UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA PORTÁTIL
AUTOMÁTICO PARA EL ANÁLISIS DE LA RECTIFICACIÓN DE
DISCOS DE FRENO DE HIERRO FUNDIDO”
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO
AUTOMOTRIZ
EDWIN ALBERTO DÍAZ PROAÑO
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO
DECLARACIÓN
Yo EDWIN ALBERTO DÍAZ PROAÑO, declaro que el trabajo aquí descrito
es de mi autoría; que no ha sido previamente presentando para ningún
grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________
EDWIN ALBERTO DÍAZ PROAÑO
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e
implementación de un sistema portátil automático para el análisis de la rectificación de discos de freno de hierro fundido”, para aspirar al título
de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Edwin Díaz, bajo mi dirección
y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las
condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos
18 y 25.
_________________________
ING. EDWIN TAMAYO
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
A Dios por darme la oportunidad de ser mejor cada día y permitirme estudiar
en esta prestigiosa Universidad, así como al personal docente, que me ha
brindado los conocimientos necesarios para hacer de mi un destacado
profesional.
A mis hermanos y especialmente a mis padres porque sin ellos nada de esto
hubiera logrado, ya que estuvieron siempre conmigo apoyándome en todo lo
posible, ciertos casos regañándome pero es parte del proceso para poder
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por haberme llenado de bendiciones, así como por
haberme guiado a lo largo de mi carrera universitaria.
En todo el largo proceso que tomo este proyecto hubo mucha gente que
estuvo siempre conmigo apoyándome, pero quiero agradecer algunos
talleres que me brindaron su espacio y apoyo, a los profesores que con su
paciencia lograron impartir sus conocimientos y destrezas para hacer de mi,
una persona íntegra y profesional.
A mi familia entera que en todo momento fue el pilar fundamental,
guiándome por el camino del bien y haciendo lo imposible para que yo
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... xii
ABSTRACT ... xiv
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 5
2.1 SISTEMA DE FRENADO ... 5
2.1.1 COMPONENTES DEL SISTEMA DE FRENADO ... 6
2.1.2 SISTEMA HIDRÁULICO DE FRENADO ... 6
2.1.3 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE FRENADO ... 6
2.1.4 LÍQUIDO DE FRENO ... 8
2.2 FRENOS DE DISCO Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ... 10
2.3 ELEMENTOS Y CARACTERISTICAS DE LOS DISCOS DE FRENO 11 2.3.1 PARTES DEL SISTEMA DE FRENOS DE DISCO ... 11
2.3.1.1 Disco de freno ... 11
2.3.1.2 Soporte de la mordaza ... 12
2.3.1.3 Broche de sujeción ... 12
2.3.1.4 Pastillas ... 12
2.3.1.5 Mordaza de freno ... 13
2.4 DISCO DE FRENO ... 14
2.4.1 GEOMETRÍA DEL DISCO DE FRENO ... 15
2.5 TIPOS DE DISCO DE FRENO ... 16
2.5.1 CLÁSICOS (MACIZOS) ... 16
2.5.2 DISCOS VENTILADOS ... 17
ii
2.5.4 DISCOS ESTRIADOS ... 18
2.5.5 DISCOS CERÁMICOS ... 19
2.6 FUERZA DE FRENADO ... 20
2.6.1 FUERZA DE FRICCIÓN ESTÁTICA ... 21
2.6.2 FUERZAS DE FRENADO EN EL MANDO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO PRINCIPAL DE FRENOS ... 23
2.7 ANOMALÍAS ASOCIADOS A LOS DISCOS DE FRENOS ... 24
2.7.1 DISCO DE FRENO ALABEADO ... 25
2.7.2 DISCO DE FRENO ROTO ... 25
2.7.3 MONTAJE INCORRECTO DE LA MORDAZA ... 26
2.7.4 EXCESIVA HOLGURA DE LOS RODAMIENTOS DEL BUJE ... 27
2.7.5 TEMPERATURA EXCESIVA ... 27
2.7.6 DESGASTE POR ENCIMA DEL LÍMITE MÁXIMO ... 28
2.7.7 DISCOS AGRIETADOS ... 29
2.7.8 DESGASTE DE LOS DISCOS DEBIDO AL DESGASTE TOTAL DE LAS PASTILLAS ... 29
2.7.9 SURCOS Y RAYAS PROFUNDAS ... 30
2.7.10 DEPÓSITOS DE MATERIAL DE FRICCIÓN EN LOS DISCOS. 31 2.8 MANTENIMIENTO FRENO DE DISCO ... 32
2.8.1 MANTENIMIENTO PREVENTIVO ... 32
2.8.2 MANTENIMIENTO CORRECTIVO ... 33
2.9 RECTIFICADO DE DISCOS DE FRENO ... 33
2.9.1 OPERACIONES DE RECTIFICADO ... 34
2.9.2 TOLERANCIAS EN EL RECTIFICADO DE LOS DISCOS DE FRENO ... 35
2.9.3 VERIFICACIÓN Y COMPROBACIÓN DEL RECTIFICADO ... 36
iii
2.10.1 MÁQUINAS RECTIFICADORAS FIJAS ... 37
2.10.2 MÁQUINAS RECTIFICADORAS PORTÁTILES ... 38
2.11 EL TORNO... 38
2.11.1 COMPONENTES DEL TORNO ... 39
2.11.2 FUNCIONAMIENTO DEL TORNO ... 40
2.11.3 OPERACIONES EN EL TORNO ... 40
2.12 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE CALIDAD SUPERFICIAL DEL DISCO ... 41
2.12.1 RELOJ COMPARADOR ... 41
2.12.2 APLICACIONES PRÁCTICAS ... 42
3. METODOLOGÍA ... 44
3.1 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS ... 44
3.1.1 RESISTENCIA DE MATERIALES ... 44
3.1.2 TIPOS DE ESFUERZOS ... 45
3.1.2.1 Esfuerzos debido a cargas axiales ... 45
3.1.2.1.2 Esfuerzo cortante promedio ... 46
3.1.2.2 Esfuerzos cortantes por torsión ... 46
3.1.2.3 Esfuerzos normales y cortantes por flexión ... 47
3.1.2.4 Esfuerzos principales ... 48
3.1.2.5 Teorías de fallas ... 49
3.1.2.6 Factor de seguridad (n) ... 50
3.1.2.7 Deflexión en vigas ... 50
3.1.2.7.1 Ecuación diferencial de la elástica ... 50
3.2 DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA PORTÁTIL ... 52
3.2.1 PARÁMETROS DE DISEÑO ... 53
iv
3.3.1 MEDIDAS DE LOS DISCOS DE FRENO ... 55
3.3.2 SELECCIÓN DE LOS MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA BASE DEL DISCO ... 55
3.3.3 PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN PARA UNIR EL CUERPO 1 + EL CUERPO 2 ... 58
3.3.4 PROCESO DE TALADRADO DE LA BASE DEL DISCO ... 60
3.3.5 ANÁLISIS DE FUERZAS Y DIMENSIONES EN LA BASE DEL DISCO ... 62
3.3.6 CÁLCULO DE REACCIONES ... 64
3.3.7 DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE (V) Y MOMENTO FLECTOR (M) EN LA BASE DEL DISCO ... 64
3.3.8 CÁLCULO DEL ESFUERZO NORMAL POR FLEXIÓN EN EL EJE DE LA BASE DEL DISCO ... 67
3.3.9 CÁLCULO DE LA DEFLEXIÓN MÁXIMA DEL EJE DE LA BASE DEL DISCO... 68
3.3.10 CÁLCULO DE LA DEFLEXIÓN MÁXIMA ... 70
3.3.11 DISPOSITIVO PORTATIL ... 71
3.3.12 BASE DEL COMPROBADOR ... 71
3.3.13 BRAZO MÓVIL ... 73
3.3.14 SUJETADOR Y TUERCA ... 76
3.3.15 ANÁLISIS DE FUERZAS Y DIMENSIONES EN LA BASE DEL RELOJ ... 77
3.3.16 CÁLCULO DE REACCIONES ... 78
3.3.17 DIAGRAMAS DE FUERZA CORTANTE (V); MOMENTO FLECTOR (M); PAR TORSOR (T) ... 82
3.3.18 CÁLCULO DEL ESFUERZO NORMAL MÁXIMO POR FLEXIÓN ... 84
v
TORSIÓN ... 85
3.3.20 CÁLCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD ... 86
3.3.21 CÁLCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD EN EL EJE DE LA BASE DEL RELOJ ... 87
3.3.22 CÁLCULO DE LA DEFLEXIÓN MÁXIMA EN LA BASE DEL RELOJ ... 87
3.3.23 CÁLCULO DE LA DEFLEXIÓN MÁXIMA ENTRE APOYOS DE LA BASE DEL RELOJ ... 90
3.3.24 BRAZO DE AGARRE DEL COMPARADOR ... 92
3.3.25 ANÁLISIS DE FUERZAS Y DIMENSIONES DEL BRAZO DE AGARRE DEL RELOJ ... 95
3.3.26 CÁLCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD ... 98
3.3.27 DEFLEXIÓN MÁXIMA EN EL BRAZO AGARRE DEL RELOJ ... 99
3.4 TRATAMIENTO SUPERFICIAL ... 102
3.4.1 PROCESO GALVANIZADO DE LAS PIEZAS ... 102
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS ... 105
4.1 PROCESO DE MONTAJE ... 105
4.1.1 PROCEDIMIENTO DE MONTAJE ... 105
4.2 PROTOCOLO DE PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ... 109
4.3 PARÁMETROS DE REFERENCIA PARA LAS PRUEBAS ... 110
4.4 PRUEBA 1 EN DISCOS DE FRENO CHEVROLET SAIL ... 110
4.4.1 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS CHEVROLET SAIL ... 111
4.5 PRUEBA 2 EN DISCOS DE FRENO CHEVROLET AVEO EMOTION ... 113
vi
4.6 PRUEBA 3 EN DISCOS DE FRENO KIA RIO ... 115
4.6.1 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS KIA RIO .... 116
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 120
5.1 CONCLUSIONES ... 120
5.2 RECOMENDACIONES ... 121
6. BIBLIOGRAFÍA ... 123
vii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
TABLA 1. PUNTOS DE EBULLICIÓN LÍQUIDOS DE FRENO ... 9
TABLA 2. PROPIEDADES DE LOS DISCOS DE FRENO ... 15
TABLA 3. VALORES DEL COEFICIENTE DE ADHERENCIA ... 23
TABLA 4.TOLERANCIAS FUNDAMENTALES EN MICRÓMETROS ... 35
TABLA 5.PARÁMETROS DE DISEÑO ... 54
TABLA 6.CÁLCULOS DEL DISCO 1CHEVROLET SAIL ... 112
TABLA 7.CÁLCULOS DEL DISCO 2CHEVROLET SAIL ... 112
TABLA 8.CÁLCULOS DEL DISCO 1CHEVROLET AVEO EMOTION ... 114
TABLA 9.CÁLCULOS DEL DISCO 2CHEVROLET AVEO EMOTION ... 115
TABLA 10.CÁLCULOS DEL DISCO 1KIA RIO ... 117
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
FIGURA 1.SISTEMA DE FRENADO DE UN VEHÍCULO ... 5
FIGURA 2.COMPONENTES DEL SISTEMA DE FRENOS HIDRÁULICO ... 8
FIGURA 3.VISCOSIDAD LIQUIDO DE FRENO DOT 4 ... 10
FIGURA 4.ESQUEMA COMPONENTES FRENO DE DISCO ... 11
FIGURA 5.PASTILLA DE FRENO ... 13
FIGURA 6.GEOMETRÍA DEL DISCO DE FRENO ... 15
FIGURA 7. DISCO DE FRENO MACIZO ... 17
FIGURA 8. DISCO DE FRENO VENTILADO ... 17
FIGURA 9. DISCOS DE FRENO PERFORADOS ... 18
FIGURA 10. DISCO DE FRENO ESTRIADO ... 19
FIGURA 11. DISCO DE FRENO CERÁMICO ... 20
FIGURA 12.FUERZAS DE FRICCIÓN DEL AUTOMÓVIL ... 21
FIGURA 13.FUERZAS EN EL PEDAL DE FRENO ... 24
FIGURA 14.DISCO DE FRENO ALABEADO ... 25
FIGURA 15.DISCO DE FRENO ROTO ... 26
FIGURA 16.DISCO DEFECTUOSO POR INCORRECTO MONTAJE DE LA MORDAZA ... 26
FIGURA 17.DISCO DEFECTUOSO POR HOLGURAS EN LOS RODAMIENTOS ... 27
FIGURA 18.DISCO SOMETIDO A TEMPERATURAS EXCESIVAS ... 28
FIGURA 19.DISCO DEFECTUOSO POR DESGASTE EXCESIVO ... 28
FIGURA 20.DISCO DEFECTUOSO POR GRIETAS ... 29
FIGURA 21.DISCO DEFECTUOSO POR DESGATE TOTAL DE LAS PASTILLAS ... 30
FIGURA 22.DISCO DEFECTUOSO POR SURCOS Y RAYAS ... 31
FIGURA 23.DISCO DEFECTUOSO POR DEPÓSITO DE MATERIAL DE FRICCIÓN ... 31
FIGURA 24.RECTIFICADORA DE DISCOS DE FRENO ... 37
FIGURA 25.RECTIFICADORA PORTÁTIL DE DISCO DE FRENOS ... 38
FIGURA 26.COMPONENTES DEL TORNO ... 39
ix
FIGURA 28.GRÁFICO DE LA ECUACIÓN DE LA ELÁSTICA ... 52
FIGURA 29.SISTEMA PORTÁTIL AUTOMÁTICO PARA EL ANÁLISIS DE LA RECTIFICACIÓN DE DISCOS DE FRENO DE HIERRO FUNDIDO ... 53
FIGURA 30.ACERO DE TRANSMISIÓN CIRCULAR AISI1018 ... 56
FIGURA 31. BARRA DE ACERO DE TRANSMISIÓN ... 57
FIGURA 32.PROCESO DE CAVIDAD DEL MATERIAL ... 58
FIGURA 33.CUCHILLA DE INTERIORES EN TORNO ... 59
FIGURA 34.PRENSA HIDRÁULICA ... 59
FIGURA 35.TALADRO MECÁNICO DE BANCO ... 60
FIGURA 36. PROCESO DE ROSCADO ... 61
FIGURA 37. PROCESO DE LIJADO... 61
FIGURA 38. ACOPLE ACABADO BASE DEL DISCO ... 62
FIGURA 39.ESQUEMA BASE DEL DISCO EN EL TORNO ... 62
FIGURA 40.DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE EN LA BASE DEL DISCO ... 63
FIGURA 41. FUERZA EN EL PUNTO A DE LA BASE DEL DISCO ... 66
FIGURA 42. DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE (V) DE LA BASE DEL DISCO ... 66
FIGURA 43.DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR (M) DE LA BASE DEL DISCO ... 66
FIGURA 44.SECCIÓN TRANSVERSAL DEL EJE DE LA BASE DEL DISCO ... 67
FIGURA 45.DIAGRAMA DE LA DEFLEXIÓN MÁXIMA DEL EJE DE LA BASE DEL DISCO . 68 FIGURA 46.PROCESO DE CORTE Y MEDICIÓN DE LA BASE DEL COMPARADOR ... 72
FIGURA 47. PROCESO DE RECTIFICACIÓN DE LA BASE DEL COMPARADOR ... 72
FIGURA 48. PROCESO DE RECTIFICACIÓN DE LA BASE DEL COMPARADOR ... 73
FIGURA 49. RECTIFICADO DEL BRAZO MÓVIL ... 73
FIGURA 50. BUJES DE BRONCE ... 74
FIGURA 51. RECTIFICADO DE LOS BUJES ... 75
FIGURA 52. BRAZO RECTIFICADO Y ROSCADO ... 75
FIGURA 53. PERNOS MAQUINADOS ... 76
FIGURA 54. SUJETADOR Y TUERCA SOLDADOS ... 76
FIGURA 55. ESQUEMA DE LA BASE DEL RELOJ EN EL TORNO ... 77
FIGURA 56.DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LA BASE DEL RELOJ ... 78
FIGURA 57. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LA BASE DEL RELOJ ... 80
x
FIGURA 59. DIAGRAMA CON MÉTODO DE SECCIONES EN LA BASE DEL DISCO ... 82
FIGURA 60. DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE (V) DE LA BASE DEL RELOJ ... 82
FIGURA 61. DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR (M) DE LA BASE DEL RELOJ ... 83
FIGURA 62. DIAGRAMA DE PAR TORSOR (T) DE LA BASE DEL RELOJ ... 83
FIGURA 63. SECCIÓN TRANSVERSAL CIRCULAR DE LA BASE DEL RELOJ ... 84
FIGURA 64. ESFUERZOS PRINCIPALES EN UN ELEMENTO ... 85
FIGURA 65. DIAGRAMA DE LA DEFLEXIÓN MÁXIMA EN LA BASE DEL RELOJ... 87
FIGURA 66. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA BASE DEL RELOJ ... 91
FIGURA 67. BRAZOS MÓVILES Y DE AGARRE SOLDADOS Y RECTIFICADOS ... 93
FIGURA 68.CHAVETERO EN LOS BRAZOS DE AGARRE ... 94
FIGURA 69.PERNOS GUÍA ... 94
FIGURA 70. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEL BRAZO DE AGARRE ... 95
FIGURA 71. DIAGRAMA DEL BRAZO DE AGARRE CON MOMENTO ... 95
FIGURA 72. DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE (V) DEL BRAZO DE AGARRE ... 96
FIGURA 73. DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR (M) DEL BRAZO DE AGARRE ... 75
FIGURA 74. SECCIÓN TRANSVERSAL DEL BRAZO DE AGARRE ... 97
FIGURA 75. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE DEFLEXIÓN DEL BRAZO DE AGARRE .. 99
FIGURA 76. PIEZAS GALVANIZADAS ... 102
FIGURA 77.DISCO SUJETADO EN LA BASE DEL DISCO ... 105
FIGURA 78.CONJUNTO BASE – DISCO DE FRENO EN EL PLATO DEL TORNO ... 106
FIGURA 79.COLOCACIÓN SISTEMA PORTÁTIL EN LA TORRE ... 107
FIGURA 80.MEDICIÓN DEL ESPESOR DEL DISCO ... 107
FIGURA 81.TABLERO DEL TORNO ... 108
FIGURA 82.RELOJES COMPARADORES ENCERADOS ... 108
FIGURA 83.MEDICIÓN EN EL DISCO DE FRENO ... 109
FIGURA 84. PUNTOS DE MEDICIÓN EN EL DISCO DE FRENO ... 110
FIGURA 85.MEDIDAS DEL DISCO DE FRENO DEL CHEVROLET SAIL ... 111
FIGURA 86.MEDIDAS DEL DISCO DE FRENO CHEVROLET AVEO EMOTION ... 114
xi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXOI………..126
ROSCA MÉTRICA DE GIRAMACHOS
ANEXO II……….. 128
CÁLCULO DE MECANIZADO EN EL TALADRADO
ANEXO III………. 130
DIÁMETROS DE BROCAS PARA AGUJEROS ROSCADOS
ANEXO IV………. 132
PLANO DE LA BASE DEL DISCO
ANEXO V………. 134
xii
RESUMEN
En el Ecuador existe un parque automotor variado dentro del cual
encontramos gran cantidad de vehículos de tecnología ineficiente, por lo cual
se vio la necesidad de mejorar la seguridad y la facilidad al momento de
conducir, lo cual se logrará de una manera eficiente con la verificación de los
discos de freno dando la tranquilidad necesaria al conductor en el momento
que está conduciendo.
El sistema de frenos manda a las ruedas del automóvil la misma presión, por
lo que esta presión hace que se desplacen las pastillas hacia el disco para
frenar el vehículo. Mediante el uso continuo del freno el disco sufre
desgaste por lo que puede existir fallas en el mismo por lo que la razón de
este proyecto es determinar de una forma más detallada el estado del disco
de freno.
Por lo tanto la construcción del dispositivo portátil se basó en dar una
explicación detallada y simplificada de lo que significa la seguridad en el
sistema de frenos mediante la verificación de los discos de freno. En el
sistema portátil va montado el disco de freno, dentro del cual se integraron
piezas fijas y móviles con la finalidad de diagnosticar de una manera más
detallada las fallas que existen en el disco de freno verificando si se
encuentra en los rangos permitidos para ser rectificado.
Con el desarrollo y construcción del sistema portátil, se elaboró
primeramente la modificación y adecuación del sistema portátil, se adaptaron
los elementos necesarios para la verificación de medidas en los discos de
freno y para la comprobación de si se encuentran en buen estado para ser
rectificados o cambiados.
xiii ya que las distintas medidas obtenidas, ayudaron a determinar el estado de
los discos de freno, es decir, si los discos tienen desgaste, planeamiento,
xiv
ABSTRACT
In Ecuador there is a varied vehicle fleet within which many vehicles have
inefficient technology. Therefore, there is a need to improve the safety and
easiness when driving, which will be achieved in an efficient manner with
verification brake discs which provide the peace needed when the driver is
driving.
The brake system distributes the same pressure to the wheels of the car, so
that this pressure causes the brake pads move towards the disc to slow the
vehicle. The continued use of the brake disc undergoes attrition and failure.
For that reason, the objective of this project is to determine into detailed the
condition of the brake disc.
Therefore the construction of the portable device was based on giving a
detailed and simplified explanation about the safety of the brake system. The
brake disc is mounted in the portable system, in which fixed and moving
parts are integrated in order to diagnose in a more detailed way the flaws that
exist in the brake disc checking if it is within the ranges to be rectified.
With the development and construction of the portable system, the
modification and adaptation of the portable system was elaborated, and the
necessary elements for verification of measures in the brake discs and
checking of the conditions were adapted. The condition of the break discs
was also checked, to decide if the discs need to be corrected or changed.
The analysis and findings are an essential part of the project, since the
different measurements obtained, helped to determine the condition of the
brake discs, that is, if the disks have attrition, planning, buckling, and / or
2 El sistema de frenos constituye un campo muy importante cuando hablamos
de seguridad, ergonomía por lo que se viene abarcando con más intensidad
estos últimos años en la seguridad en el automóvil. En muchos de los casos
se encuentran problemas en la industria automotriz, en el mantenimiento del
sistema de frenos, especialmente en los discos por tal razón se realiza este
trabajo para tener un enfoque más claro sobre el estado de los discos de
freno.
En el mantenimiento de los discos de freno se encuentran algunos
problemas los cuales no son técnicamente determinados para poder decir
que está bien el trabajo, por eso se hizo este proyecto ya que hay
inconvenientes en el desarrollo de este tipo de mantenimientos.
Por lo cual el objetivo principal de este proyecto de investigación es el de
construir por medio de las máquinas herramientas un dispositivo portátil en
base a una determinación de medidas de automóviles más usuales en el
mercado para tener una mayor facilidad de trabajo para la determinación de
fallas en los discos de freno.
Dadas las condiciones viales y condiciones físicas de la ubicación de la
ciudad de Quito, para el desarrollo del proyecto se debe tener en cuenta la
seguridad y la fiabilidad de los vehículos al momento de detenerse, los
constantes cambios de topografía de la ciudad nos exige un control de
frenado eficiente por lo que es necesario determinar los instrumentos de
medición más adecuados para este tipo de medición.
Así mismo es importante determinar cuáles son las fallas principales que se
presentan en un disco de freno para así tener una referencia del estado en
que se encuentra el disco, todo esto por medio de medición mediante el
dispositivo portátil.
3 puede precisar si el disco esta aun apto para su funcionamiento o si debe
5
2.1 SISTEMA DE FRENADO
El sistema de frenos es sin duda, el más importante para la seguridad vial
del automóvil, está diseñado para que a través del funcionamiento de sus
componentes se pueda disminuir o anular progresivamente la velocidad del
vehículo, o mantenerlo inmovilizado cuando está detenido.
La absorción de la energía cinética del vehículo para frenarlo se realiza
haciendo rozar las superficies de dos piezas, una de ellas gira con la rueda,
mientras que el movimiento de la otra es el de aproximación a la primera.
Como el movimiento del vehículo se obtiene por medio de las ruedas, para detenerlo basta con anular este movimiento aplicando un esfuerzo a las
ruedas que las contenga en su giro, lo cual se realiza por rozamiento de unas pastillas contra un disco, según los casos. En este caso se transforma la energía cinética que posee todo vehículo en movimiento, en energía
calorífica que se emana a la atmósfera.
Figura 1. Sistema de frenado de un vehículo
6 2.1.1 COMPONENTES DEL SISTEMA DE FRENADO
Pedal de freno: Pieza metálica que transmite la fuerza ejercida por el
conductor al sistema .hidráulico. Con el pedal conseguimos hacer menos
esfuerzo a la hora de transmitir dicha fuerza.
Bomba de freno: Se encarga de crear la fuerza para que los elementos de
fricción frenen el vehículo. Al momento de presionar el pedal de freno,
desplazamos los elementos interiores de la bomba, generando la fuerza
necesaria para frenar el vehículo.
Bombines Es un conjunto compuesto por un cilindro donde se pueden
desplazar uno o dos pistones, dependiendo de si el bombín es ciego por un
extremo o los dos pistones se desplazan de forma opuesta hacia el exterior
del cilindro.
2.1.2 SISTEMA HIDRÁULICO DE FRENADO
En los automóviles livianos se emplean sistemas de frenos hidráulicos
(fuerza de pedal) y los frenos de estacionamiento (freno de mano).
El sistema hidráulico se basa en que los líquidos son prácticamente
incompresibles y la presión ejercida sobre un punto cualquiera de una masa
liquida se transmite íntegramente en todas las direcciones.
2.1.3 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE FRENADO
7 fundamentales: los sistemas hidráulicos, propiamente dichos y los basados
en materiales de fricción.
En los sistemas hidráulicos, cuando el freno del vehículo es presionado, el
cilindro de la bomba de freno, se encarga de impulsar el líquido de frenos a
través de una tubería hasta los frenos situados en las ruedas.
Los frenos hidráulicos utilizan un fluido para transmitir la acción de frenado.
El sistema requiere de:
• Dispositivo de actuación: medio que permite al conductor generar y
controlar la fuerza de frenado deseada.
• Dispositivo de transmisión: transmite la fuerza de frenado del conductor a
los frenos de rueda. Para reducir a un mínimo los riesgos de que falle este
dispositivo de seguridad, el sistema de frenos de servicio se divide en dos
circuitos independientes. De esta manera cuando falla uno de los circuitos
de freno, se mantiene la efectividad del segundo
• Disposición diagonal: cada circuito frena una rueda delantera y la rueda
trasera diagonalmente opuesta. Esta división se emplea principalmente en
vehículos de tracción delantera
• Disposición paralela: con cada circuito se frena un eje. El diseño de este
tipo de división es lo más sencillo. Este se emplea preferentemente en
vehículos con tracción trasera.
• Frenos de rueda: son los que ejercen la acción de frenado al hacer fricción
con la rueda y retardan el movimiento de las ruedas del vehículo, logrando
reducir la velocidad o frenar el vehículo hasta que se detenga
8 Figura 2. Componentes del sistema de frenos hidráulico
(Grupo Editorial Ceac, 2003)
2.1.4 LÍQUIDO DE FRENO
La función del líquido de frenos es transmitir la presión de la frenada desde
el pedal hasta las pastillas o zapatas. Para que se pueda reconocer un buen
líquido de frenos se debe de tomar en cuenta que el líquido debe de ser:
- Incompresible.
- No debe de ocasionar fricción con la tubería del sistema de frenos.
- No debe ocasionar corrosión, para mantener en el mejor estado
posible la tubería, ya que el líquido de frenos está en contacto
permanente con los componentes del circuito (caucho, Cobre, Acero,
etc.), deberá poseer propiedades anticorrosivas que impidan la
interacción química entre ellos.
9 - Debe de tener un elevado punto de ebullición (en general oscila entre
230° y 240° C para un líquido nuevo).
- Debe de tener fluidez aun a bajas temperaturas.
“Se trata de un aceite muy fluido (SAE 5), y su especificación es mediante el
índice DOT (department Of Transportation), que a medida que este aumenta
también lo hace el punto de ebullición. Están elaborados a base de glicoles (excepto el DOT 5), muy perjudiciales para la pintura.”(Velasco, 2010)
Los líquidos de freno se dividen en la actualidad en dos grupos dependiendo
de las características que presenten. Se comercializan dos calidades de
líquido de freno.
DOT 4: Cuyo punto de ebullición es de 255ºC. Empleado en sistemas de
disco/tambor o disco/disco sin ABS.
DOT 5: Cuyo punto de ebullición es de 270ºC.Debe ser el utilizado para
vehículos de altas prestaciones y aquellos que vayan dotados de sistemas
ABS.
Tabla 1. Puntos de ebullición líquidos de freno
ESPECIFICACIÓN PUNTO DE EBULLICIÓN SECO PUNTO DE EBULLICIÓN HÚMEDO TIPO
DOT 3 205 ºC 140 ºC GLICOL
DOT 4 230 ºC 155 ºC GLICOL
DOT 5 260 ºC 180 ºC SILICONA
DOT 5.1 270 ºC 191 ºC GLICOL
10 Figura 3. Viscosidad liquido de freno DOT4
(Bosch,1012)
2.2 FRENOS DE DISCO Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El freno de disco se encuentra casi en la totalidad de las ruedas delanteras,
sin embargo ya existen en el mercado gran cantidad de automóviles con
este sistema en las cuatro ruedas sobre todo en vehículos de grandes
prestaciones y de los últimos años.
En algunos vehículos de tracción posterior o total y suspensión por ruedas
independientes, los frenos posteriores pueden ir montados a la salida del
diferencial suspendido.
Este sistema se basa en la presión que realizan las pastillas con un alto
coeficiente de fricción, al comprimirse a ambos lados de un disco (parte
11
2.3 ELEMENTOS Y CARACTERISTICAS DE LOS DISCOS DE
FRENO
2.3.1 PARTES DEL SISTEMA DE FRENOS DE DISCO
Figura 4. Esquema componentes freno de disco
(Villar, 2006)
1) Disco de freno
2) Soporte de la mordaza de freno
3) Broche de sujeción de la pastilla
4) Pastilla
5) Mordaza de freno
2.3.1.1 Disco de freno
Los discos de freno son fabricados según los más rígidos estándares de
12 riguroso control de calidad. Fijado en las ruedas, su función es disminuir la
velocidad de las ruedas cuando recibe la fricción de las pastillas.
El material para fabricar los discos de freno ya antes mencionado es la
fundición gris nodular de grafito laminar, ya que garantiza estabilidad de las
prestaciones durante el periodo de vida de los discos. Las pastillas van
colocadas en el soporte del freno y están fabricadas con un tejido de
amianto y resinas con partículas de metal o bronce. La mordaza es la parte
fija y puede tener dos o cuatro pistones. Estas pueden ser móviles u
oscilantes.
2.3.1.2 Soporte de la mordaza
Es el encargado de sujetar la mordaza a la base del disco para que ésta se
mantenga fija y ejerza su función correctamente.
2.3.1.3 Broche de sujeción
Es el encargado de sujetar la pastilla de freno en el soporte de la mordaza
para poder colocar la mordaza.
2.3.1.4 Pastillas
Las pastillas de freno es el elemento de fricción que se pone en contacto con
el disco para detener el automóvil. El material del que estén compuestas
13 ocasiones desfavorables.
Las pastillas deben ser reemplazadas regularmente y muchas están
equipadas con un sensor que alerta al conductor cuando es necesario
hacerlo, como también tienen una pieza de metal que provoca un chillido
cuando están a punto de desgastarse.
Figura 5. Pastilla de freno
2.3.1.5 Mordaza de freno
Según la manera de actuar del mando hidráulico las mordazas pueden ser
fijas o móviles. Aloja de uno a cuatro pistones y está montado en la placa de
torsión y la articulación de la dirección o el soporte de rueda. Es el elemento
que alberga las pastillas y los pistones de un sistema de frenos de discos y
está colocado en forma fija en el automóvil, es decir, no rota. Hay dos tipos
de mordazas: fijas y flotantes.
Las fijas utilizan uno o más pares de pistones y no se mueven en relación al
disco de freno, es decir, está instalada de manera fija en el soporte del disco
14 caras de la mordaza (cáliper).Por lo tanto al accionarse, presionan las
pastillas a ambos lados del disco. Este tipo de mordaza es más compleja y
cara que las flotantes.
Las mordazas flotantes, llamadas también “deslizantes” son usadas en la
mayoría de los automóviles, por su menor costo y simplicidad de fabricación.
Se mueven en relación al disco; un pistón a uno de los lados empuja la
pastilla hasta que hace contacto con la superficie del disco. Como la
mordaza tiene un montaje deslizante, la reacción de la presión ejercida por
el pistón sobre la pastilla empuje la mordaza, haciendo que la otra pastilla
que se encuentra fija, toque y presione el disco para detener el disco por
efecto de fricción.
2.4 DISCO DE FRENO
Los frenos de disco son la superficie contra la cual interactúan las pastillas
que son accionadas por un émbolo y mordaza de freno, que se aplican
lateralmente contra él, para detener el vehículo, debido a que el disco gira
solidario con las ruedas.
El rozamiento entre discos y pastillas produce la transformación de energía
cinética en energía calorífica, dando origen a una reducción de la velocidad.
Además de producir la transformación de la energía deben conseguir que el
calor producido sea transmitido a la atmosfera lo más prontamente posible,
por las elevadas temperaturas que opera el sistema de frenos.
El material para fabricar los discos de freno es la fundición gris nodular de
grafito laminar que contiene entre un 92% y un 93% de hierro y garantiza
15 Tabla 2. Propiedades de los discos de freno
PROPIEDADES FÍSICAS VALORES
RESISTENCIA A TRACCIÓN 240 N/𝑚𝑚2
DUREZA 170 – 250 HB
(eldiscodefreno.blogspot, 2010)
2.4.1 GEOMETRÍA DEL DISCO DE FRENO
La geometría de los discos de freno siempre es la misma, una superficie
circular perfectamente plana. El disco está compuesto de las siguientes
partes:
Figura 6. Geometría del disco de freno
(Bosch, Manual de la Técnica del Automovil, 2005)
16 contacto con la pastilla de freno. El tipo de material y espesor de la cara se
calcula de manera que sea capaz de disipar al aire una potencia calorífica
unitaria de unos 250 W/cm2, aunque este valor se puede elevar hasta los
750 W/cm2 si el disco es del tipo ventilado.
Fijación: está ubicada en la parte central del disco donde se aloja el buje de
la rueda, existiendo un chaflán por la parte posterior que encaja en la
mangueta para un ajuste perfecto. Alrededor del hueco central una serie de
taladros permite el paso de los pernos para el anclaje del disco a la rueda.
La campana: es el cilindro que une la banda con el plano de fijación. En
algunos casos el interior de la campana se diseña para montar un pequeño
sistema de freno de tambor para un accionamiento mecánico, con la
finalidad de servir también de freno de estacionamiento.
Filtro térmico: es un canal mecanizado que separa la pista de la fijación,
para reducir el calor que pasa de la pista hacia la campana. Con este tipo de
canales se evita que el calor generado en el disco pase a la llanta y de aquí
al neumático.
2.5 TIPOS DE DISCO DE FRENO
2.5.1 CLÁSICOS (MACIZOS)
Estos discos tienen una superficie de fricción sólida y lisa, no poseen ningún
tipo de ventilación y son propensos a acumular calor, suciedad y tienden a
cristalizar las pastillas. Tienen como ventaja de ser económicos en su
fabricación y como desventaja se doblan bajo el estrés continuo y tienden a
17 Figura 7. Disco de freno Macizo
2.5.2 DISCOS VENTILADOS
Los discos ventilados son como si se unieran dos discos dejando una
separación entre ellos, por lo que debido a la fuerza centrípeta del centro
hacia afuera, circula aire a través de ellos. Estos discos funcionan más
eficientemente ya que al poder enfriarse más rápido mantienen su poder de
adhesión; es decir pueden frenar mejor, el disco y la pastilla trabajan a base
de fricción la cual se pierde conforme aumenta el calor en la superficie de los
mismos.
18 2.5.3 DISCOS PERFORADOS
Los discos perforados aumentan la superficie del disco con las perforaciones
y además llevan aire fresco a la pastilla del freno. El principio de
funcionalidad se debe a que cada perforación es un punto de disipación, ya
que la temperatura generada por la fricción al frenar es absorbida por el
disco de freno.
Figura 9. Discos de freno perforados
(bueni.es, 2015)
2.5.4 DISCOS ESTRIADOS
Estos discos se pueden clasificar dentro de los perforados ya que tienen la
finalidad de mejorar la refrigeración de los mismos. Tiene la función de
limpiar la pastilla de polvo, de remover el aire caliente y crear una superficie
idónea para el frenado. Este disco desgasta más rápido la pastilla en pro de
19 Figura 10. Disco de freno estriado
2.5.5 DISCOS CERÁMICOS
Los discos de freno cerámicos normalmente están elaborados en una
cerámica reforzada con fibra de carbono. Ofrecen mejores propiedades y
son más ligeros que los discos tradicionales de acero. A igualdad de presión
sobre el pedal de freno, los cerámicos rinden mucho más.
Los discos son de color negro por el carbono y cerámica como compuesto
base, por lo tanto a medida que se desgastan se desprende un polvo negro.
Las pastillas que usan estos discos son también de carbono-cerámica o de
carbono.
La principal ventaja de estos frenos es su bajísimo peso, su altísimo poder
de frenado por la alta fricción y su gran poder estructural que evita roturas
20 Figura 11. Disco de freno cerámico
(sobreruedas.org, 1015)
2.6 FUERZA DE FRENADO
Se produce en dos momentos las fuerzas de frenado que influyen para
detener el automóvil cuando está en movimiento por la carretera.
La primera al momento de presionar el pedal de freno, la fuerza de frenado
se transfiere hacia los pistones de los cilindros los cuales actúan sobre el
sistema pastilla-disco o zapata-tambor y permiten una fuerza de rozamiento
entre ellas, logrando detener la rueda.
La segunda se produce por la fuerza de rozamiento entre el neumático y el
suelo (fuerza de fricción estática), luego que las ruedas hayan sido detenidas
por el sistema de frenos del automóvil.
Es necesaria una fuerza de rozamiento entre los elementos del freno como
también entre el neumático y el piso para poder detener el automóvil en su
21 2.6.1 FUERZA DE FRICCIÓN ESTÁTICA
Cuando son completamente lisas las superficies en contacto entre dos
cuerpos la fuerza de interacción entre estos siempre actúan en dirección
normal a la superficie en los puntos de contacto de los cuerpos.
No obstante, todas las superficies son en realidad rugosas, por lo que se
debe tomar en cuenta la capacidad de un cuerpo para soportar fuerzas
tangenciales y normales en superficies de contacto.
La fuerza de fricción es aquella que actúa sobre las ruedas con el fin de
impedir o demorar el deslizamiento de los neumáticos sobre la superficie en
contacto.
La resistencia que existe en el rozamiento del neumático con el suelo es
provocada por pequeñas irregularidades que son formadas al momento de
rodar las dos superficies una sobre otra.
Figura 12. Fuerzas de fricción del automóvil
(Moncayo, 2004)
22 fricción o rozamiento entre la rueda-piso, y la fuerza (F) es producida por el
motor. Por lo tanto
Si F > Fs el automóvil se mueve. Si F ≤ Fs el automóvil no se mueve.
Al momento de frenar o de presionar el pedal de freno, el vehículo se detiene
por las fuerzas de fricción Fs1 y Fs2 por lo que la F es inferior a la de
rozamiento rueda-piso.
Es importante la adherencia rueda-piso para que el automóvil pueda circular
en el terreno, como también actúa como una fuerza de frenado que detiene
el movimiento del vehículo.
La fuerza de rozamiento de la rueda sobre el piso se puede calcularon la
siguiente fórmula:
Fs = N * μs [ 1]
Donde el rozamiento de las dos superficies en contacto se calcula por el coeficiente de fricción estático (μs), que es la división de la Fs y la normal N
de la fuerza de la rueda sobre el terreno.
El coeficiente de adherencia depende del tipo de neumáticos, de su estado y
presión, como también del terreno por el que se transite.
23 Tabla 3 .Valores del coeficiente de adherencia μs
(Moncayo, 2004)
2.6.2 FUERZAS DE FRENADO EN EL MANDO DEL CIRCUITO
HIDRÁULICO PRINCIPAL DE FRENOS
Todo vehículo debe llegar a una 𝑉𝐹 = 0
La presión que se realiza sobre las zapatas o pastillas de los frenos se
alcanza mediante el esfuerzo mecánico que se realiza por la palanca de
pedal y bajo la presión del pie del conductor.
El pedal de freno (figura ) está compuesto por una palanca que al momento
de aplicar la presión del pie F, gira sobre el eje 3 trasladando el esfuerzo a la
bomba, en sentido de 𝐹1, el muelle 2 tiene como función regresar el pedal de
freno a su posición inicial cuando el conductor deje de presionar el pedal de
freno.
TIPO DE SUELO ESTADO NEUMÁTICOS NUEVOS NEUMÁTICOS
USADOS
Hormigón Seco
Mojado
1
0.7
1
0.5
Asfalto grueso Seco
Mojado
1
0.7
1
0.5
Asfalto normal Seco
24 Figura 13.Fuerzas en el pedal de freno
(Moncayo, 2004)
Se calcula 𝐹1 que es la fuerza que entrega la bomba, la cual se multiplica por
efecto del pedal de freno.
𝐹1
=
𝐹∗𝑎𝑏 [ 2]
2.7 ANOMALÍAS ASOCIADOS A LOS DISCOS DE FRENOS
Si se prestaría más atención al montaje de los discos se evitaría problemas
en los discos de freno, de igual manera es necesario realizar un atento
examen visual de los componentes para verificar si se encuentran en buen
25 2.7.1 DISCO DE FRENO ALABEADO
El alabeo se produce por un sobrecalentamiento del disco de freno
provocando deformación (alabeo) y cambio de su color (azulado). Esto
produce vibraciones en la frenada y una disminución en la potencia de
frenado. Este alabeo se puede prevenir sin pisar el freno continuamente,
teniendo una conducción menos exigente con los frenos, aplicando el freno
motor.
Figura 14. Disco de freno alabeado
2.7.2 DISCO DE FRENO ROTO
El riesgo de rotura esta en todos los discos de freno, en los que pueden
aparecer fisuras producido por un excesivo uso del freno como también
cuando el disco está debilitado por el óxido. El disco en uso urbano se
desgasta más deprisa que un uso en carretera. Durante el cambio de discos
26 Figura 15. Disco de freno roto
(Autoplaza, 2011)
2.7.3 MONTAJE INCORRECTO DE LA MORDAZA
Si la mordaza no ha sido colocada correctamente se generará un desgaste
irregular de las pastillas en forma cónica. Se puede apreciar el defecto desde
el principio del montaje ya que se escucharía ruidos fuertes al momento de
frenar, como también un golpeteo de las pastillas y una disminución de
eficiencia en la frenada. Este montaje incorrecto genera daños en el disco de
freno.
27 2.7.4 EXCESIVA HOLGURA DE LOS RODAMIENTOS DEL BUJE
Una excesiva holgura de los rodamientos del buje causa un desgaste
irregular de las bandas frenantes de los discos. Se produce un
recalentamiento del disco en la zona donde rozaban las pastillas al girar el
disco, debido a la holgura en los rodamientos del buje como también se
aprecia un desgaste excesivo en la zona de contacto que era permanente.
Figura 17. Disco defectuoso por holguras en los rodamientos
2.7.5 TEMPERATURA EXCESIVA
Este efecto se denomina cristalización. Los discos presentan vivos colores
en la gama de los azules, que principalmente son visibles en la zona del filtro
térmico donde se une las pastillas con el disco. Esta zona cambia de color al
sufrir un calentamiento brusco que transforma la estructura del material. El
calentamiento excesivo, suele tener los orígenes claramente diferenciados:
una conducción en condiciones límite, o la costumbre de algunos
28 Este problema provoca vibraciones en los discos debido a las
transformaciones estructurales del disco sufridas por los excesos de
temperatura.
Figura 18. Disco sometido a temperaturas excesivas
2.7.6 DESGASTE POR ENCIMA DEL LÍMITE MÁXIMO
El desgaste del disco no debe exceder del límite marcado por el fabricante,
de lo contrario, el disco no es capaz de evacuar el calor que se produce
durante la frenada y se le somete a sobrecalentamientos excesivos
provocando la aparición de grietas como también presentan ruidos y
vibraciones.
29 2.7.7 DISCOS AGRIETADOS
Debido a que los discos son sometidos a temperaturas de funcionamiento
muy altas, en la parte exterior del disco se puede observar síntomas de
sobrecalentamiento. Los problemas que presentan el sobrecalentamiento y
el desgaste de los discos es la aparición de grietas o fisuras.
Las grietas se producen por las deformaciones a las que son sometidos los
discos y los impactos que las pastillas producen sobre los mismos. Este tipo
de problema se reconoce por las fuertes vibraciones que se tiene en el pedal
y dirección y hacen que el disco sea frágil y tienda a romperse.
Figura 10. Disco defectuoso por grietas
2.7.8 DESGASTE DE LOS DISCOS DEBIDO AL DESGASTE TOTAL DE
LAS PASTILLAS
Al momento de que las pastillas de freno han sido desgastadas en su
30 pastilla, como consecuencia deja unos surcos muy pronunciados y se
observa una transformación de material en el disco ya que aparecen zonas
oscuras. Este problema se puede distinguir por la reducción de eficacia del
freno, como también por el ruido que se produce al momento de frenar. Para
evitar este asunto se debe verificar el desgaste de las pastillas cada 10.000
km.
Figura 11. Disco defectuoso por desgate total de las pastillas
2.7.9 SURCOS Y RAYAS PROFUNDAS
La aparición de rayas profundas en el disco puede ser causado durante la
conducción por la intercalación de materiales extraños entre la pastilla y el
disco o cuando las pastillas son de mala calidad y no están instaladas
correctamente. Se puede detectar este problema con la aparición de ruidos
durante el proceso de frenado, como sin frenar. Se distingue una baja
eficiencia de frenado debido a la reducción de fricción entre la pastilla y el
31 Figura 12. Disco defectuoso por surcos y rayas
2.7.10 DEPÓSITOS DE MATERIAL DE FRICCIÓN EN LOS DISCOS
Debido a las altas temperaturas que sufren los discos se forman depósitos
del material de fricción que se quedan adheridos sobre los mismos. Con este
suceso se aprecian vibraciones leves al principio, mientras que con el paso
del tiempo las vibraciones se hacen mayores y empiezan a aparecer ruidos.
Este tipo de problema se da por el uso de pastillas de baja calidad.
32
2.8 MANTENIMIENTO FRENO DE DISCO
Es indiscutible que los frenos son uno de los sistemas de seguridad más
importantes del vehículo, ya que el sistema de frenos nos ayuda a disminuir
la velocidad y a detener el vehículo.
Es importante que funcione con precisión y las personas como conductores
deben asegurarse de su correcto funcionamiento, siendo indispensable
realizar un mantenimiento adecuado ya se preventivo o correctivo.
2.8.1 MANTENIMIENTO PREVENTIVO
El mantenimiento preventivo permite mantener el sistema de frenos en buen
estado, ya que es el primer elemento de seguridad de su vehículo. Se
recomienda revisar periódicamente las pastillas (10.000 km) y los discos de
freno (20.000 km), es decir verificar si el grosor del disco se encuentra en los
estándares establecidos por el fabricante y si fuera necesario sustituirlos
según el daño que presenten.
Los discos de freno no son infinitamente rígidos sino que como cualquier
pieza de un vehículo se deforma.
Para eludir la deformación, hay que tomar en cuenta varios puntos, como el
ajuste de las ruedas que es un factor que afecta a la deformación del disco.
Para evitar una frenada irregular, es necesario reemplazar las pastillas de
freno de un mismo eje, si el carro consta con frenos de disco delanteros o
sino cambiar en las cuatro ruedas. Si el pedal de frenos al momento de
33 Es importante tener en cuenta cada vez que se realiza el cambio de
pastillas, revisar el disco y si es necesario lijarlo para eliminar residuos que
deja la pastilla o para quitar la parte cristalizada.
Por último, es esencial revisar si se instaló correctamente las pastillas de
freno para que no exista una pérdida de eficacia de frenado y no sufra daños
el disco de freno.
2.8.2 MANTENIMIENTO CORRECTIVO
Permite evaluar el sistema de frenos y realizar las correcciones necesarias
cuando el sistema ha dejado de funcionar.
Los pasos para el mantenimiento correctivo son:
- Diagnóstico
- Reparación o cambio de partes
-
Rectificaciones necesarias- Montaje y pruebas del sistema con las correcciones necesarias
2.9 RECTIFICADO DE DISCOS DE FRENO
Sabemos que los frenos están diseñados para que las zapatas o las pastillas
rocen contra los discos y tambores y detengan la velocidad del automóvil
Los discos de freno pueden fallar o debilitarse por el excesivo calor que se
34 Cuando se rectifica un disco de freno, se recomienda no realizar frenadas
bruscas durante los primeros 100 km para que puedan asentarse bien las
pastillas.
2.9.1 OPERACIONES DE RECTIFICADO
El propósito del rectificado es corregir las irregularidades en el aspecto
geométrico y dimensional que se producen en las piezas luego de un
determinado uso, como también por manufactura de piezas por maquinado o
tratamiento térmico.
Con el rectificado se puede reparar rugosidad, excentricidad, circularidad,
etc. como también dejar con las dimensiones exactas de una pieza según
las medidas especificadas.
Cuando un disco de freno trabaja durante un cierto kilometraje este debe ser
reemplazado o reparado (rectificado) con el fin de mantener eficiencia en el
frenado, para esto se requiere que el disco sea desmontado del auto para
posteriormente llevarlo a una rectificadora que puede ser la máquina
herramienta (Torno) ó una máquina especial para rectificar discos de freno,
la cual utiliza una piedra que tiene granos abrasivos muy duros y resistentes
al desgaste y a la ruptura.
Estas técnicas para el rectificado de los discos son muy buenas pero existe
un problema al montaje de las mismas que es el molesto alabeo de los
discos de freno el cual se caracteriza por no quedar totalmente centrada en
el eje del auto lo que provoca que las pastillas de freno no tengan un
35 2.9.2 TOLERANCIAS EN EL RECTIFICADO DE LOS DISCOS DE FRENO
El rectificado es una operación que se efectúa en general con piezas ya
trabajadas anteriormente por otras máquinas herramientas hasta dejar un
pequeño exceso de metal respecto a la dimensión definitiva. El rectificado
tiene por objeto alcanzar en las dimensiones tolerancias muy estrictas y una
elevada calidad de acabado superficial; se hace indispensable en el trabajo
de los materiales duros o de las superficies endurecidas por tratamientos
térmicos.
Es importante cumplir con las tolerancias establecidas en las operaciones de
rectificado ya que esta se define el espacio permisible de variación, en la
dimensión nominal o el valor especificado de una pieza manufacturada.
Tabla 4. Tolerancias fundamentales en micrómetros (μm)
36 Existen tipos de tolerancias en las operaciones de rectificado como los
dimensionales que afectan a las medidas de un cota de la pieza, mientras
que las tolerancias geométricas afectan a la forma y posición de la
geometría de la pieza.
2.9.3 VERIFICACIÓN Y COMPROBACIÓN DEL RECTIFICADO
Una vez rectificados los discos es necesario comprobar el espesor, el
alabeo, planitud y la rugosidad de los mismos, para poder determinar si los
discos se encuentran en óptimas condiciones para conseguir un perfecto
asentamiento de las pastillas, evitando de esa manera ruidos, vibraciones y
el desgaste excesivo o irregular de los discos. Toda esta medición se le
realiza con la herramienta adecuada para comprobar si se encuentran en el
rango establecido para su uso.
2.10 MÁQUINAS RECTIFICADORAS DE FRENOS
Las maquinas rectificadoras de discos tienen como función desbastas el
metal gastado y cristalizado en los discos para recuperar la superficie plana
que necesita los discos de frenos para que pueda asentar completamente
las partes de fricción como las pastillas.
El rectificado es una operación que se efectúa en general con piezas ya
trabajadas anteriormente por otras máquinas herramientas hasta dejar un
pequeño exceso de metal respecto a la dimensión definitiva.
El rectificado tiene por objeto alcanzar en las dimensiones tolerancias muy
37 indispensable en el trabajo de los materiales duros o de las superficies
endurecidas por tratamientos térmicos. Las herramientas empleadas son
muelas giratorias.
2.10.1 MÁQUINAS RECTIFICADORAS FIJAS
Su construcción es de acero macizo y con ejes móviles de posición
longitudinal y transversal acoplado en base o mesa fija. Vienen equipadas
con un kit de adaptadores fáciles de cambiar y bandeja de herramientas
consta de dos cuchillas de mucha precisión y regulables con un alimentador
automático para el rotor y servo motor independiente, con o sin caja de
transmisión.
Figura 14. Rectificadora de discos de freno
38 2.10.2 MÁQUINAS RECTIFICADORAS PORTÁTILES
Son rectificadoras de disco de freno que se realiza en el propio vehículo, es
decir sin necesidad de retirar los discos de freno. Incorpora un kit de
accesorios para autos livianos y medianos, medición y compensación
electrónica.
Figura 15. Rectificadora portátil de disco de frenos
(Wyco.es, 2015)
2.11 EL TORNO
Es una máquina-herramienta adecuada para mecanizar piezas por
revolución mediante una herramienta de corte. Esta máquina se encarga de
hacer girar la pieza que va hacer mecanizada mientras que otra herramienta
39 Figura 16. Componentes del torno
(Indumetan, 2014)
2.11.1 COMPONENTES DEL TORNO
El cabezal principal que contiene poleas, engranes que ayudan a desarrollar la pieza de trabajo y las unidades de avance. Sirve de soporte y
rotación de la pieza de trabajo. El cabezal en si comprende del motor,
selector de velocidad, husillo, selector de sentido de avance, selector de
unidad de avance, selector de velocidad.
El plato de sujeción tiene como función sujetar la pieza durante el mecanizado.
Pueden ser de tres mordazas, para piezas cilíndricas, los mismos cierran o
abren simultáneamente sus mordazas por medio de una llave de ajuste
aunque también se puede encontrar con mordazas independientes.
La bancada ayuda de soporte para las demás unidades del torno
40
El carro se compone por el porta-herramientas, mecanismo para roscar, tablero delantero, mecanismo de avance, sujetadores para la
herramienta de corte como también de soporte combinado.
El carro auxiliar sirve para montar las herramientas en el porta-herramientas y puede girarse a diferentes ángulos.
El avance manual para el carro auxiliar se obtiene mediante el volante de avance.
2.11.2 FUNCIONAMIENTO DEL TORNO
El torno permite hacer girar la pieza a mecanizar que está sujeta en el
cabezal, mientras que las herramientas de corte son direccionadas con un
movimiento regulado de avance contra la superficie de la pieza, retirando la
viruta de acuerdo al acabado final que se requiere de la pieza.
La herramienta de corte va acoplada sobre el carro que se desplaza sobre
unas guías paralelas al eje de giro de la pieza que se tornea, llamado eje Z;
sobre este carro hay otro que se desliza según el eje X, en dirección radial a
la pieza que se vaya a tornear.
2.11.3 OPERACIONES EN EL TORNO
Cilindrado: con esta operación obtenemos una geometría cilíndrica de
revolución que se aplica en exteriores e interiores.
Roscado: permite la obtención de roscas, tuercas en el caso de roscado
interior y tornillos en el caso de roscado exterior.
41 de la pieza.
Tronzado: con esta operación logramos tronzar o cortar la pieza
perpendicularmente al eje de rotación de la misma.
Ranurado: permite la obtención de ranuras o cajas de revolución en las
piezas.
2.12 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE CALIDAD
SUPERFICIAL DEL DISCO
2.12.1 RELOJ COMPARADOR
Es un reloj indicador Digimatic IDS de la seria 543 Mitutoyo que ofrece
lecturas digitales. Este reloj es similar al tradicional pero con la ventaja que
presenta la información en una pantalla, contrario a los de manecillas. Así
mismo nos marca la posición del eje desde el punto de origen en el
encendido, lo que permite medir de inmediato.
42 2.12.2 APLICACIONES PRÁCTICAS
Estos relojes se los puede aplicar a determinadas piezas para medir su
espesor, planitud, paralelismo como también la rugosidad que puede existir
en este caso en los discos de freno del automóvil. Tiene la ventaja de darnos
la información en una pantalla LCD y tiene una operación simple con teclas,
siendo así la medición más exacta, ya que estos aparatos son hechos con
una gran precisión. Indica la posición absoluta del eje desde el punto donde
44
Para el desarrollo del presente trabajo se ha determinado que la
metodología más adecuada es la de construcción, investigación y
recolección de datos.
Para la construcción del sistema se ha precisado que por medio de la
experimentación de acuerdo a los parámetros que se encuentran en los
vehículos de turismo que se utilizan en su mayoría en la ciudad de Quito,
son muy similares en el peso bruto del vehículo como también al tamaño de
los discos de freno, por lo cual el proceso de trabajo se basó en la
recolección de las medidas de los discos de freno de los automóviles de
turismo.
3.1 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS
Para el diseño del sistema portátil automático se debe tener muy en claro lo
que se va a realizar, es decir ser competente en el diseño de los elementos
individuales que forman al sistema. Así mismo se debe integrar varios
componentes y equipos en un sistema coordinado que satisfaga las
necesidades del cliente.
3.1.1 RESISTENCIA DE MATERIALES
La resistencia de materiales estudia las relaciones entre las cargas externas
aplicadas a un cuerpo deformable y la intensidad de las fuerzas internas que
actúan dentro del cuerpo. La resistencia de materiales implica de igual
45
En el diseño de cualquier sistema es necesario usar los principios de la
estática para determinar las fuerzas que actúan sobre y dentro de los
diversos miembros, los cuales dependen de las cargas internas, como
también del tipo de material de que están hechos.
3.1.2 TIPOS DE ESFUERZOS
3.1.2.1 Esfuerzos debido a cargas axiales
3.1.2.1.1 Esfuerzo promedio
La distribución del esfuerzo promedio que actúa sobre la sección transversal
de una barra cargada axialmente y suponiendo que está sometida a una
deformación uniforme constante, esta deformación es causada por un
esfuerzo normal constante.
Cada área sobre la sección transversal está sometida a una fuerza F = A, y la suma de esas fuerzas que actúa sobre el área transversal debe ser
equivalente a la fuerza interna resultante P en la sección.
Por lo que tenemos:
= 𝑃
𝐴 [3]
Donde:
= esfuerzo normal promedio en cualquier punto sobre el área de la sección
46
P = fuerza normal interna resultante, aplicada en el centro de del área de la
sección transversal.
A = área de la sección transversal de la barra
3.1.2.1.2 Esfuerzo cortante promedio
Se define como la componente del esfuerzo que actúa en el plano del área
seleccionada. Para mostrar cómo se desarrolla este esfuerzo, se considera
el efecto de aplicar una fuerza F un una barra. Si los soportes se encuentran
rígidos y F es suficientemente grande, el material de la barra se deformara.
Por lo tanto el esfuerzo cortante promedio distribuido sobre cada área
seccionada que desarrolla esta fuerza se define por:
𝜏
𝑝𝑟𝑜𝑚=𝑉𝐴 [4]
Donde:
𝜏
𝑝𝑟𝑜𝑚= esfuerzo cortante promedio en la sección.V = fuerza cortante interna resultante en la sección.
A = área en la sección.
3.1.2.2 Esfuerzos cortantes por torsión
El esfuerzo cortante por torsión se usa solamente cuando la flecha es
circular y el material homogéneo y se comporta de manera elástico-lineal,
47
cortante es proporcional a la deformación unitaria cortante.
La fórmula de esfuerzo cortante se expresa:
𝜏
𝑚á𝑥=𝑇𝑐𝐽
[5]
Donde:
𝜏
𝑚á𝑥= esfuerzo cortante máximo.T = par de torsión interno resultante que actúa en la sección transversal.
J = momento polar de inercia del área de la sección transversal
c = radio exterior
J = 𝜋2 𝐶4 Eje sólido
J = 𝜋2 𝐶24− 𝐶14 Eje tubular
3.1.2.3 Esfuerzos normales y cortantes por flexión
La fórmula de la flexión relaciona la distribución del esfuerzo longitudinal en
una viga con el momento de flexión interno resultante que actúa sobre la
sección transversal de la viga.
Por lo tanto la siguiente ecuación representa el momento de inercia de la
sección transversal de la viga respecto al eje neutro.
𝑚á𝑥= Mmáx.C𝐼
[6]
Donde:
48
sección transversal mas alejado del eje neutro.
M = momento flector interno resultante y se calcula con respecto al eje
neutro de la sección transversal.
I = momento de inercia de la sección transversal calculado respecto al eje
neutro.
c = distancia perpendicular del eje neutro al punto mas alejado de este eje y
sobre el cual actúa 𝑚á𝑥.
3.1.2.4 Esfuerzos principales
Los esfuerzos principales representan el esfuerzo normal máximo y mínimo
en un punto.
Cuando se representa el estado de esfuerzo mediante los esfuerzos
principales, sobre el elemento no actúa el esfuerzo cortante.
El estado de esfuerzo en el punto también se puede representar en función
del esfuerzo cortante máximo en el plano. En este caso sobre el elemento
también actuara un esfuerzo normal promedio sobre el elemento. Por lo que
se tiene:
El esfuerzo cortante máximo en el plano de un elemento que está sometido
a esfuerzo cortante máximo en sus caras se puede determinar orientando a
un elemento a 45° con respecto a la posición de un elemento que defina los
planos del esfuerzo principal. Por lo que se tiene:
49
El esfuerzo normal sobre los planos de esfuerzo cortante máximo en el plano
se determina con la siguiente ecuación:
𝑝𝑟𝑜𝑚
=
𝜎𝑥+ 𝜎2 𝑦 [8]3.1.2.5 Teorías de fallas
En la teoría de fallas se encuentran sucesos como la deformación
permanente, el agrietamiento y la ruptura entre las formas en que falla un
elemento de máquina.
El origen de la falla ocurre cuando un tipo particular de esfuerzo alcanza el
nivel de una resistencia correspondiente del material.
Desde el punto de vista de dimensionamiento o de la verificación, lo que se
pretende es que con sus dimensiones el elemento en estudio sea capaz de
resistir los esfuerzos a los que va a ser sometido, con un cierto grado de
seguridad.
La hipótesis del esfuerzo cortante máximo estipula que la fluencia comienza
cuando el esfuerzo cortante máximo de cualquier elemento iguala al
esfuerzo cortante máximo por lo que está dada por la ecuación [9].
𝜏
𝑚á𝑥≥
𝑆𝑦2 o 1
-
3=
𝑆
𝑦 [9]
1
,
3 = la mayor y la menor tensión principal en el punto consideradoLa teoría de la distorsión o de la energía de deformación máxima predice