlington. General Motors fue sede de la competencia en 1991, Ford Motor Co. en 1992 y Chrysler Corp. en 1993. Después de la competencia de 1992, los tres formaron un consorcio para ejecutar la Fórmula SAE.
Al final de la competencia de 2008, el consorcio dejó de existir. El evento ahora es financiado por SAE a través de patrocinios y donaciones de la compañía junto con las tarifas de inscripción de los equipos. (Wikipedia, 2019)
1.3 Competición
La competición consta de una serie de pruebas, con diferentes puntuaciones cada una. Así, se valora cada prueba con una puntuación independiente, que se detallará más adelante, siendo el ganador el que acumule un total de puntos mayor. En estas pruebas se va a evaluar tanto la estática como la dinámica, para poder tener en cuenta desde el diseño hasta su comportamiento dinámico. (Grupo Carman, 2019)
Dentro de esta categoría, existen tres clases diferentes:
o Clase 3: se trata de una clase formada para los equipos que entran nuevos, con vehículos en fase de diseño y validación del modelo. En general, no se puede participar dos años seguidos en esta clase. Las únicas pruebas que puntúan son el Cost, el Design y el Business Presentation.
o Clase 2: el requisito mínimo para esta categoría es tener un chasis completo. En esta categoría se encuentran los equipos que hayan logrado fabricar un vehículo completo.
Al igual que en la clase 3, si ya se ha participado en esta categoría habría que promocionar a la siguiente. Análogamente, se puntúan el Cost, el Design y el Business Presentation.
o Clase 1: esta clase corresponde a la más importante. En ella, los vehículos son capaces de moverse, y un mismo coche solo puede participar en esta durante 12 meses, obligando a los equipos a progresar y construir nuevos vehículos. En esta categoría, se puntúan todas las pruebas existentes.
1.3.1 Pruebas de seguridad
Antes de comenzar ninguna de las pruebas, se deben haber superado una serie de pruebas de seguridad. En caso de no superar alguna de estas, el vehículo queda inmediatamente descalificado de la competición, ya que su participación podría suponer algún tipo de riesgo para el piloto o participantes.
La inspección técnica consiste en: (UPM Racing, 2018) o Technical & Safety Scrutineering:
El vehículo se inspecciona para asegurarse si cumple o no con los requisitos de la normativa de la Formula Student, incluyendo el equipamiento del piloto.
Uno de los requisitos más importante es que el piloto tenga la capacidad de salir del habitáculo en menos de 5 segundos, por motivos de seguridad.
o Tilt Testing:
En esta prueba cada vehículo será probado para comprobar que cumple tanto el requisito de fluidos del coche a 45º como el requisito de estabilidad de 60º. Es decir, por un lado, el vehículo debe de ser capaz de ser volcado 45º sin fugas de combustible o de cualquier otro tipo. Por otro lado, no debe volcar cuando se inclina a un ángulo de 60º de la horizontal en cualquier dirección.
o Brake test:
En esta prueba se va a evaluar el correcto funcionamiento del sistema de frenado del vehículo. Se evalúa tanto la capacidad de frenada del vehículo como la parada de emergencia. Para ello, el vehículo debe ser capaz de frenar bloqueando las cuatro ruedas simultáneamente, así como detenerlo en línea recta sin desviarse.
o Noise testing:
La prueba consiste en verificar que cumple con los requisitos de sonido establecidos en la normativa de la competición. Esto se resume en un límite de intensidad sonora de 110 dB a revoluciones máximas y 103 dB en período de inactividad (con el motor a ralentí).
1.3.2 Pruebas estáticas
Las pruebas estáticas engloban un total de 325 puntos de los 1000 puntos del total, repartidos de la siguiente manera: (Motor y competición, 2018)
Eventos estáticos 325
Diseño 150
Análisis de costes 100
Business Presentation 75
o Design:
En esta prueba un jurado formado por cuatro jueces examina el monoplaza y pide justificación de las soluciones adoptadas a los integrantes del equipo. Se va a juzgar el
Carlota Groczewski Perote 5 diseño y su justificación en relación con los conocimientos de ingeniería adquiridos. En la semifinal, esta prueba se repite con mayor profundidad.
o Cost:
Consiste en un análisis de costes del vehículo. Hay que realizar un documento (Cost Report) detallando los costes de cada una de las piezas del vehículo incluyendo materiales y su procedencia. Esta prueba trata de enseñar la importancia del presupuesto en cualquier trabajo de ingeniería. Además del informe, los integrantes deberán responder ante un jurado justificando los costes y la fabricación del vehículo.
o Business Presentation:
El objetivo es evaluar la capacidad del equipo para desarrollar un modelo de negocio.
Es decir, la idea consiste en estudiar las líneas futuras del vehículo, estudiar si es susceptible de ser comercializado en función de su rentabilidad y aspectos económicos y técnicos.
1.3.3 Pruebas dinámicas
Las pruebas dinámicas son aquellas en las que se mide tanto la velocidad como la maniobrabilidad de los monoplazas.
Las pruebas dinámicas engloban 675 puntos del total, repartidos:
Eventos Dinámicos 675
Endurance 300
Autocross 150
Fuel economy 100
Acceleration 75
Skid Pad 50
o Endurance:
Es la prueba de mayor importancia en la competición. Consiste en dar vueltas en un circuito durante 22 km con una velocidad media entre 48 km/h y 57 km/h, compitiendo de cuatro en cuatro.
La prueba es realizada por dos pilotos diferentes cuyo cambio se produce en la mitad de la prueba, teniendo un tiempo para cambiarse de tres minutos aproximadamente.
o Autocross:
En esta prueba se estudia de manera global la capacidad de aceleración, frenada y capacidad de giro. La prueba son aproximadamente 800 metros de longitud, en los que se incluyen tramos rectos y curvos combinados con Slalom, que no permite velocidades medias mayores de 50 km/h.
A parte de ser la segunda prueba con mayor puntuación, el tiempo obtenido en el Autocross determina el orden de salida en el Endurance, siendo una prueba de gran importancia.
Figura 1: Ejemplo de prueba Skid Pad
o Fuel economy:
El consumo de combustible es importante en cualquier tipo de competición automovilística. Esta prueba se realiza después de la realización de la prueba de resistencia midiendo así el consumo del monoplaza.
o Acceleration:
Esta prueba mide únicamente la capacidad de aceleración del monoplaza en distancias cortas. En este caso consta de 75 metros en el que el jurado medirá el tiempo que tarda el vehículo.
o Skid Pad:
Este circuito está compuesto por dos circunferencias tangentes con forma de ocho.
Dichas circunferencias tienen 18,25 m de radio y 3 metros de ancho de vía. La prueba consiste en dar dos vueltas a una de las circunferencias y otras dos a la otra circunferencia. De esta manera se mide la habilidad del monoplaza en curva. La entrada y salida al circuito se realiza en la intersección entre las dos circunferencias. En esta prueba se penaliza por cada cono derribado.
1.4 Normativa general
Cada año se actualiza la Normativa de FSAE, la cual recoge todas las normas de la competición, tanto a nivel ingenieril y técnico, como a nivel administrativo, siendo este el que rige el método de puntuación en cada uno de los eventos.
Dentro de la misma normativa se incluyen dos apartados: uno en el que se incluyen todas las pautas sobre los vehículos de combustión interna “CV Internal Combustion Engine Vehicles”, y otro sobre los vehículos eléctricos “EV Electric Vehicles”.
Esta normativa concede a los participantes una libertad en el diseño cumpliendo unas normas que limitan en cierta medida dicha libertad de desarrollo. Es muy importante conocer bien la
Carlota Groczewski Perote 7 normativa, no solo porque tenga que ser cumplida estrictamente, sino porque también es necesario pasar un examen sobre ésta para participar en las competiciones.
El apartado “T General Technical Requirements” recoge todos los aspectos técnicos de la Normativa. Este artículo contiene diversos capítulos con las especificaciones técnicas necesarias del vehículo, desde los requisitos generales, diseño general del chasis, aerodinámica, etc. Entre ellos destacan el del tema que concierne al estudio que se va a realizar, y por tanto el apartado “T5 Brake System”.
T5 Brake System (Formula Student Rules 2019, 2019) : T5.1 Brake System - General
T5.1.1 “The vehicle must be equipped with a braking system that acts on all four wheels and is operated by a single control.”
El vehículo debe estar equipado con un sistema de frenos que actúe sobre las cuatro ruedas y sea operado por un solo control.
T5.1.2 “The brake system must have two independent hydraulic circuits such that in the case of a leak or failure at any point in the system, effective braking power is maintained on at least two wheels. Each hydraulic circuit must have its own fluid reserve, either by the use of separate reservoirs or by the use of a dammed reservoir.”
El sistema de frenos debe tener dos circuitos hidráulicos independientes de manera que, en caso de fuga o fallo en cualquier punto del sistema, la potencia de frenado efectiva se mantenga en al menos dos ruedas. Cada circuito hidráulico debe tener su propia reserva de fluido, ya sea mediante el uso de depósitos separados o mediante el uso de un depósito con represas.
T5.1.3 “A single brake acting on a limited-slip differential is acceptable.”
Un solo freno que actúa sobre un diferencial de deslizamiento limitado es aceptable.
T5.1.4 “Brake-by-wire systems are prohibited. In autonomous mode, it is allowed to use brake by wire.”
Los sistemas de freno por cable están prohibidos. Únicamente en modo autónomo, está permitido utilizar freno por cable.
T5.1.5 “Unarmored plastic brake lines are prohibited.”
Quedan prohibidas las líneas de freno de plástico sin armadura.
T5.1.6 “The braking system must be protected from failure of the drivetrain and from minor collisions.”
El sistema de frenos debe estar protegido contra el fallo del tren motriz y de colisiones menores.
T5.1.7 “In side view any portion of the brake system that is mounted on the sprung part of the vehicle must not project below the lower surface of the chassis.”
En vista lateral, cualquier parte del sistema de frenos que está montado en la parte suspendida del vehículo no debe sobresalir por debajo de la superficie inferior del chasis.
T5.1.8 “The brake pedal shall be designed to withstand a force of 2 kN without any failure of the brake system or pedal box. This may be tested by pressing the pedal with the maximum force that can be exerted by any official when seated normally.”
El pedal del freno debe estar diseñado para soportar una fuerza de 2 kN sin que el sistema de frenos o la caja de pedales sufran fallos. Esto se puede probar presionando el pedal con la fuerza máxima que puede ejercer cualquier oficial cuando está sentado normalmente.
T5.1.9 “The brake pedal must be fabricated from steel or aluminum or machined from steel, aluminum or titanium.”
El pedal del freno debe estar fabricado de acero o aluminio; o mecanizado de acero, aluminio o titanio.
T5.1.10 “[EV only] The first 90% of the brake pedal travel may be used to regenerate brake energy without actuating the hydraulic brake system, but brake energy regeneration may remain active.”
[Solo EV] El primer 90% del recorrido del pedal del freno se puede usar para regenerar la energía del freno sin accionar el sistema de freno hidráulico, pero la regeneración de la energía del freno puede permanecer activa.
T5.2 Brake Over-Travel Switch (BOTS)
T5.2.1 “A brake pedal over-travel switch must be installed on the vehicle as part of the shutdown circuit, as in EV 7 or CV 4.1. This switch must be installed so that in the event off a failure in one or both off the brake circuits the brake pedal over travel will result in the shutdown circuit being opened. This must function for all brake pedal and brake balance settings used to drive the vehicle.”
Se debe instalar un interruptor de sobrecarrera del pedal del freno en el vehículo como parte del circuito de apagado, como en EV 7 o CV 4.1. Este interruptor debe instalarse de modo que, en caso de que se produzca un fallo en uno o ambos circuitos de freno, la marcha en exceso del pedal de freno resulte en la apertura del circuito de apagado. Esto debe funcionar para todos los ajustes de pedal de freno y equilibrio de frenos utilizados para conducir el vehículo.
Carlota Groczewski Perote 9 T5.2.2 “Repeated actuation of the switch must not close the shutdown circuit, and it must be designed so that the driver cannot reset it.”
La activación repetida del interruptor no debe cerrar el circuito de apagado, y debe diseñarse de modo que el conductor no pueda restablecerlo.
T5.2.3 “The switch must be implemented with analog components, not incorporating programmable logic controllers, engine control units, or similar functioning digital controllers.”
El interruptor debe implementarse con componentes analógicos, que no incorporen controladores lógicos programables, unidades de control del motor o controladores digitales similares que funcionen.
T5.2.4 “The brake over travel switch must be a mechanical single pole, single throw (commonly known as a two-position) switch (push-pull or flip type).”
El interruptor del freno sobre el recorrido debe ser un interruptor mecánico de un solo polo, tiro único (comúnmente conocido como dos posiciones) (tipo push-pull o flip).
T5.3 Brake Light
T5.3.1 “The vehicle must be equipped with one light that meets the following requirements:
• A red light with a black background
• Rectangular, triangular or near round shape
• Minimum shining surface of 15 cm2
• Clearly visible from the rear in very bright sunlight
• When LED lights are used without a diffuser, they may not be more than 20 mm apart
• If a single line of LEDs is used, the minimum length is 150 mm.”
El vehículo debe estar equipado con una luz que cumpla con los siguientes requisitos:
• Una luz roja con fondo negro.
• Forma rectangular, triangular o casi redonda.
• Superficie mínima brillante de 15 cm2.
• Claramente visible desde la parte trasera con luz solar muy brillante.
• Cuando las luces LED se usan sin un difusor, no pueden estar separadas por más de 20 mm
• Si se utiliza una sola línea de LED, la longitud mínima es de 150 mm.
T5.3.2 “In side view the brake light must be orientated vertical or near vertical and mounted between the wheel centerline and driver’s shoulder level. Viewed from the back is should be positioned approximately at the vehicle’s centerline.”
En vista lateral, la luz de freno debe estar orientada vertical o casi vertical y montada entre la línea central de la rueda y el nivel del hombro del conductor. Visto desde la parte posterior debe colocarse aproximadamente en la línea central del vehículo.
Carlota Groczewski Perote 11 2. OBJETIVOS
El presente proyecto se presenta como Trabajo de Fin de Carrera en la Universidad Politécnica de Madrid, en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, y tiene por objeto el diseño y la optimización del sistema de frenada de un vehículo monoplaza, para su posterior fabricación y montaje en el Monoplaza UPM Racing 18 de tracción eléctrica.
Para ello, se consideran los siguientes objetivos de cara a la realización del proyecto:
o Análisis previo del neumático que utilizará el monoplaza: Consistirá en un análisis completo de una serie de ensayos proporcionados por la TTC2 (Tire Test Consortium) de un conjunto de neumáticos de diferentes características entre los que se encuentran los que se montarán en el monoplaza.
o Ensayos: Se realizarán y analizarán los datos de una serie de ensayos reales realizados tanto en estático como en movimiento, para conocer el funcionamiento de los sistemas de frenos de los vehículos de competición y el rango de operatividad de las presiones de estos sistemas. La adquisición y el análisis de datos se realizará con ayuda del programa AIM Race StudioÓ.
o Diseño del modelo: Una vez llegados a este punto comenzará el verdadero diseño del sistema de frenos. Se centrará en encontrar las mejores soluciones, elementos y diseños para el sistema, de cara a cumplir con los requerimientos necesarios en un sistema de frenos de competición. A lo largo de este proceso, aparecerán diferentes dificultades relacionadas principalmente con los cambios en el tamaño del monoplaza con respecto a los precedentes, en concreto de las llantas, lo que supondrá una serie de limitaciones geométricas que acotarán las opciones en el diseño. Junto con los objetivos técnicos, se deberá de encontrar un equilibrio con los objetivos económicos del equipo.
o Verificación del diseño: De la mano del diseño del modelo y la elección de componentes, irá una constante verificación de la validez de los elementos con los cálculos pertinentes para asegurar el correcto funcionamiento del sistema de frenos en un vehículo de competición. Es decir, el monoplaza que se diseña deberá tener la capacidad de controlar la velocidad del vehículo, así como de detenerlo si se desease, y, dentro de la competición, deberá ser capaz de superar la prueba del Brake, para la cual debe de bloquear simultáneamente las cuatro ruedas.
o Optimización del diseño: Finalizado el diseño, se intentará llevar a cabo su optimización de manera que el diseño final esté listo para su implementación y utilización en el vehículo. Para ello, se tratará de perfeccionar el diseño de los discos de freno, si este lo permitiese, realizando una serie de taladros que reducirán su masa y ayudarán a la limpieza de estos. Este apartado se realizará con la ayuda de ANSYSÓ.
o Diseño del modelo tridimensional en CATIAÓ: Por último, se desarrollarán todos los componentes del diseño final del sistema de frenos en el programa de CAD. Con esto,
se conseguirá un entorno de trabajo para todo el equipo mediante el cual se puede delimitar el espacio ocupado por cada una de las partes del vehículo y finalmente tener el diseño final del vehículo completo.
Carlota Groczewski Perote 13 3. METODOLOGÍA
Una vez marcados los objetivos, se procede a describir cómo se van a conseguir estos. En este capítulo se van a enumerar las diferentes etapas del proyecto que se han llevado a cabo para cumplir con los objetivos. Asimismo, se detallarán todas las herramientas utilizadas.
1. En primer lugar, es necesario el conocimiento del entorno, por lo que la primera etapa consiste en un periodo de aclimatación dentro del equipo, así como de adquisición de conocimientos sobre el tema que compete.
2. De manera paralela, se va a comenzar el análisis de los ensayos proporcionados por la TTC2. Esto se realiza en conjunto con la división de dinámica, lo cual ayuda a desarrollar la etapa anterior conociendo mejor el entorno y la metodología de trabajo.
Este análisis consiste en estudiar los parámetros característicos de un conjunto de neumáticos entre los que se encuentra el que será montado en el monoplaza. Esto tiene como objeto conocer bien las características de los neumáticos, en concreto el del monoplaza, para poder defender su elección en la competición, conociendo tanto sus aspectos positivos como negativos. De cara al proyecto, algunos de los resultados de este análisis resultan interesantes y serán relacionados con el sistema de frenada.
3. Para conocer correctamente el sistema que se va a diseñar, es importante comprender su funcionamiento. Para ello, se va a realizar un ensayo completo en estático sobre el vehículo precedente. El objeto del ensayo consistirá en medir la presión de las líneas de frenos ante diferentes fuerzas aplicadas en el pedal. Esto ayudará a conocer los niveles de presión aproximados que existen en los sistemas de frenos ante diferentes frenadas. Para ello, se medirá la presión en tres puntos representativos con ayuda del software AIM Race Studio Analysis. Este programa es capaz de medir y adquirir los voltajes medidos en tres sensores montados en los puntos característicos. Una vez medido el voltaje no habrá más que convertir los valores en presión con ayuda de las especificaciones técnicas de los sensores utilizados. Conocidos y analizados los datos medidos en este ensayo, se procederán a analizar, para su posterior comparación, los datos proporcionados de unos ensayos reales realizados en movimiento. Al tratarse de ensayos en movimiento las presiones obtenidas en las líneas de frenos podrán superar los obtenidos en estático, ya que las condiciones tanto del piloto como del vehículo, que tiene una cierta velocidad, no son las mismas. Finalizada esta etapa, se conocerá con mayor profundidad el funcionamiento de este tipo de sistemas, además de los intervalos de trabajo.
4. Para el diseño del modelo, habrá que estudiar todos los elementos que forman parte de este tipo de sistemas, y elegir los componentes cumpliendo los objetivos técnicos, geométricos y económicos del equipo. Para verificar la validez de las decisiones tomadas, se va a hacer uso de la herramienta Excel. Esto se debe a que son necesarios numerosos cálculos para la comprobación, y mediante esta herramienta se pueden realizar diferentes hojas de cálculo incluyendo todos ellos, para así poder introducir todos los cambios a medida que se toman decisiones. Es decir, durante el diseño, se van
a producir cambios tanto dentro del propio diseño del sistema de frenos, como cambios en otras divisiones que pueden afectar a este, siendo este un periodo de iteraciones.
5. Finalizado el diseño se procederá a su optimización, si fuese posible. Para ello, se va a utilizar la herramienta ANSYS. Este software de simulación sirve para predecir como funcionará y reaccionará determinado producto bajo un entorno real. Primero, será necesario realizar el modelo. Sobre este, se establecerá la malla de elementos. Todos los modelos deben de tener un material asignado. Una vez realizado esto, se procede a la aplicación de las cargas y sujeciones pertinentes, para efectuar el cálculo de las soluciones.
6. Por último, se debe realizar un modelo tridimensional de diseño CAD. El programa CAD utilizado es la versión V5-6R2016 de CATIA STUDENT.
Para el uso de esta herramienta se ha implementado en UPM Racing la metodología Skeleton. Esta metodología consiste en un modelo CAD tridimensional del vehículo completo, dividiéndolo en los diferentes módulos de trabajo. Cada módulo de trabajo incluye diferentes superficies, planos, ejes, sistemas de referencia, puntos característicos, etc. De esta manera, se seleccionará el módulo de trabajo correspondiente, para ser exportado a un “Part Body” y trabajar de forma más sencilla e individual, con la posterior posibilidad de unir todos los módulos de trabajo.
Carlota Groczewski Perote 15 4. SISTEMAS DE FRENADO EN COMPETICIÓN
Debido a que el sistema de frenos de los vehículos de competición puede variar mucho en función del tipo de vehículo, es muy difícil establecer un patrón que defina como es un sistema de frenos en estos vehículos. No solo es importante conocer el tipo de vehículo, sino también su aplicación. No es lo mismo si se trata de un automóvil con una aplicación a circuito o una aplicación off-road.
También hay que tener en cuenta la gran variedad de tipos de competiciones, no solo de vehículos, sino también de motocicletas, las cuales son interesante considerar, ya que los elementos relacionados con el sistema de frenos de este vehículo se pueden ajustar perfectamente a los de las motocicletas.
Como es de esperar, el objetivo principal de cualquier sistema de frenos consiste en tener la capacidad de decelerar el vehículo como y cuando se requiera, hasta detenerlo si así se desease.
Sin embargo, el sistema de frenos no debe verse únicamente como un sistema de seguridad, sino que también puede servir para que el vehículo sea más rápido, ya que, al aumentar su capacidad de frenado, más tarde puede frenar el coche y por tanto perderá menos tiempo en las frenadas, para entrar en una curva o evitar un obstáculo, por ejemplo.
El sistema de frenos de un Formula Student debe estar diseñado de manera que consiga superar las pruebas de la competición, tanto de seguridad, como los eventos dinámicos. Se trata de un vehículo con una masa de 250 kg aproximadamente, utilizando un motor de 4 tiempos y de 600 cc con potencias que pueden alcanzar valor de hasta 70 y 90 CV. Debido a esto, el vehículo que se va a construir no va a tener un comportamiento sencillo, debido al poco peso y la rápida capacidad de aceleración que va a tener. El piloto, por tanto, debe estar preparado para soportar este tipo de comportamiento, sobretodo en las frenadas, donde va a tener que soportar fuerzas muy elevadas.
El sistema está formado por diferentes elementos que van a transmitir el esfuerzo de contacto necesario para frenar el vehículo: los elementos mecánicos. Cuanto mayor sea ese esfuerzo que se transmite, mayor será la capacidad de deceleración del sistema. Debido a que el único parámetro sobre el que no se puede actuar es la adherencia entre el neumático y la calzada, se va a diseñar el sistema de manera que este sea el límite para nuestra frenada.
Por tanto, una vez estimada la deceleración que se puede alcanzar por el vehículo se realizará el dimensionamiento para que dicha deceleración se pueda alcanzar con los elementos de fricción del sistema.
Además, la energía cinética del vehículo cuando éste decelera se disipa en forma de calor, debido a la fricción entre un elemento móvil solidario al movimiento de la rueda, con un movimiento fijo.
Por este motivo, las magnitudes mecánicas anteriormente mencionadas, se van a calentar de manera importante, siendo necesario hacer un estudio pertinente, para evitar la fatiga térmica, la cual se producirá debido a un calentamiento excesivo de los elementos del sistema produciendo una pérdida de efectividad del sistema de frenado.
Figura 2: Ejemplo de sistema de frenos de un Formula 1 (VirutasF1, 2018)
Para evitar un sobrecalentamiento de los elementos del sistema se debe actuar de dos maneras diferentes: con una correcta refrigeración del sistema, y con la utilización de elementos más resistentes a la temperatura.
En cuanto a la refrigeración, se debe proporcionar una ventilación adecuada para los rotores y las pinzas. El aire debe conducirse directamente al rotor y, opcionalmente, el chorro de aire puede dirigirse a la pinza de freno si fuera necesario. Como los frenos delanteros hacen la mayor parte del trabajo, enfriarlos es lo más importante. Dependiendo de la aplicación, también puede ser necesario un enfriamiento posterior.
El aire de enfriamiento del freno debe tomarse desde una ubicación de alta presión. Para ser efectivo, los conductos deben usar una manguera de diámetro mínimo de 3 pulgadas a menos que el conducto sea muy corto. (Miliken, 1995)
En cuanto al material de los elementos, existen algunos más resistentes a la temperatura, como puede ser la cerámica, que es capaz de soportar temperaturas superiores a 1500ºC. Para ello, cabe destacar que no solo son importantes los elementos de fricción, sino también los elementos de sustentación, ya que todo el conjunto sufrirá el aumento de temperatura.
En competición son importantes ambos caminos mencionados para conseguir que la temperatura de trabajo sea adecuada para el sistema.
Carlota Groczewski Perote 17
Figura 3: Elementos de los frenos de tambor (Aficionados a la mecánica, 2019)
4.1 Tipos de sistemas de frenos
Como se ha mencionado anteriormente, los sistemas de frenos están compuestos por una parte móvil, solidaria al movimiento de las ruedas, y otra parte fija. Según los elementos empleados y según la forma del desplazamiento, se pueden distinguir dos tipos de sistemas de frenos:
Frenos de Tambor y Frenos de Disco.
Las dos alternativas presentan diferentes ventajas y desventajas en función de cada vehículo, por lo que se siguen utilizando los dos tipos hoy en día. En el caso de los frenos de tambor, la parte fija corresponde a las zapatas y la parte móvil al tambor. En los frenos de disco, las pastillas están fijas mientras que el disco se encuentra en movimiento.
4.1.1 Frenos de Tambor
Como ya se ha mencionado, los frenos de tambor tienen una parte móvil montada sobre el buje de la rueda, que es el tambor, y por tanto la que va a recibir la mayor parte del calor; y el plato de freno, que es la parte fija, sujeta a la mangueta, donde se encuentran las zapatas.
A continuación, se van a describir con mayor profundidad los elementos que aparecen en los frenos de tambor, los cuales se pueden observar en la Figura 3.
o Tambor: constituye el elemento giratorio. Debido a que es el elemento que absorbe la mayor cantidad de calor, el material que se utiliza para este elemento debe resistir bien las altas temperaturas, siendo este la fundición gris perlítica con grafito esferoidal.
Además, tiene unos taladros en la parte central para la sujeción del tambor con la rueda.
o Plato de freno: constituye a la parte móvil del sistema, fijo sobre la mangueta. Se trata de un plato portafrenos donde se colocan tanto el bombín de accionamiento hidráulico como las zapatas, junto con el resto de los elementos de fijación. Estas se unen por un extremo al bombín y a un soporte fijo por el otro extremo. Para que las zapatas puedan
Figura 4: Esquema interno de un plato de freno (Aficionados a la mecánica, 2019)
Figura 5: Zapata de freno de tambor
desplazarse para aproximarse al tambor y mantenerlas fijas en su desplazamiento axial, se unen al plato mediante un sistema elástico formado por un pasador y un muelle.
o Zapatas: formadas por dos chapas de acero soldadas con forma de media luna. Estas están recubiertas en su parte exterior por los forros de freno, los cuales se encargan de realizar el frenado por fricción.
o Bombines: se encargan del desplazamiento lateral de las zapatas, para realizar el frenado. En función de la finalidad y de la clase de freno, se distinguen tres tipos de bombines diferentes:
- Bombín de doble pistón - Bombín de émbolo único - Bombín de cilindros escalonado
Dentro de los frenos de tambor, se pueden distinguir distintos tipos según la forma en la que las zapatas se acoplan al tambor. (autonoción, 2018)
o Tambor Simplex: tiene un funcionamiento muy sencillo. En el frenado, la zapata primaria se apoya en el tambor en contra del giro generando una presión sobre el. Las zapatas van montadas sobre el plato y se accionan sobre un único bombín de doble
Carlota Groczewski Perote 19
Figura 6: Freno de tambor Simplex
Figura 7: Freno de tambor Dúplex (Aficionados a la mecánica, 2019)
pistón. Es el tipo más utilizado, sobretodo para las ruedas traseras. No es el sistema más eficaz de todos, pero destaca por su gran estabilidad frente al coeficiente de rozamiento.
o Tambor Dúplex: en este tipo ambas zapatas son primarias, consiguiendo así una fuerza de frenado mayor. Al contrario que en el modelo anterior, la presión es la misma en los dos lados ya que las zapatas están accionadas por un doble bombín. Este sistema es muy eficaz, pero en contrapartida también resulta muy sensible a la variación del coeficiente de rozamiento.
o Tambor Twinplex: se trata de una variante del anterior, excepto que los puntos de apoyo de las zapatas son flotantes en lugar de fijos. Debido a un sistema de articulaciones, se consiguen acoplar al tambor en toda su superficie por lo que ejercen una presión uniforme sobre el tambor. Dependiendo del sentido de giro, ambas zapatas pueden ser secundarias o ambas primarias.
o Tambor Dúo-servo: este tipo aumenta el efecto de antibloqueo por tener dos zapatas en serie, ambas primarias. Como en el tipo dúplex, se consigue una eficacia alta, pero gran sensibilidad a la variación de coeficiente de rozamiento.
Figura 8: Freno de tambor dúo-servo
Figura 9: Elementos de los frenos de discos (autonoción, 2018)
4.1.2 Frenos de Discos
Este tipo de sistema de frenos es el más utilizado en la mayoría de los automóviles de la actualidad. Esto se debe principalmente, a que, debido a que tienen una capacidad de frenada mayor, supone un menor tiempo de frenada y por tanto menor distancia de frenada.
La ventaja principal de los frenos de discos consiste en una mayor evacuación del calor. Al estar los discos montados al aire, mejora considerablemente la refrigeración. Por este motivo, se consigue eliminar el gran problema del fading. Este efecto aparece en frenadas muy agresivas, en las que en los frenos de tambor el tambor se dilata y provoca que, al estar las zapatas fuera de contacto con la superficie de adherencia, el vehículo se encuentre temporalmente sin frenos. Sin embargo, en los discos de frenos, debido a la mejor refrigeración, no ocurrirá dicha dilatación, y en caso de que se produjese, dicha dilatación aproximaría el disco a las pastillas, produciendo una frenada mayor.
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Figura 10: Esquema de un freno de disco con pinza fija
Como se puede observar en la Figura 9, la construcción es mucho más sencilla que en los frenos de tambor. A continuación, aparecen descritos los elementos que lo componen.
o Disco de freno: es la parte móvil, solidaria al movimiento de la rueda, con mismo sentido y velocidad que ésta. Generalmente están fabricados de acero, aunque existen alternativas de carbono, sobretodo en los coches de competición. Existen distintos diseños de discos, que incluyen ventilaciones, perforaciones o estrías.
o Pinza de freno: es el elemento fijo dentro del cual va colocado el disco. En ellas, se encuentran las pastillas que serán accionadas por cilindros hidráulicos.
o Pastillas de freno: son las encargadas de realizar la fricción para conseguir la deceleración del vehículo. Existen numerosos materiales destinados a las pastillas de freno y el número de pastillas utilizadas en cada pinza depende del tipo de ésta.
En este tipo de frenos también existen distintos subtipos en función de la sujeción de la pinza:
(Aficionados a la mecánica, 2019)
o Freno de pinza fija: la pinza va sujeta de manera que permanece fija durante el frenado.
Las pastillas de freno son apretadas contra el disco por los pistones sobre los que actúa una presión hidráulica para conseguirlo. Las pinzas pueden ser de dos o de cuatro pistones de doble acción. Los frenos de pinza fija son muy sólidos, siendo muy adecuados para vehículos rápidos y pesados.
o Freno de pinza oscilante: esta alternativa sujeta la pinza mediante un perno, sirviendo este de eje de giro. Al accionar el pistón la pinza se desplaza en dirección opuesta a la del pistón, debido al giro producido alrededor del perno, haciendo que la propia pinza empuje a la otra pastilla.
Figura 11: Esquema de un freno de disco con pinza oscilante
Figura 12: Esquema de un freno de disco con pinza flotante
o Freno de pinza flotante o de reacción: este tipo únicamente utiliza un pistón. Cuando se acciona aprieta la pastilla contra el disco con una fuerza que genera una fuerza opuesta de reacción que desplaza la pinza apretando la otra pastilla contra el disco.
4.2 Tendencias en competición
Una vez estudiados los distintos tipos de sistemas de freno, se analizan los utilizados en competición. Como es bien sabido, todos los vehículos de competición utilizan los frenos de discos.
Esto se debe principalmente a que, como se ha mencionado anteriormente, estos tienen una capacidad de refrigeración mucho mayor que los frenos de tambor, lo que provoca que tengan una mayor disipación del calor. Gracias a ello, los frenos de discos son capaces de frenar disminuyendo tanto el tiempo de frenado como la distancia de frenada, aspectos muy positivos en este tipo de vehículos.
Carlota Groczewski Perote 23 Existen diferentes posibilidades en cuanto a su disposición. La solución más utilizada en competición es el uso de frenos de discos en las cuatro ruedas, aunque también existe la posibilidad de poner un solo disco en el eje trasero.
En cuanto al material utilizado en la fabricación de los discos de freno, este puede variar mucho en función de los requerimientos. Los materiales más utilizados para los discos convencionales son los aceros o fundiciones. Sin embargo, en competiciones más complicadas y de mayor nivel se utilizan otros materiales más complejos ya que el acero y las fundiciones no cumple con las necesidades. Por ejemplo, un Fórmula 1 utiliza materiales para el sistema de frenos que se alejan mucho de los convencionales. En vez de utilizar un disco de frenos de acero o fundición gris y unas pastillas orgánicas, utiliza un material llamado carbono-carbono tanto para el disco de freno como para la pastilla. Este material además de ser muy ligero tiene una fricción que puede llegar a duplicar la fricción de las pastillas convencionales (aproximadamente tiene valores de 0.3). El problema de este tipo de materiales, y el motivo por el que solo se utilizan en grandes competiciones, en su elevado coste. Los tiempos y la complejidad de fabricación son muy elevados, haciendo que el coste de fabricación pueda llegar a duplicar aquel con materiales convencionales. Además, este material sufre un desgaste mucho mayor y un proceso de oxidación, incrementando de nuevo su coste.
Como se ha mencionado antes, la refrigeración del sistema de frenos es muy importante, por lo que también se va a llevar a cabo en los vehículos de competición. En los coches de competición van a existir dos tipos de refrigeración, tanto mediante conductos de aire, como con perforaciones en la superficie de los discos.
Por tanto, la refrigeración se puede controlar con el tamaño de los conductos, ya que cuanto mayor sea este mayor será la cantidad de aire que llegue a los frenos. Sin embargo, al aumentar el tamaño de los conductos también se produce un aumento de resistencia aerodinámica, y, por tanto, una pérdida de velocidad.
Es decir, conseguir un correcto rendimiento de los frenos supone un aumento de la resistencia aerodinámica y por tanto una reducción de la eficacia aerodinámica. Por este motivo, el objetivo en un Fórmula 1 es encontrar el equilibrio entre una buena frenada y poca pérdida aerodinámica.
Por tanto, se puede concluir, que el sistema de frenos de los vehículos de competición difiere en gran medida de el de los turismos.
En los turismos, el sistema de frenos, siguiendo una normativa, únicamente sirve como elemento de seguridad, cuyos objetivos son una alta fiabilidad y larga duración, cumpliendo con la normativa. Sin embargo, en los vehículos de competición de alto nivel, no solo consiste en un elemento de seguridad, sino que es determinante para el funcionamiento dinámico, ya que puede hacer que el vehículo sea más rápido, tardando menos tiempo en frenar, sin importar la duración.
Otra gran diferencia reside en la importancia del peso en los vehículos de competición, ya que esto favorece a la dinámica, no siendo un factor relevante en los coches convencionales.
Figura 13: Masas suspendidas y no suspendidas (Ingemecánica, 2018)
Todo lo descrito, muestra las diferencias entre un vehículo convencional y uno de competición de muy alto nivel como es un Fórmula 1, existiendo un abanico de posibilidades entre ambos extremos, como puede ser el vehículo de competición de FSAE.
4.3 Masas no suspendidas
Al analizar todos los elementos contenidos en un vehículo de competición y sus masas, se pueden distinguir entre las masas suspendidas y las no suspendidas. Su diferencia consiste en si están o no sometidas a la acción de la suspensión.
Las masas no suspendidas son aquellas que no se encuentran sometidas a la acción de la suspensión. Es la suspensión la que se apoya en ellas.
Las masas no suspendidas son:
- Bujes - Llantas - Neumáticos - Manguetas - Discos - Pinzas - Rodamientos
