Disco de Freno

7/25/2019 Disco de Freno

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TECNOLOGA DE FABRICACIN MECNICA

A L E X A N D E R S A T R S T E G U I L O P E T E G U IA L B E R T O P R E Z F E R N N D E ZJ A I M E E C H A P A R E L E Z A U ND A N I E L J I M N E Z C A R R I L L O

DISCO DE FRENO


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NDICE

1.INTRODUCCIN

2.MATERIALES

3.

PROCESO DE FABRICACIN

4.DISEO


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Introduccin

Los frenos de los coches pueden ser de dos tipos principalmente, frenosde tambor, este tipo de frenos fueron inventados por Louis Renault en1902 y son los ms antiguos de los dos, consisten en un tambor que giraal mismo tiempo que las ruedas. Dentro de este tambor hay un par dezapatas que en el momento de la frenada son presionadas contra eltambor produciendo friccin y provocando que se detenga el vehculo.

Estos frenos de tambor tenan muchos problemas, puesto que no podan

disipar con facilidad el calor producido por la friccin entre el tambor ylas zapatas. Otro inconveniente fue que haba que ajustar regularmentelas zapatas hasta que en los aos 50 se invent un sistema automticocon el que ya no era necesario ajustar las zapatas continuamente.

Entre los aos 60 y 70 se fue gradualmente dejando de fabricar cochescon frenos de tambor en el eje delantero y comenzaron a aparecer losfrenos de disco.

Los frenos de disco presentan una gran ventaja frente a los frenos detambor ya que disipan mucho mejor el calor producido por la friccin.

Los frenos de discos pueden ser de diferentes materiales, cermicos, defundicin, de materiales compuestos Consisten en un disco al cual se le

realizan unos agujeros estratgicos para disipar el calor, este disco girasolidario con el eje de las ruedas y en este caso hay unas pinzas quecuando se presiona el pedal de frenado estas se aprietan contra el discoproduciendo una gran friccin, lo que provoca la frenada del vehculo.

En este trabajo vamos explicar los diferentes diseos que hay dentro delos frenos de discos, los materiales de los que se hacen estos frenos y porltimo su proceso de produccin.


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Las partes de un disco de freno son:

MATERIALES:

En los discos de frenos se buscan por un lado materiales que seancapaces que trabajar a altas temperaturas sin perder sus propiedades,puesto que la fuerza de frenado se traduce en grandes cantidades decalor, y por otro lado materiales que sean duros para as poder aguatar elmayor nmero de ciclos posibles.

Los frenos de coches pueden estar compuestos de diferentes materialescomo:

Discos de frenos cermicos:

Estn compuestos de carburo de silicio un material muy resistentea la abrasin (tiene un punto de fusin de 1700, ms quesuficiente para este tipo de aplicaciones) y extremadamente duro.Estas caractersticas son ideales para este tipo de frenos ya quepor su naturaleza necesitan ser duros para aumentar los ciclos devida necesarios y ser capaces disipar la energa de frenado a travsde energa calorfica.Tambin estn entrelazados con fibras de carbono las cuales

absorben las tensiones que le llega a los frenos.


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Poseen un 50% menos de peso frente a los frenos convencionales,una duracin de hasta 300.000 Km y frenan de 100 Km/h a 0 Km/hen 3m.

Discos de frenos de fundicin gris nodular de grafito laminar:

Tiene un porcentaje de hierro alto entre el 92-93%, adems delhierro tiene otros componentes como el silicio y el manganeso quegarantizan una alta calidad de frenado. El silicio le aporta la durezanecesaria para no desgastarse y alargar su vida til y el manganeso

mezclado con el hierro provocan una aleacin inoxidable.


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Discos en materiales compuestos en matriz de carbono:

Este tipo de discos son muy caros y no podran usarse en loscoches convencionales, solo se usan en coches de frmula 1,

aviones,que tienen unas exigencias de frenado mucho mayores.Estn compuestos de una matriz de carbono reforzada con fibra decarbono, estos discos se denominan discos carbono-carbono.Este es un compuesto mucho ms resistente a las altastemperaturas por lo que mantiene mucho mejor sus propiedades amuy altas temperaturas, llega a los 700C sin variar suspropiedades e incluso a picos de 850C en frenadas fuertes, y estambin ms ligero y resistente que los discos de frenoconvencionales de fundicin o cermicos.

Discos de freno 911 Turbo.

Estn hechos de compuesto de Carbono en una base Cermicapara darle la resistencia a las altas temperaturas que operan.Los discos son de color negro (por el carbono) y cermica comocompuesto base, por eso a medida que se desgastan se desprendeun polvo negro. Las pastillas que usan estos discos son tambin decarbo-cermica o de carbono.La principal ventaja de estos frenos es su bajsimo peso, su altsimopoder de frenado y su gran poder estructural que evita roturas,grietas y fallas a altas temperaturas. Pueden detener un vehculo


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de 320 Km/h a 0 km/h en menos de 30 metros. Nos se usan muchodebido a su alto coste.

Ya que la dureza es una de las propiedades que se busca en losmateriales que componen los frenos de disco, debido a queconstantemente estn rozando contra las pastillas de freno y estoproducira un desgaste considerable en los discos si estos notuviesen un alto grado de dureza.

Hemos realizado un ensayo de dureza Vickers para los frenos dedisco cermicos (carburo de silicio) y para los discos de aceroinoxidable.

Este tipo de ensayo consiste en medir la seccin que deja unaprensa cuando introduce una punta de diamante (se suelen usardiamantes sintticos ya que son ms baratos y tienen mejorespropiedades que los diamantes naturales) en forma de pirmidecuadrada sobre el material del que se desea conocer la dureza

durante un corto periodo de tiempo de 10-15s.A partir de la seccin medida sacamos el dimetro medio que dejala huella y mediante unas formulas se obtiene la dureza vickers.

Ensayo del carburo de silicio:

En este ensayo vamos a aplicar una fuerza de prensado de 10 Kpsobre una lmina de carburo de silicio durante 15s y luego la

retiraremos.


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Al bajar la prensa y retirarla nos queda una superficie de 3.45 xmm2. Con este dato sacamos el dimetro medio de la huella:

S=

d=d=0.08mm

Conocido el dimetro podemos sacar la dureza Vickers con lasiguiente formula:

Hv=1.854x

=2900 Kp/mm2.

Donde:S= superficie de la huella en mm2

d=dimetro medio en mm.P=fuerza de prensado en Kp.

Ensayo de acero inoxidable:

Vamos a usar una fuerza de prensado de 30 Kp sobre una lminade acero inoxidable durante 15s y luego la retiraremos ymediremos la superficie de la huella:

La superficie de la huella nos da S=0.168mm2ahora a partir de lasuperficie vamos a sacar el dimetro medio con la siguienteformula:

S=

d=d=0.0.558mm

Como podemos observar ya vamos viendo indicaciones de que elacero es menos duro que el carburo de silicio, ya queprimeramente en el acero nos da una huella ms grande que en elSiC, lo que indica que la punta de diamante ha podido penetrarms en este material que en el SiC.

Ahora vamos a sacar la dureza vickers de la misma manera queantes:


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Hv=1.854x

=180 Kp/mm2.

Donde:S= superficie de la huella en mm2

d=dimetro medio en mm.P=fuerza de prensado en Kp.

Como podemos observar el carburo de silicio es un material msduro que el acero inoxidable, aunque al ser ms duro es tambinms frgil, por lo que dependiendo de la situacin usamos unmaterial u otro para fabricar los discos.Aunque la dureza no es la nica condicin para la eleccin del

material de freno tambin entran en juego la capacidad paradisipar el calor y la fragilidad.

PROCESO

MATERIALES

La materia prima utilizada en la fabricacin de discos de freno procedede latas de refrescos o de conservas de la fabricacin inicial. Otrasmaterias proceden de acero de carrocera que sobra de las fabricas deautomocin.


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Estas provienen en forma de cubo porque es ms fcil su manipulacin. Yaparte se reutiliza el material sobrante en nuestro proceso. Paratransportar el material al horno se utiliza un imn capaz de soportar 700kg.

FUNDICIN

Introducimos en un horno de induccin las materias primas ms aditivos(grafito, ferrosilicio, ferrotitanio y cobre) para dotar al material demejores propiedades. Dicho horno tiene una capacidad de 20 toneladas ytarda en fundir todo el material alrededor de 45 minutos hasta conseguiruna temperatura de 1500 C.


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Aproximadamente a los 10 minutos de fundicin comienza a separarse elmaterial metlico del no metlico de las materias primas, que flota en lasuperficie. A esto le llamamos escoria, la cual se retira mediante una gray unas pinzas.

A travs de unos recipientes se lleva el lquido del horno a la zona demoldeo.

MACHO

Para el moldeo del lquido se necesita la fabricacin del macho. Este sirve

para intercalarlo entre los moldes y que cree unos huecos que faciliten su


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ventilacin. Va en el interior de un molde como si fuera el relleno de unSandwich (molde exterior, macho, molde exterior).

Es un disco de ventilado ya que una vez echado el hierro, las zonas vacasdel macho se rellenan dejando unas ventanas por las que pasa el aire. Lasventanas se forman con las paletas que contiene el macho. El macho est

formado una base de arena a la que se aaden resinas y aditivos. Unamquina llena unas huellas con la forma del macho y le introduce un gaspara endurecer dicha arena. A continuacin se le da un recubrimientorefractario con una pintura con base de agua. El manipulador lo deja enla cinta del horno y ah a unos 100C para que desaparezca la humedadde la pintura. A continuacin la introducimos en le transportador demachos y se ira a la lnea de moldeo. hacemos un disco ventilado paraque dure mas ya que para atravesarlo el aire del frenado se refrigere.

MOLDE

El molde se hace con arena negra formado con varias sustancias. Una deellas es la bentonita que hace que se peguen los granos de arena,necesaria para moldear el molde y que tenga forma.


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Se pone en contacto con unas placas modelo que hacen la forma que

queremos que obtenga el disco.

El macho hay que meterlo en el moldeo.


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En la lnea de moldeo se hacen los moldes. La arena llega a las placasque tiene grabadas la forma del disco, se cierran y dejan esa forma en laarena.

Se hacen los moldes de dos en dos. De este proceso sale un bloquerectangular de arena con las hendiduras por donde entrar el hierro, quetomar la forma del disco de freno.


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SOLIDIFICACIN

Se echa el caldo dosificando molde a molde el hierro en cada unidad yesperamos a que solidifique obteniendo las piezas.


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A continuacin las piezas van avanzando por una cinta a la vez que se vanenfriando. Llegan a una bandeja vibrante que lo transporta a un cilindroque contiene otra bandeja vibrante en espiral para alargar la lnea deenfriamiento.

En este proceso el molde ha perdido la forma y la arena se separa delhierro por la vibracin. Separamos el hierro til del que no es til.


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MECANIZADO

Este proceso consiste en eliminar material de aquellas partes del disco

que son ms importantes. Se arranca material hasta acabar la pieza. Lapieza inicial es de unos 10-11 kg de la cual eliminaremos unos 2 kg. Lapieza se coloca en un cabezal que puede estar girando a unas 3000revoluciones. Con plaquitas de material cermico muy duro se quitamaterial y se va puliendo la pieza. Hacemos mecanizado ms fino en laszonas del disco mas crticas como pueden ser las pastillas de freno odonde se va apoyar el disco dentro del vehculo.

Se taladran los agujeros gracias a los cuales se montan dentro delvehculo. A continuacin verificamos si el tamao y la posicin de losagujeros estn bien realizados. Hay que tener en cuenta a la hora de lafabricacin que cada disco es especfico para cada vehculo dependiendode la potencia y el peso del coche.


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Dentro del mecanizado el ltimo paso es equilibrar la pieza. Se verificadonde hay mas material y lo eliminamos igualndolo. Este paso se realizaen una mquina la cual se encarga de calcular si la pieza est equilibraday en caso de que no lo est la equilibra con una presa quitndolematerial.

PINTURA

En algunos casos el cliente pide que se pinte la pieza, adems deagregarle propiedades anticorrosivas para que no quede rojizo el disco.Cada 12 segundos se pinta un disco, pintando nicamente el bordeexterior y el borde interior dejando sin pintar el centro ya que se tratadel espacio para las pastillas de freno, las cuales levantaran la pintura.Por ltimo un robot coge los discos y pintados y los introduce a un hornopara su secado y as obtener el producto final.


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DISEO:

Los discos de freno, como ya se ha comentado con anterioridad,son la herramienta con la cual interactan las pastillas para frenarla mquina o vehculo en el que dichos discos han sido instalados,ya que stos giran solidarios a las ruedas de los vehculos o al rotorde algunas mquinas.

El rozamiento entre los discos y las pastillas es lo que produce latransformacin de energa; de cintica a calorfica provocando asla reduccin de la velocidad. El disco no solo es la herramienta,

que junto con las pastillas nos proporcionan este cambio deenerga. El disco elegido debe tener ciertas caractersticas en sudiseo que le permitan disipar toda esa cantidad de energarpidamente a la atmosfera, evitando as que el sistema Pastillas-Discos no opere a temperaturas muy elevadas evitando as uncolapso del sistema.

Si bien es cierto que el diseo de unos discos a otros puede variar,su geometra por lo comn es siempre la misma; un cilindro al que

agarran las pastillas para producir la transformacin de energa.Con el paso de los aos se han ido aadiendo nuevas geometrasque acompaan al cilindro principal para mejorar la disipacin delcalor producido.

Las partes de las que se componen la mayora de los discos defreno de hoy da son:

La pista: Es la superficie dnde se produce la friccin que dacomo resultado el la transformacin de energas, y diseadapara que se d la mayor parte disipacin del calor, llegandoa ser como mnimo del valor de unos 250 W/cm2 , pero engeometras que cuentan con ventilacin interior este valoraumenta de manera considerable llegando a los 700W/cm2.


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La fijacin: En la parte central del disco existe un agujero

(taladro) en el que se aloja el buje, que por detrs incorporaunos chaflanes que ayudan al apoyo de la mangueta paraque la fijacin del disco sea perfecta. Alrededor del taladro

donde se aloja el buje existen una serie de taladros menoresque permite el paso de los pernos para el anclaje de lasruedas.

La campana: Es el cilindro que une la banda con el sistemade fijacin que lleve el disco.

Filtro Trmico: Es un canal mecanizado que separa la pistade la fijacin, que ayuda a reducir el calor que pasa de lapista a la campana.

El principio de funcionamiento de los frenos como ya hemos vistoanteriormente se basa en que la energa cintica que lleva el

vehculo debe de disiparse en forma de calor. Este calor seacumula principalmente en los discos, pero como es lgico stosno pueden almacenarlo de manera infinita, por tanto la disipacina la atmosfera debe realizarse de manera eficiente.

La forma ms sencilla de lograrlo es que una corriente de aireatraviese el disco, funcionando as como un intercambiador decalor y ayudando a la disipacin de calor de la superficie del disco.


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Aqu entran en juego el filtro trmico y dems que ayudan adistribuir de manera uniforme el aire que procede de la atmosferapor todo el disco.

El disco ventilado es la composicin de dos pistas separadas poraletas en su interior. Estas aletas garantizan la cohesin del discopermitiendo el paso de aire por su interior. Gracias a estas aletas,el enfriamiento del disco no solo se produce en la superficieexterior del disco sino que adems se produce su enfriamiento porel interior.

Otra de las mejoras a la reduccin de calor que consigue lacampana del disco es una ranura en forma de canal situada justoen la conexin entre la pista y la campana, es lo que antes hemosdenominado el filtro trmico. Al reducirse la seccin por la que

pasa el calor el gradiente trmico aumenta, dando as unadiferencia de temperaturas mayor entre la campana y el disco, enlo que se traduce como menos temperatura en la campana deldisco.

A continuacin os dejo los planos del freno de disco que hemoselaborado:


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PLANOS

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