Embed Size (px)
Citation preview
12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECÁNICAGuayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015
MEDICIÓN DEL CAMPO DE VELOCIDAD EN LA SUCCIÓN Y DESCARGA DEUN DISCO DE FRENO AUTOMOTRIZ CON PILARES DE VENTILACIÓN TIPOGOTA, POR MEDIO DE VELOCIMETRÍA POR IMÁGENES DE PARTÍCULAS
(VIP)
Jimenez Garcia Cesar Amando*, Rivera López Jesús Eduardo1, Casillas Navarrete Juan Manuel2, Gutiérrez
Paredes Guadalupe Juliana3, Medina Ovando Abraham 4, Arciniega Martínez José Luis 5.
Filiación: Ing.*, M en C1, M en C2, Dr.3, Dr.4, M. en C5.
Dirección *1, 2, 3, 4,5 Instituto Politécnico Nacional SEPI-ESIME. U.P. Azcapotzalco. Av. de las Granjas 682, Col.Santa Catarina, C.P. 02250, Delegación Azcapotzalco, México D.F.
*e-mail: [email protected]*, [email protected], [email protected], [email protected],[email protected], [email protected].
Palabras clave: PIV, Manufactura aditiva, Disco de freno, Pilares de ventilación.
RESUMEN
En el presente trabajo, se propone un nuevo arreglo geométrico para la optimización del flujo de aire en un disco defreno automotriz. En esta propuesta, se conciben pilares de ventilación basados en perfiles aerodinámicos tipoNACA (4418 y 66-219). Para sustentar esta propuesta de diseño, fue construido un prototipo a escala 1:1 por mediode manufactura aditiva, y además es diseñada una instalación la cual permite el montaje del disco para medir elcampo de velocidades generado en la zona de succión y descarga por medio del uso de la Velocimetría por Imágenesde Partícula (VIP). El experimento se efectuó bajo tres condiciones de velocidad angular: 187.2 rpm, 561.6 rpm y748.8 rpm. Los resultados obtenidos, muestran una ganancia de la velocidad del aire en la zona de descarga de 1.87m/s a 187 rpm, 1.72 m/s a 560 rpm y 0.4 m/s a 748 rpm. En la succión se observa, que el perfil de velocidad no esafectado directamente por los efectos de arrastre en la pista de frenado, cabe señalar que, no se contemplan losefectos causados por los componentes adicionales del sistema de frenado, como son suspensión y ejes detransmisión.
.PALABRAS CLAVE: VIP, Manufactura aditiva, Disco de freno, Pilares de ventilación.
INTRODUCCIÓN
De los siete sistemas que componen el automóvil, el de frenado es uno de los más importantes, debido a que éstetiene un impacto importante en el comportamiento dinámico del vehículo, así como en el apartado de seguridad;durante el episodio de frenado, ocurre una transformación de energía cinética en energía térmica. Este incrementode temperatura es causado por la fricción ocurrida entre la balata y la pista del disco. La energía térmica esabsorbida por la balata y el disco en un 90% y 10% respectivamente [1], y expulsada al medio ambiente por mediode convección y radiación. Experimentalmente se han medido cargas térmicas excesivas en el disco de freno quellegan a ser de hasta 900° C [2]; este gradiente de temperatura, tiene consecuencias adversas en el sistema defrenado, como lo son: Agrietamiento del disco debido a inestabilidad termo-elástica (TEI), judder, formación de“puntos calientes”, desgaste prematuro del conjunto, sobrecalentamiento del líquido de frenos así como falla desellos y otros componentes [3]. La forma en la cual se reduce el efecto de sobrecalentamiento es por medio de losdiscos ventilados, los cuales optimizan el flujo de aire a través de aletas o postes de ventilación que se ubican entrelas superficies de contacto del disco (pistas de frenado). En este ámbito, se han llevado a cabo diversasinvestigaciones, las cuales se han centrado en reducir los efectos adversos provocados por cargas térmicas elevadasen el disco de freno por medio de convección forzada; estos trabajos se han enfocado en la mejora y desarrollo,tanto experimental, como analítico y numérico, por ejemplo, Mc Phee y Jhonson [4], utilizaron la técnica VIP endos dimensiones para medir la velocidad del aire a través de las aletas de ventilación del disco, así como en ladescarga; Lisa Wallis [5] quien por medio de software CFD, calculó el coeficiente de transferencia de calor, asícomo la velocidad del flujo de aire de tres configuraciones diferentes de geometrías para la ventilación de rotoresde disco de freno.
En el caso de los discos de freno ventilados, existen 2 tipos de pasajes: Aletas y pilares, las aletas (figura 1a) seextienden de manera radial desde el diámetro interno de la pista (succión), hasta el diámetro externo de la pista(descarga). Esta configuración es la que se usa de manera más extensa en los sistemas de frenado de la mayoría delos vehículos, la principal desventaja de las aletas de ventilación es que bajo ciertas condiciones de diseño (númerode aletas bajo, es decir menor a 20) se presenta el fenómeno de recirculación [6]. En el caso de los discos conpilares (figura 1b), estos son pequeños postes con geometrías, arreglos y orientación específicos, cuyo objetivo esel de incrementar la velocidad del flujo de aire para tener un mejor desempeño del disco a altas velocidadesangulares.
Por lo antes expuesto, en el presente trabajo de investigación se propone un nuevo diseño de disco de frenoautomotriz. En esta nueva propuesta, se conciben pilares de ventilación basados en perfiles aerodinámicos tipoNACA 4418 y 66-219 [7] los cuales tienen forma de gota. Para sustentar esta propuesta de diseño, es construidoun “modelo” de disco de freno en una impresora 3D utilizando la manufactura aditiva en una escala 1:1, y ademáses construida una instalación experimental, la cual permite el montaje del disco para medir el campo de velocidadesgenerado en la zona de succión y descarga por medio del uso de la Velocimetría por Imágenes de Partícula (VIP).
PROPUESTA GEOMÉTRICA.
Tomando como base las termografías obtenidas por [8] a un disco de freno automotriz sometido a diversosepisodios de frenado severos, se apreciaron tres bandas térmicas, las cuales ubican zonas de calentamiento radialcon gradientes térmicos elevados (figura 2a). El ancho de las bandas es de aproximadamente 10 mm y tienen una
Figura 1 (a) Disco de freno con aletas de ventilación; (b) Disco de freno con pilares de ventilación.
a) b)
separación entre bandas de aproximadamente 12 mm entre cada una de ellas (figura 2b). Considerando dichosresultados de la medición termográfica, fue ideado un arreglo geométrico para el disco de frenado el cual poseepilares de ventilación aerodinámicos tipo NACA 4418 y 66-219, los cuales fueron posicionados en cada uno delos anillos donde se aprecian los gradientes térmicos.
En la figura 3, se observa la nueva propuesta geométrica, en donde se pueden apreciar los pilares con forma depequeñas gotas de agua los cuales se encuentran distribuidos en 22 arreglos regulares de 9 pilares cada uno. Lospilares están acomodados en tres distribuciones concéntricas circulares que se extienden desde el diámetro interior,al diámetro exterior de la pista.
Generación del prototipo de disco de freno por medio de manufactura aditiva.
Una vez identificadas las condiciones térmicas de operación y proponiendo el arreglo geométrico, en base a laubicación de los gradientes térmicos, se diseñó el disco por medio de software CAD; el cual fue manufacturadoutilizando una impresora 3D de la marca Z Corporation, en su modelo Z Printer 310, en escala 1:1, (figura 4).
Figura 2 (a) Termografía infrarroja de disco de freno; (b) Perfil de temperatura respecto a distancia de pista defrenado.
b)a)
Figura 3 Arreglo geométrico propuesto de disco de freno.
Figura 4 Proceso de manufactura de modelo de disco de freno.
DESARROLLO EXPERIMENTAL.
Para llevar a cabo la medición del campo de velocidades por medio de VIP, se utilizó el equipo que se describe enla tabla 1, el trazador utilizado fue humo de glicerina. El experimento se efectuó bajo tres condiciones de velocidadde rotación del disco, las cuales son; 187.2 rpm, 561.6 rpm y 748.8 rpm en la succión y descarga del prototipo.
Tabla 1: Características del equipo VIP
Cámaras.
Marca Hamatsu photonics Nikon Hi Sense
Descripción Cámara digital CCD.
Modelo MKll C8484-03C
Salida (pixeles) 1344x1024
Fuente láser.
Marca Litron Laser
Tipo de láser Nd:Yag
Potencia máxima de salida. 1200 milijoules
Duración pulso 4 micro segundos
Longitud de onda 1064 nanómetros
Sistema de posicionamiento(traverse).
Marca Isel 3D Traverse
Grados de libertad 3
Instalación experimental
En la succión se construyó un túnel de viento, el cual internamente posee alineadores de flujo, y se encuentra auna distancia de 10 cm de la zona de succión del disco de freno. el disco de freno se encuentra montado en unbastidor, el cual cuenta con un motor monofásico, de corriente alterna acoplado a un variador de voltaje, cuyafunción es regular la velocidad angular del motor (figura 5).
Figura 5. Instalación experimental para medición de campo de velocidad en el área de succión.
Para la medición del campo de velocidades en la zona de descarga, se utilizó la misma instalación experimental,solo que en posición horizontal. Con esta configuración es posible observar la cara frontal del prototipo y así
visualizar el campo de flujo requerido. Con el fin de evitar el efecto de corriente libre en la periferia del disco, secolocó una pared en la parte trasera del área de pruebas (figura 6).
En la tabla 2, se muestran las distintas condiciones bajo las cuales se realizaron las mediciones del campo develocidad en la succión y descarga del disco de freno. Todas las mediciones fueron hechas con una intensidad delláser del 35%.
Tabla 2: Condiciones de prueba.
Condición RPM Tiempo entrepulsos (µs)
Succión 187 3500541 3000748 1500
Descarga 187 500541 250748 100
Para la calibración de la instalación experimental primero se fijaron las revoluciones por minuto de salida de laflecha del motor, esto por medio de un variador de frecuencia en conjunto con un tacómetro; el segundo parámetroa calibrar es el factor de escala el cual consiste en indicar al software, Dynamic Studio, la relación existente entrelos pixeles de las imágenes que fueron captadas por las cámaras, con un parámetro de longitud. Esto se realizacaptando una imagen que contenga una escala de medición y posteriormente en el software indicar cuál es ladistancia existente entre dos puntos de la imagen.
RESULTADOS.
En la figura 7, se muestra el campo de velocidades medido en la zona de succión para cada uno de los puntos deprueba del disco de freno. Las líneas verticales, en color negro indican la zona donde se genera la succión deldisco, los rectángulos en color blanco representan las pistas de frenado. Para cada condición de rotación del discose observan incrementos de velocidad en los límites de la zona de succión, este arrastre es debido a los efectosviscosos entre el aire y la pista de frenado. Sin tomar en cuenta el arrastre del disco se encuentra que la velocidadpromedio máxima en la zona de succión, para 187 rpm es de 0.22 m/s, para 561 rpm es de 0.26 m/s y finalmentepara 748 rpm la velocidad es de 0.75 m/s.
Figura 6. Instalación experimental para la medición en la zona de descarga.
En la figura 8, se observa el campo de velocidades en la zona de descarga del prototipo para cada condición develocidad angular. En estas imágenes además se aprecia el tiro del aire en la zona de descarga, el tiro tiene unadistancia aproximada de 110 mm; esta distancia es en la cual la velocidad es aproximadamente igual a lascondiciones de estancamiento del medio ambiente. Para la velocidad angular de 187 rpm, se encuentra unavelocidad promedio de 2.59 m/s, para 561 rpm la velocidad promedio es de 4.7 m/s y finalmente para 748 rpm lavelocidad promedio es de 5.16 m/s. Es importante mencionar que la longitud en donde flujo de descarga alcanzasu máxima desaceleración es de 70 mm, esta distancia es en la que el flujo permanece en el plano de medición, ya
b)
Figura 7 Campo de velocidades en la zona de succión del disco de freno a)187 rpm, b)561 rpm, c)748 rpm.
que debido a las características de diseño del disco, el flujo de aire tiene una tendencia a dirigirse hacia la zonaexterna del rin de la rueda del automóvil.
a)
b
c)
Figura 8. Perfil de velocidades en la zona de descarga a)187 rpm, b)561 rpm, c)748 rpm.
En las figuras 9 a) y 9 b), se grafican los perfiles de velocidad en la zona de succión y descarga del modelo, enestas graficas se observan las velocidades máximas alcanzadas para cada condición de velocidad de rotación. Enlos perfiles de velocidad en la succión (figura 9 a), se evidencian incrementos de velocidades no significativos enla rotación de 187 y 561 rpm (0.22 y 0.24 m/s), sin embargo para la velocidad de 748 rpm (0.75 m/s) se mide unincremento de 47% con respecto a los dos puntos de velocidad más bajos. Este acrecentamiento se puede asociardirectamente al aumento de la succión de aire que está teniendo lugar para poder llevarse a cabo la conservaciónde la masa.
En la zona de descarga del modelo (figura 9 b), se observa un aumento de velocidad con respecto a la entrada, esteincremento, es debido al aumento del radio del disco y a la fuerza centrífuga que le es impresa al flujo de airecuando pasa a través de los perfiles aerodinámicos entre las pistas del modelo; es por ello, que se tienen velocidadespromedio de órdenes de magnitud mayor con respecto a la entrada (succión). De lo anteriormente descrito setendría como consecuencia un incremento en la convección forzada y por consiguiente un control y disminuciónen la temperatura del disco de frenado.
CONCLUSIONES.
1. La técnica VIP es un método no invasivo que permite visualizar y medir el campos de velocidad sinperturbar el flujo.
2. En este experimento no se contemplada la afectación sobre el campo de velocidad que pudieran provocarlos componentes de los mecanismos de suspensión y transmisión. por lo cual, se deben de tomar conreserva y solo como un parámetro de referencia en la estimación de la velocidad en la succión del modelo.
3. Los resultados reportados por Wallis, Lisa [5] utilizando pilares tipo diamante, muestran velocidades de0.87 m/s a 187 rpm y 4.76 m/s a 560 rpm, en la descarga del disco. Para el diseño propuesto, se encontrópara un punto de velocidad similar (187 rpm) una diferencia de 1.72 m/s mayor que la reportada [5]. Parala segunda velocidad (560 rpm), se tiene una diferencia de 0.02 m/s menor que la reportada. Para efectosprácticos no existe diferencia, sin embargo es importante señalar que la velocidad reportada por Wallis,Lisa es obtenida por un método numérico.
4. En la succión se observa, que el perfil de velocidad no es afectado directamente por los efectos de rotaciónde la pista de frenado (figuras 7 y 9).
5. En los perfiles de velocidad en la succión (figura 9 a), se evidencian incrementos de velocidades nosignificativos en la rotación de 187 y 561 rpm (0.22 y 0.24 m/s), sin embargo para la velocidad de 748rpm (0.75 m/s) se mide un incremento de 47% con respeto a los dos puntos de velocidad más bajos
6. Finalmente, el diseño geométrico propuesto posee características de ventilación óptimas, de acuerdo a losresultados experimentales obtenidos.
Figura 9 a) Velocidad en la zona de succión; b) Velocidad en la zona de descarga.
REFERENCIAS.
[1] E. Caribaño , M. González y M. del Amo, «Diseño de Discos de Freno desde un Punto de VistaMultidisciplinar.,» DYNA, vol. 80, nº 3, pp. 27-32, Abril 2005.
[2] F. Talati y S. Jalifar, «Investigation of heat transfer phenomena in a ventilated disc brake rotor with straightradial rounded vanes,» Journal of Applied Sciences, vol. 8, nº 20, pp. 3583-3592, 2008.
[3] R. Limpert, «Cooling analisis of disc brake rotors,» de Truck Meeting, Philadelphia, 1975.
[4] A. McPhee y D. Johnson , «Experimental heat transfer and flow analysis of a vented brake rotor.,»International Journal of Thermal Sciences., vol. 47, nº 4, p. 458.467, Abril 2008.
[5] L. Wallis, E. Leonardi, B. Milton y P. Joseph, «Air flow and heat transfer in venitlated disc brake rotors withdiamond and tear-drop pillars,» Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, vol. 41, nº 6-7, pp. 643-655,2002.
[6] M. Tirovic, «Develpment of ventilated brake discs,» de JUMV International Automotive Conference withExhibition., Beograd, Servia, 2007.
[7] A. H., A. E. y D. Von, NACA Report 824 Summary of Airfoil Data, Langley Field: National AdvisoryCommittee for Aeronautics., 1945.
[8] R. Jimenez, “Influencia de los elementos grafitizantes sobre las propiedades mecánicas y térmicas de un discode freno automotriz de hierro gris hioereutéctico, Mexico: Tesis SEPI ESIME UA, 2011, pp. 54-57.
