Embed Size (px)
Citation preview
ÍNDICE
ESTE PROYECTO CONTIENE LOS SIGUIENTES DOCUMENTOS: � DOCUMENTO Nº1, MEMORIA
1.1 Memoria pág. 01 a 221 222 páginas 1.2 Cálculos pág. 222 a 236 15 páginas 1.3 Anejos pág. 237 a 347 110 páginas
� DOCUMENTO Nº2, PLANOS
2.1 Lista de planos pág. 01 a 02 02 páginas 2.2 Planos pág. 03 a 11 09 páginas
� DOCUMENTO Nº3, PLIEGO DE CONDICIONES
3.1 Técnicas y Particulares pág. 01 a 04 05 páginas 3.2 Generales y Económicas pág. 05 a 08 04 páginas
� DOCUMENTO Nº4, PRESUPUESTO
4.1 Mediciones pág. 01 a 01 01 páginas 4.2 Precios Unitarios pág. 02 a 02 01 páginas 4.3 Sumas parciales pág. 03 a 03 01 páginas 4.4 Presupuesto General pág. 04 a 05 02 páginas
PROYECTO FIN DE CARRERA
DISEÑO, CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN/ADAPTACIÓN DEL
SISTEMA DE FRENADO PARA UN PROTOTIPO DE FÓRMULA SAE.
AUTOR: JESÚS RODRÍGUEZ ORTEGA
MADRID, junio de 2006
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
Autorizada la entrega del proyecto del alumno:
Jesús Rodríguez Ortega
EL DIRECTOR DEL PROYECTO
Ángel De Andrés Martínez
Fdo: Fecha:....../……/……
Vº Bº del Coordinador de Proyectos
José Ignacio Linares Hurtado
Fdo: Fecha:....../……/……
RESUMEN DEL PROYECTO
El presente proyecto se centra, a título genérico y coincidiendo con el
objetivo del mismo, en el diseño, cálculo, construcción/adaptación de un sistema de
frenos para un prototipo de vehículo tipo monoplaza, atendiendo a criterios de
máxima fiabilidad, altas prestaciones y viabilidad económica, con la finalidad de
participar en la prestigiosa competición Formula Student.
Para ello, en un primer momento, se ha creído conveniente realizar un estudio
profundo del fenómeno del “mecanismo de la frenada” analizando los conceptos
fundamentales relacionados con el frenado de los vehículos convencionales, y
especialmente centrándonos en los aspectos relacionados con el reparto óptimo de
frenada y con el proceso de deceleración.
Así posteriormente se ha realizado un rápido recorrido por los elementos que
componen los sistemas de freno utilizados actualmente en la industria de la
automoción, enfocando inmediatamente dicha tarea hacia el estudio de los sistemas
de freno mediante disco, debido a su perfecta y óptima utilización como solución al
proyecto. De esta forma se ha profundizado en el mecanismo de fricción entre disco
y pastilla, y se han tocado aspectos tan determinantes en su funcionamiento como
son el desgaste y agrietamiento, fatiga térmica, estrés mecánico y temperatura de
régimen.
Una vez adquirido el máximo volumen de conocimientos sobre los sistemas
de frenada convencionales, se ha realizado un estudio de las exigencias particulares
de los vehículos Fórmula SAE en referencia a este aspecto, realizando un análisis
detallado de las alternativas más comunes en este ámbito y que nos permitirá escoger
aquella que mejor se ajuste a nuestras necesidades.
Así nuestras metas de diseño han sido, desde un primer momento, alcanzar una
desaceleración máxima de 1.6g hasta el límite de adherencia del neumático a través de
un sistema lo mas ligero y fiable posible, a la vez que proporcione una apropiada
distribución de fuerzas entre ambos ejes que asegure la estabilidad y control del
vehiculo. Todo ello con un presupuesto limitado de $3000.
La tarea de llevar a cabo el dimensionamiento del sistema de frenos ha
requerido obtener en todo momento un profundo conocimiento de las fuerzas y
momentos que actúan a lo largo de los componentes que lo forman, a través de la
realización de un completo análisis de dinámica de la frenada. Así también nos hemos
apoyado en la igualdad establecida entre el par de frenada máximo generado por el
contacto neumático-asfalto y el par generado como consecuencia de la fricción entre
disco y pastilla para determinar el radio óptimo de los discos de freno, así como de los
diámetros convenientes de los pistones de las bombas y de las pinzas de freno. Todo
ello influenciado por al cumplimiento de una estricta normativa impuesta por la
organización de la competición Formula Student y unos criterios de diseño y
limitaciones establecidas inicialmente.
Así finalmente nuestro sistema de frenos elegido se compone de:
� Un doble circuito hidráulico independiente.
� Dos discos delanteros independientes externos con pinzas de freno fijas
de simple pistón.
� Un disco trasero montado sobre el diferencial autoblocante con pinza de
freno fija de simple pistón.
� Dos bombas de freno independientes montadas sobre el conjunto del
pedal de freno.
� Repartidor de frenada ajustable desde la posición del conductor
Una vez definido y justificada convenientemente la elección de nuestro
sistema de frenos se ha pasado por un lado, a su adquisición a través de los
distribuidores y fabricantes pertinentes para llevar a cabo su instalación en el
monoplaza, y por otro lado, a la modelización de todos y cada uno de los 44
elementos diferentes que componen nuestro sistema, proceso realizado a través de la
potente herramienta informática CATIA V5. Así una vez realizado el ensamblaje del
sistema, formado por más de 150 elementos, y asignado el material del cual estará
compuesto cada uno de ellos, esto nos ha permitido obtener una valiosa información
en cuanto a lo que se refiere, por ejemplo, a momentos de inercia y pesos de masas
no suspendidas, posición del CG y peso el sistema en su conjunto y la posibilidad de
realización de los planos de conjunto y de despiece de los elementos más
significativos.
PROJECT ABSTRACT
The main aim of this project consists of the design, calculation,
construction/adjustment of a brake system for a prototype of vehicle type single-
seater, under the maximum reliability, high performance qualities and economic
viability, with the purpose of taking part in the prestigious competition Formula
Student.
To design a brake system for a vehicle of mass of approximately 300kg,
maximum speeds of 120 km/hr and average speed of 60km/hr, the brake system must
give high performance braking efficiency and stability during operation. The weight
and the dimension of the brake system must be as small as possible because of the
unsprung weight and inside wheel diameter limitation. Finally, the safety of the
vehicle occupant is also a primary concern.
A disc brake system is used in the front and rear of the car. A dual brake
system was used at the front (Outboard) and single brake system was used at the rear
(Inboard). Floating-Calliper disc brake system with 2 pistons in each calliper was
used in both cases. Two grooved brake discs with a diameter of 248mm were used at
the front and one grooved brake disc with 248mm diameter was used at the rear
brake. Two independent master cylinders and an additional balance bar are used in
the system. The reasons for using dual brake system at the front and single brake
system at the rear is because of the weight and cost saving. During the running of the
car, most of the load will be transferred to front of the car when braking. Thus, a
stable brake system must design at the front of the car.
Because of the safety reasons, dual braking systems or two independent
master cylinders are required in this brake system. The main advantage of this design
is; if one of the systems (either front or rear) fails, the one (either rear or front) that
remain operation can stop the car.
Once defined and justified properly the election of our brake system we have
made, on the one hand, its acquisition through the different distributors and
manufacturers to carry out its installation in the single-seater, and on the other hand,
to the 3D design of all the 44 different elements that they compose our system,
process made through the powerful computer science tool CATIA V5. Thus once
made the assembly of the system, formed by more than 150 elements, and assigned
the material of which one of them will be compound each, this has allowed us to
obtain valuable information.
1. MEMORIA
ÍNDICE MEMORIA:
1.1 MEMORIA DESCRIPTIVA 1
1.2 CÁLCULOS 221
1.3 ANEXOS 237
1.1 . MEMORIA DESCRIPTIVA
ÍNDICE
ÍNDICE MEMORÍA
1.1 MEMORIA DESCRIPTIVA.........................................................................1
1.1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO.........................................................................................1
1.1.2 ANTECEDENTES.............................................................................................................3
1.1.3 DATOS DE PARTIDA ......................................................................................................6
1.1.3.1. CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO ..................................................................7
1.1.3.2. NORMATIVA DE COMPETICIÓN........................................................................11
1.1.4 DESCRIPCIÓN DEL CONJUNTO ...............................................................................13
1.1.4.1. EL MECANISMO DE LA FRENADA....................................................................13
1.1.4.1.1. INTRODUCCIÓN...............................................................................................13
1.1.4.1.2. FUERZAS Y MOMENTOS QUE ACTÚAN EN EL PROCESO DE FRENADA
.............................................................................................................................15
1.1.4.1.3. CONDICIONES IMPUESTAS POR LA ADHERENCIA.................................18
1.1.4.1.4. REPARTO ÓPTIMO DE LAS FUERZAS DE FRENADO...............................21
1.1.4.1.5. EL MECANISMO DE FRICCIÓN .....................................................................24
1.1.4.1.5.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................24
1.1.4.1.5.2. EL FRENADO..............................................................................................28
1.1.4.2. SISTEMA DE FRENOS EN EL AUTOMOVIL......................................................29
1.1.4.2.1. SERVOFRENO...................................................................................................29
1.1.4.2.2. BOMBA DE FRENO ..........................................................................................31
1.1.4.2.3. CORRECTOR DE FRENADA ...........................................................................32
1.1.4.2.4. PINZA DE FRENO.............................................................................................34
1.1.4.2.5. CONDUCTOS Y LATIGUILLOS......................................................................38
1.1.4.2.6. LIQUIDO DE FRENOS......................................................................................40
1.1.4.3. PASTILLAS DE FRENO.........................................................................................42
1.1.4.3.1. COMPOSICIÓN..................................................................................................42
1.1.4.3.2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LAS PASTILLAS DE FRENO ..............45
ÍNDICE
1.1.4.3.3. CONJUNTO PINZA-PASTILLA .......................................................................50
1.1.4.3.4. PARÁMETROS QUE DEFINEN EL MATERIAL DE FRICCIÓN..................52
1.1.4.4. EL DISCO DE FRENO ............................................................................................62
1.1.4.4.1. INTRODUCCIÓN...............................................................................................62
1.1.4.4.2. GEOMETRÍA DEL DISCO DE FRENO............................................................64
1.1.4.4.3. EL ESTRÉS MECÁNICO...................................................................................69
1.1.4.4.4. EL ESTRÉS TÉRMICO......................................................................................71
1.1.4.4.5. SIMULACIÓN ....................................................................................................73
1.1.4.4.6. LOS PERFECCIONAMIENTOS........................................................................75
1.1.4.4.7. TEMPERATURA DE RÉGIMEN ......................................................................78
1.1.4.4.8. DESGASTE Y AGRIETAMIENTO...................................................................80
1.1.4.4.9. DESGASTE, ESPESOR MÍNIMO Y TEMPERATURA ...................................86
1.1.4.5. DINÁMICA DE LA FRENADA..............................................................................94
1.1.4.6. SISTEMA DE FRENOS DE UN VEHÍCULO FSAE. ANÁLISIS DE
ALTERNATIVAS..................................................................................................110
1.1.4.7. DISEÑO DEL SISTEMA DE FRENOS DEL PROTOTIPO.................................123
1.1.4.7.1. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA ............................................................123
1.1.4.7.2. CRITERIOS DE DISEÑO.................................................................................142
1.1.4.7.3. METODOLOGÍA DE DISEÑO........................................................................149
1.1.4.7.4. DIMENSIONAMIENTO Y ELECCIÓN DEL SISTEMA DE FRENOS.........152
1.1.4.7.5. SISTEMA HIDRÁULICO ................................................................................170
1.1.4.8. COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA ELEGIDO..............................................179
1.1.4.8.1. PARES DE FRENADA.....................................................................................179
1.1.4.8.2. DECELERACIÓN.............................................................................................180
1.1.4.8.3. DISTANCIA DE FRENADO............................................................................181
1.1.5 DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES ..............................................................................184
1.1.5.1. INTRODUCCIÓN..................................................................................................184
1.1.5.2. DISCO DE FRENO................................................................................................184
1.1.5.3. PINZA DE FRENO ................................................................................................186
ÍNDICE
1.1.5.4. PASTILLA FRENO: ..............................................................................................187
1.1.5.5. BOMBA DE FRENO: ............................................................................................189
1.1.5.6. DEPÓSITO LÍQUIDO FRENOS: ..........................................................................190
1.1.5.7. PEDAL DE FRENO: ..............................................................................................192
1.1.5.8. REPARTIDOR DE FRENADA: ............................................................................192
1.1.5.9. MANDO REGULADOR DE FRENADA:.............................................................193
1.1.5.10. CONDUCTOS:.......................................................................................................193
1.1.5.11. CONECTORES Y ADAPTADORES: ...................................................................195
1.1.6 MODELIZACIÓN EN CATIA.....................................................................................200
1.1.6.1. DISEÑO DE COMPONENTES Y ENSAMBLAJE DEL CONJUNTO................200
1.1.6.2. ALTURA DEL CENTRO DE GRAVEDAD DEL CONJUNTO..........................208
1.1.6.3. OBTENCIÓN DE PLANOS...................................................................................211
1.1.7 CONCLUSIONES .........................................................................................................212
1.1.8 RECOMENDACIONES................................................................................................216
1.1.9 RESUMEN DEL PRESUPUESTO...............................................................................218
1.1.10 BIBLIOGRAFÍA ...........................................................................................................220
1
1.1 MEMORIA DESCRIPTIVA
1.1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO
El objetivo fundamental del presente proyecto se centra en el diseño, cálculo,
construcción/adaptación de un sistema de frenos para un prototipo de vehículo tipo
monoplaza, atendiendo a criterios de máxima fiabilidad, altas prestaciones y
viabilidad económica, con la finalidad de participar en la prestigiosa competición
Formula Student.
De esta forma se realizará el dimensionamiento de aquellos elementos que
formarán nuestro sistema, y que mejor se ajusten a las exigencias de frenada
marcadas por las características y prestaciones particulares de esta clase de
vehículos. Estos componentes serán: discos de freno, pastillas, pinzas de freno,
bombas hidráulicas, depósitos de fluido, pedal de freno y los sistemas hidráulicos del
sistema que conectarán dichos elementos.
Por tanto el presente proyecto servirá, como medio para adquirir amplios
conocimientos sobre el funcionamiento de los sistemas de freno más comunes
empleados actualmente en el sector del automovilismo y en particular sobre los
sistemas de frenos de disco, dada su apropiada utilización como solución, de tal
forma que esto permita crear una base sólida de conocimiento técnico que favorezca
la elección del sistema de frenos óptimo para el prototipo.
2
Así, una vez elegido el sistema a instalar, se realizará un exhaustivo estudio
de la dinámica de frenada del vehículo, lo cual nos permitirá conocer en todo
momento los esfuerzos y momentos que son desencadenados a lo largo del sistema,
con el objetivo de que esto nos permita corroborar la idoneidad o no de dichos
componentes y nos posibilite su posterior adquisición e integración dentro del
vehículo.
El presente proyecto, a su vez, como parte de un proyecto conjunto
promovido por la Universidad Pontificia de Comillas e iniciado en el presente año,
posee el objetivo añadido de que cada uno de los integrantes del equipo debe obtener
una amplia y necesaria visión de conjunto de los diferentes sistemas que constituyen
un vehículo, motivado por la estrecha dependencia existente entre estos, y que hará
imprescindible un continuo trabajo. Las divisiones creadas dentro del actual equipo
Fórmula SAE son: Motor, Transmisión, Frenos, Suspensión, Dirección, Chasis-
estructural, Chasis-aerodinámica, Diseño conceptual, Circuitos eléctricos y Control y
Organización.
Así en este sentido, la iniciativa emprendida por el actual equipo Fórmula
SAE, constituye el deseo de que sea el comienzo en la creación y asentamiento de
una “escuela del automovilismo” dentro de la universidad, donde se dé la
oportunidad a futuros estudiantes para que continúen este ambicioso proyecto.
3
1.1.2 ANTECEDENTES
La Formula Student constituye la competición más ambiciosa, grande y
prestigiosa de su clase en toda Europa. Puesta en marcha por el instituto de ingenieros
mecánicos (IMechE), en colaboración con la asociación de ingenieros del automóvil
(SAE) y el instituto de ingenieros eléctricos (IEE), organiza cada año un evento con el
objetivo de retar a más de 120 universidades de todo el mundo en el diseño,
construcción, desarrollo, gestión y competición dentro de un equipo con un vehículo
reducido tipo monoplaza.
Las restricciones impuestas por la organización en el diseño del chasis y del
motor del vehículo son realizadas con el fin de desafiar el conocimiento, la
creatividad, y la imaginación de los estudiantes. Los coches se construyen bajo un
continuo trabajo en equipo durante un periodo de tiempo de un año y son llevados a
una competición para su evaluación con el resto de proyectos.
4
Actualmente, las empresas del sector de la automoción y de los equipos de
competición, así como el conjunto total de compañías dedicadas a la ingeniería, son
conscientes de la importancia que supone, en su éxito corporativo la continua
formación de jóvenes ingenieros cualificados. En este sentido el proyecto Fórmula
Student constituye un reclamo constante de estudiantes dentro de las escuelas de
ingeniería de todo el mundo, contribuyendo así, a mantener y desarrollar esta fuente
continua de jóvenes valores. Así consigue transmitirles una continua motivación y
entusiasmo que les permitirá vivir, a través de la competición, una experiencia
inigualable contribuyendo a prepararles para el éxito en su carrera profesional.
Su historia comienza en 1981 en los Estados Unidos a través de la creación del
programa Fórmula SAE. En 1998 dos vehículos americanos y dos ingleses
compitieron en una demostración realizada en Gran Bretaña. Posteriormente la
iniciativa fue considerada de un alto valor e interés, al proporcionar a los estudiantes
excelentes oportunidades y la posibilidad de aplicar de una forma alternativa los
conocimientos prácticos adquiridos. Así posteriormente el IMechE acepto la gestión
del proyecto en Europa en colaboración con la sociedad de ingenieros del automóvil,
estableciendo unas normas de competición comunes que permitiera el flujo continuo
de competidores entre ambas competiciones. Actualmente, y debido al creciente éxito
del evento, los equipos pueden optar por participar dentro de la Formula SAE
americana, Formula Student europea, Formula SAE australiana, italiana o brasileña.
Así la Universidad Pontificia de Comillas, a través de la creación del equipo
Fórmula SAE, formado por 10 alumnos de la universidad, ha iniciado, en el presente
5
año y bajo estos criterios, el proyecto de diseño y construcción de un vehículo tipo
fórmula, con el propósito de entrar en competición el próximo año 2007. De esta
forma el estudiante, a través de la realización de su proyecto final de carrera, se
encarga de diseñar y construir un sistema específico del vehículo, así como de buscar
y obtener los recursos necesarios para su realización, enfrentándose, a lo largo de todo
el proceso, ante problemas de la vida real: manejando un presupuesto, tiempos de
entrega y aplicación de los conocimientos técnicos adquiridos durante estos años en la
universidad.
De esta forma el presente proyecto responde a la necesidad específica de
cubrir el diseño y construcción del sistema de frenos del vehículo.
6
1.1.3 DATOS DE PARTIDA
Como se ha indicado la competición de Formula SAE está destinada a
estudiantes para concebir, diseñar, fabricar y competir con pequeños vehículos tipo
monoplaza. Las restricciones en la estructura del coche y el motor están limitadas
para que el conocimiento, la creatividad y la imaginación de los estudiantes se vean
desafiados. Los coches se construyen basados en el trabajo en grupo durante un
periodo de un año, y entran en la competición anual para ser examinados y
comparados con aproximadamente otros 120 vehículos de universidades de todo el
mundo. El resultado es una gran experiencia para jóvenes ingenieros en un proyecto
muy significativo de ingeniería, así como la posibilidad de trabajar en un equipo.
Los estudiantes, dentro de la competición, son convocados ficticiamente por
una empresa de automoción a un concurso de proyectos para producir un vehículo
prototipo y proceder a su posteriormente evaluación. El sector de mercado al que va
destinado el vehículo es el del corredor aficionado de autocroos de fin de semana. Por
lo tanto, el coche debe poseer un alto rendimiento en términos de aceleración, frenada
y calidad. A su vez debe poseer un reducido coste, un sencillo mantenimiento y una
alta fiabilidad y se valorarán otros factores importantes como son la estética, la
comodidad y la utilización de piezas comunes del sector de la automoción. Así la
empresa de automoción prevé producir 1000 unidades al año con un coste por debajo
de los 21000€. El desafío del equipo será por tanto diseñar y fabricar un prototipo de
7
coche que mejor reúna todos estos objetivos. Cada diseño será juzgado y comparado
con respecto al resto de proyectos para determinar cual es la mejor solución.
De esta forma los datos de partida fundamentalmente parten por dos vías: la
normativa de la competición y las necesidades de frenada impuestas por las
características particulares de este tipo de vehículos. Además de los ya comentados
factores de viabilidad, fiabilidad y costes.
1.1.3.1. CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO
Los vehículos Fórmula SAE son monoplazas de unos 3 metros de largo, que
usan motores de 600 cc adoptados de motocicletas, de 4 tiempos y 4 cilindros, que
llegan a los 70 CV de potencia. Esta potencia se utiliza para mover un vehículo de
menos de 250 Kg. de peso, y se regula mediante 6 marchas de cambio secuencial
para conseguir aceleraciones de 0 a 100 Km./h en 4 segundos, y velocidades puntas
de hasta 170 Km./h Conducir un coche de semejantes características no es ningún
juego, son coches nerviosos, de poco peso y tremenda aceleración. En las pruebas
cronometradas se alcanzan fuerzas de hasta 2g. Por ello disponen de potentes frenos
y suspensiones de competición, además de arcos de seguridad delantero y trasero. El
piloto usa mono y casco ignífugos, y tanto el coche como el piloto se enfrentan a
duras pruebas de verificación de seguridad.
8
Así, para la realización del presente proyecto partiremos de un vehículo
conceptual propio de este tipo de competiciones, para el cual nos han asignado la
tarea de dimensionar el sistema de frenos que mejor se adapte a sus características y
especificaciones. Por tanto, esta información constituirá nuestro conjunto de datos de
partida, en base a los cuales desarrollaremos nuestra actividad.
Aunque durante nuestro proceso de diseño no será necesaria la utilización de
toda la información que ha sido proporcionada, esta es presentada a continuación en
sumo detalle y en formato de tabla para su total compresión y conocimiento, y así
nos permita obtener una cisión clara de conjunto y nos denote las altas prestaciones
que poseen esta clase de vehículos. Así dicha información se clasifica en:
dimensiones, suspensión, sistema de frenos, ergonomía, chasis, transmisión y sistema
de propulsión.
Dimensions Front Rear Overall Length, Width, Height 2815mm, 1310mm, 1025mm
Wheelbase 1540mm
Track 1200mm 1100mm
Weight with 68 kg driver 120kg 110kg
Suspension Parameters Front Rear
Suspension Type Unequal length A-Arms, Pullrod activated spring/damper unit
Unequal length A-Arms, Pullrod activated spring/damper unit
Tyre Size and Compound Type 450x170-10 P68 Dunlop 450x170-10 P68 Dunlop
Wheels 3-Piece Keizer Aluminium 10" x 6.5'' - 46mm offset
3-Piece Keizer Aluminium 10" x 6.5'' - 46mm offset
Design ride height (chassis to ground)
65mm 40mm
Center of Gravity Design Height 250mm above ground Suspension design travel 31mm jounce / 21mm rebound 18mm jounce / 23mm rebound Wheel rate 13.6 N/mm 22.6 N/mm Roll rate 1.4°/g with anti-roll bars (2.0°/g without anti-roll bars) Sprung mass natural frequency (in vertical direction)
2.5 Hz 2.9 Hz
9
Jounce Damping ζ = 0.67, 12 click adjustable 0.19 (min) to 1.17 (max)
ζ = 0.58, 12 click adjustable 0.19 (min) to 1.17 (max)
Rebound Damping ζ = 0.83, 12 click adjustable 0.36 (min) to 5.04 (max)
ζ = 0.70, 12 click adjustable 0.36 (min) to 5.04 (max)
Motion ratio 1.64:1 1.38:1 Camber coefficient in bump 0.7°/10mm bump 0.7°/10mm bump Camber coefficient in roll 0.2°/g 0.4°/g Static Toe and adjustment method 2.0mm toe in adj. by tie rods 0.5mm toe in adj. by toe links Static camber and adjustment method
-0.5°, upper ball joint shimmed on upright
-0.6°, upper ball joint shimmed on upright
Front Caster and adjustment method 5.0° + non-adjustable - Front Kingpin Axis 3.5° + non-adjustable - Kingpin offset and trail 39.5 offset, 20mm trail - Static Akerman and adjustment method
150% Ackerman -
Anti dive / Anti Squat 7% 0%
Roll center position static 32.5mm above ground, along car CL
41.0mm above ground, along car CL
Roll center position at 1g lateral acc 32.5mm above ground, moves 1.8mm toward outside wheel
41.0mm above ground, moves 1.5mm toward outside wheel
Steering System location Front wheel, rear steer, inline with lower A-Arm
Ergonomics Driver Size Adjustments Fixed seat and steering wheel. Pedal box adjust 250mm total
Seat (materials, padding) Fibre glass molded base, adapted to driver with individual padding
Driver Visibility (angle of side view, mirrors?)
200° side visibility, rear view mirrors on cockpit sides
Shift Actuator (type, location) CO2 based pneumatic shifter. Steering wheel mounted, dual paddle actuators
Clutch Actuator (type, location) Hand lever mounted on driver's L/H side
Instrumentation Custom Tachometer with shift light, custom temperature gauge, both using high brightness indicators. Standard engine controls mounted in dash.
Frame Frame Construction Steel tube space frame Material Mild steel Joining method and material MIG Welded Targets (Torsional Stiffness or other)
6000 Nm/deg, target weight 40kg
Torsional stiffness and validation method
7700 Nm/deg, Finite Element Analysis (Strand 7)
Bare frame weight with brackets and paint
38 kg
Crush zone material Aluminium honeycomb matrix Crush zone length 150mm Crush zone energy capacity 6547.31 J
Powertrain Manufacture and Model 2001 Honda CBR 600 F4i Displacement 599cm3 Fuel Type 98 octane petrol
10
Induction Atmospheric induction Max Power design RPM 10,500 rpm Max Torque design RPM 8,500 rpm Min RPM for 80% max torque 7,000 rpm Effective Intake Runner Length 150mm Effective Exhaust runner length 500 mm Exhaust header design 4-1 equal length Fuel System (manf'r) Haltech E6x engine management, Student tuned Fuel System Sensors ATS, CTS, CrankPS, CamshaftPS, TPS
Injector location Student designed Aluminium injection manifold @ 30° from vertical
Intake Plenum volume 2000cc Compression ratio 12.5:1 Fuel Pressure 400 kPa above manifold pressure Ignition Timing Digitally programmable by engine management system Coolant System and Radiator location
Side pod mounted radiator with electric fan controlled by engine management
Fuel Tank Location, Type Floor mounted aluminum tank between seat and firewall
Muffler Annular absorption with Steel canister, steel centre pod, twin Glass pack, 4.5 litre total volume
Drivetrain
Drive Type Chain, 525XSO or 520GXW (both will fit standard sprocket configuration)
Differential Type Zexel Torsen University Special. Bias ratio 2.6:1 (stabilized)
Final Drive Ratio Standard sprocket config. provides reduction of 2.875 after gears. Vehicle Speed @ max power (design) rpm
1st 55 km/h 2nd 75 km/h 3rd 94 km/h 4th 109 km/h 5th 122 km/h (will not be used) 6th 132 km/h (will not be used) Half shaft size and material 4140 steel, length = 240.6mm centre-to-centre Joint type Tripod joint with custom aluminium housing
11
1.1.3.2. NORMATIVA DE COMPETICIÓN
La organización del evento Fórmula Student establece una extensa normativa
en base a la cual los equipos deben ceñir el diseño y gestión del proyecto de
construcción del monoplaza. Así, antes de embarcarnos en su realización, se ha
hecho necesario realizar un exhaustivo estudio previo de dicho documento por parte
de cada uno de los integrantes del actual equipo fórmula SAE, de tal forma que esto
nos limitará considerablemente nuestro abanico de posibilidades.
Así particularmente para nuestro sistema de frenos, la normativa determina
que los vehículos Fórmula SAE deben estar equipados de un sistema de frenos que
actúe en las cuatro ruedas y esté dirigido por un solo mecanismo de control.
Debe tener dos circuitos hidráulicos independientes de tal forma que si se
produjera una avería en cualquier punto del sistema la frenada estaría asegurada en al
menos dos de las cuatro ruedas.
Cada circuito hidráulico debe tener su propio sistema de almacenamiento de
fluido, bien, por el empleo de depósitos independientes, o bien, por el empleo de un
único depósito con separación interna. Los sistemas de "freno por cable" están
prohibidos. Así un único elemento de freno que actúe sobre un diferencial
autoblocante es aceptado por la normativa. El sistema de frenado además debe ser
protegido contra posibles daños que se pudieran producirse en averías eventuales o
en colisiones de baja importancia y gravedad.
12
Por otro lado no se permite la utilización de conductos del sistema hidráulico
de material plástico o sin blindaje de protección.
Como medida de seguridad debe ser instalado en el coche un interruptor que
sea accionado en el caso de alcanzar el tope del recorrido del pedal de freno. Este
interruptor debe cortar el encendido y cortar la energía a cualquier surtidor de
gasolina eléctrico. La actuación repetida del interruptor no debe restablecer la energía
de estos componentes. El interruptor debe ser puesto en práctica con componentes
analógicos, y no por el recurso de reguladores lógicos programables, unidades de
control del motor, o reguladores digitales de funcionamiento similar.
El coche debe estar equipado con una luz roja de freno de al menos 15 vatios,
o equivalente, claramente visible desde la parte trasera. Si se utiliza una luz tipo
LED de frenado debe ser claramente visible en condiciones de intensa luz solar. Esta
luz debe ser instalada entre la línea central de la rueda y el nivel del hombro del
conductor verticalmente y aproximadamente en línea central del vehículo
lateralmente.
13
1.1.4 DESCRIPCIÓN DEL CONJUNTO
1.1.4.1. EL MECANISMO DE LA FRENADA.
1.1.4.1.1. INTRODUCCIÓN
Uno de los sistemas fundamentales de todo vehículo automóvil es el que le
confiere la capacidad a reducir su velocidad incluso llegando a detenerlo sí así lo
decide el conductor. Dicho sistema es el sistema de freno.
El principio de funcionamiento de un sistema de frenado es la reducción de la
energía cinética y/o potencial para transformarla en energía calorífica. Con esta
transformación de energía se consigue la reducción de la velocidad del vehículo.
En este capítulo se pretende analizar los conceptos fundamentales
relacionados con el frenado de los vehículos y especialmente los relacionados con el
reparto óptimo de frenada y con el proceso de deceleración. Consideramos los
vehículos como cuerpos rígidos, no dotados, por tanto, de suspensiones. Así mismo,
se considerará que el movimiento se produce en línea recta y sin acciones laterales,
por lo que el análisis de los esfuerzos y movimientos asociados al proceso los
estudiaremos a lo largo de este capítulo.
El reparto de cargas sobre el eje en un vehículo moderno en parado, es
aproximadamente de un solo 55% del peso total en el eje delantero, y del 45% sobre
14
el eje trasero. Evidentemente, este reparto estático de cargas se modifica en
condiciones dinámicas según las aceleraciones o deceleraciones a que se ve sometido
el vehículo.
Las principales fuerzas en juego en el proceso de frenado del vehículo son las
que se representan en el esquema siguiente:
Como se puede observar en el diagrama, la inercia del vehículo al frenar
genera una fuerza (Fi) que actúa sobre el centro de gravedad del vehículo y que
normalmente, al estar este punto situado a mayor altura que el eje de las ruedas,
genera un par de cabeceo en el vehículo que modifica el reparto de cargas sobre los
ejes. Aunque dicho reparto de cargas dinámicas durante la frenada depende de otros
factores tales como el reparto de cargas estáticas, alturas del centro de gravedad y
otros, se puede estimar que en un vehículo tipo dicho reparto de masas en una
situación dinámica es el 75 % sobre el delantero y un 25 % sobre el eje trasero.
15
Esta situación supone que tanto el dimensionamiento de los frenos delanteros
y trasero así, como las características del material de fricción de las pastillas o
zapatas, han de tener distintas dimensiones y/o coeficientes para evitar el bloqueo de
las ruedas traseras.
De producirse el blocaje del eje trasero, la estabilidad direccional del vehículo
quedaría enormemente comprometida y en dicha situación el coche tendería a girar
sobre su eje, como se verá más adelante con mayor detalle.
1.1.4.1.2. FUERZAS Y MOMENTOS QUE ACTÚAN EN EL PROCESO DE
FRENADO
Veremos a continuación los diferentes esfuerzos que intervienen durante el
proceso de frenado, algunos de ellos nos podrían parecer irrelevantes, pero veremos
que son de vital importancia dependiendo del tipo de conducción que realicemos:
.
� Fuerza de frenado.
Las principales fuerzas retardadoras del vehículo en el proceso de frenado son
las que se desarrollan en la superficie de las ruedas como consecuencia de su
contacto con la calzada, al serles aplicados pares que se oponen a su movimiento, es
decir, las fuerzas de frenado.
16
La fuerza de frenado máxima así como la fuerza de tracción máxima tienen
dos límites. En ambos casos el impuesto por el “neumático - suelo”. En lo relativo a
las fuerzas de frenado, existe el otro límite impuesto es el que tiene el sistema de
freno y en lo referente a las fuerzas de tracción máxima el que impone la potencia del
motor. El límite crítico es el impuesto por la adherencia existente entre el neumático
y el suelo. Cuando se rebasa este límite, en el caso del sistema de freno, se produce el
bloqueo de las ruedas que deslizan sobre el pavimento, produciéndose efectos
nefastos que más adelante comentaremos.
� Resistencia a la rodadura.
La resistencia a la rodadura así como la resistencia aerodinámica del vehículo
intervienen como fuerzas retardadoras en el proceso de frenado. Aunque su
influencia es pequeña frente a la fuerza de frenado, pero aún así ayudan durante el
proceso de deceleración. La resistencia a la rodadura, fundamentalmente está
compuesta por la fricción neumático – suelo y perdidas mecánicas en el sistema de
transmisiones. Su valor es generalmente pequeño en comparación con las otras
fuerzas en juego. El valor de la resistencia a la rodadura crece casi
proporcionalmente a la velocidad.
� Acciones aerodinámicas.
Las fuerzas aerodinámicas al avance solo tienen interés como fuerzas
retardadoras a altas velocidades ya que su valor aumenta con el cuadrado de la
17
velocidad que el vehículo lleve. Es decir que cuando doblamos la velocidad de un
vehículo, por ejemplo de 80 Km./h a 160 Km./h la resistencia aerodinámica al
avance, por ejemplo 40 Kg. se multiplica por cuatro siendo necesario un empuje de
160 Kg. A velocidades moderadas o bajas pueden despreciarse frente al valor de la
fuerza de frenado.
En la siguiente tabla vemos como crecen las fuerzas aerodinámicas y de
rodadura así como la potencia necesaria que debe tener el vehículo para superarlas.
� Resistencia del motor y transmisión.
La resistencia que ofrece el motor constituye, en muchos casos, un factor
importante en el proceso de frenado. La potencia, como el par resistente, que ofrece
el motor en procesos de frenado en los que permanece conectado a las ruedas a través
de la transmisión, es importante cuando gira a un gran número de revoluciones y
disminuye con la velocidad, hasta hacerse pequeño en el último intervalo de un
proceso de frenado.
18
En bajadas prolongadas, especialmente si se trata de vehículos pesados, la
retención efectuada por el motor es de suma importancia para preservar los
elementos de fricción de los frenos del calentamiento y consiguientes desgastes
elevados.
Si la deceleración con la que deseamos frenar es lo suficientemente fuerte, y
el motor se encuentra embragado, las exigencias requeridas por el sistema de freno
son mucho mayores que si desembragásemos el motor para realizar la frenada.
Evidentemente, este efecto de frenado es mayor en los motores diesel con
relaciones de compresión del orden de 20:1 que en motores de gasolina en los cuales
está establecido en valores de compresión de 9:1.
1.1.4.1.3. CONDICIONES IMPUESTAS POR LA ADHERENCIA.
El bloqueo de las ruedas de un eje produce efectos negativos, ya que en una
situación de bloqueo, el coeficiente de fricción entre el neumático y la calzada
adquiere un valor inferior al de máxima adherencia (µ=0,75, para vehículos
convencionales), lo cual produce el deslizamiento del neumático sobre la calzada. En
consecuencia, cuando las ruedas se bloquean, disminuye el valor de la fuerza de
frenado respecto a la máxima fuerza potencial que puede obtenerse en condiciones
de rodadura previas al bloqueo de las ruedas, ya que el coeficiente de fricción rueda-
suelo cae a valores muy bajos del orden de µ=0,2, o inferior en pavimentos mojados.
19
El efecto anterior, aun siendo de gran interés, no es el más importante. El bloqueo de
las ruedas supone la superación de la adherencia neumático – suelo en la dirección
longitudinal, razón por la cual, la interacción entre ambos elementos será incapaz de
ofrecer una resistencia que equilibre una posible fuerza lateral, por muy pequeña que
sea. Como, por otra parte, resulta en la práctica imposible que se produzca una
situación exenta de todo esfuerzo lateral el vehículo podrá experimentar un
desplazamiento lateral (viento, reparto de carga, etc.) cuyo efecto es diferente según
sea el eje cuyas ruedas se bloquean.
Si el eje que se bloquea es el trasero la adherencia de las ruedas de dicho eje
con el suelo disminuye fuertemente como se ha visto antes, por lo que cualquier
inestabilidad puede provocar el giro del vehículo sobre su eje haciendo perder
totalmente la estabilidad direccional. Es decir, si en una situación de conducción
normal nosotros tiramos con violencia del freno de mano, hasta llegar a bloquear los
neumáticos, el vehículo tenderá a derrapar de la parte trasera hasta situarse a
contradirección. Si las ruedas que se bloquean son las del eje delantero, las fuerzas
de inercia aplicadas al centro de gravedad y las de rozamiento o adherencia en las
ruedas, proporcionan un momento de guiñada que disminuye con el valor de la
perturbación lateral. Esto provoca que el sistema sea estable, es decir, las fuerzas
tienden a hacer que el vehículo recupere su posición longitudinal. En esta situación
se origina una cierta pérdida de control direccional, menos grave, en términos
generales, que la inestabilidad provocada por el bloqueo del eje trasero y el vehículo,
tiende en principio a seguir una trayectoria recta sin obedecer a la dirección del
mismo.
20
De lo anterior se deducen algunas conclusiones importantes:
1. El bloqueo de las ruedas del eje trasero de un vehículo de dos ejes produce
una gran inestabilidad direccional de carácter irreversible.
2. El bloqueo de las ruedas del eje delantero de un vehículo de dos ejes puede
producir pérdida de control direccional.
3. De todos lo anterior podemos concluir que tanto en el diseño del sistema de
frenos, como en la conducción, debe de actuarse de tal forma que se eviten
tanto el bloqueo de las ruedas delanteras como traseras. En frenadas bruscas,
especialmente en condiciones de baja adherencia, puede llegarse al bloqueo y
será probable que las ruedas de ambos ejes no alcancen al mismo tiempo el
bloqueo. En este caso, resulta menos desfavorable que el bloqueo se produzca
antes en las ruedas delanteras. Por esto se añaden al sistema elementos que
limiten la frenada en el eje trasero para que no se produzca su bloqueo antes
que en el eje delantero.
21
4. El bloqueo hace disminuir el coeficiente normal de adherencia (µ =0,7),
pasando al valor de rozamiento en deslizamiento (µ=0,2), lo cual, en el mejor
de los casos, si no se produjese alteración grave de la trayectoria, haría
aumentar la distancia de frenado respecto a la condición óptima, es decir si se
aprovechase al máximo la adherencia.
De esto modo se puede comprender que es fundamental un buen
aprovechamiento de la adherencia disponible en cada eje ya que constituye un
problema crítico en el frenado. Tal aprovechamiento será máximo si el esfuerzo
transmitido por el sistema de freno a cada rueda es proporcional a la carga dinámica
que soporta. Para optimizar la frenada y evitar el bloqueo de las ruedas se estudia el
reparto óptimo de las fuerzas de frenado. Adicionalmente, algunos fabricantes
especifican el material de fricción del freno del eje trasero con un coeficiente de
fricción (µ) inferior al del eje delantero.
Otros, aceptan materiales de fricción de un mismo coeficiente, pero nunca
que el freno trasero tenga un coeficiente de fricción superior al eje delantero en
cualquier situación de presión en el circuito, velocidad o temperatura.
1.1.4.1.4. REPARTO ÓPTIMO DE LAS FUERZAS DE FRENADO
Cuando el vehículo se encuentra estático, la masa del vehículo se reparte
entre el eje delantero y el eje trasero, con valores que el diseño del vehículo ha
22
provisto. Casi todos los vehículos comerciales de nuestros días, son ligeramente más
pesados en la zona delantera que en la trasera. Ya que, no solo, el motor está ubicado
en la parte delantera, sino que además al traccionar en ese mismo eje, caja de
cambio, diferencial, las transmisiones, etc. se encuentran en el eje delantero.
El menor peso en el eje trasero implica que el diseño del reparto de fuerzas
sea fundamental para no alcanzar el bloqueo de las ruedas traseras. Además como ya
se ha comentado anteriormente, cuando nosotros frenamos aparece un momento de
cabeceo alrededor del centro de gravedad, que genera una transferencia de carga del
eje trasero al eje delantero. Esto significa, que no solo el eje trasero es menos pesado
que el delantero, sino que además por dinámica vehicular en el eje trasero y siempre
que se accione el freno, se va a descargar transfiriendo parte de esa carga al eje
delantero.
El valor de la transferencia de carga que se produce al frenar del eje trasero al
delantero, depende de la altura del centro de gravedad del vehículo y de la batalla del
vehículo, es decir, de su distancia entre ejes.
Debido a todas estas variables, la fuerza frenante que se aplicará al eje
delantero no es igual a la del eje trasero. Lo mismo debe decirse para las fuerzas que
se aplican durante la aceleración. Si hiciésemos los cálculos para saber que
porcentaje de la frenada debe de producirse en el eje delantero y cual en el eje
trasero, considerando un coeficiente de fricción neumático – suelo de valor µ=0,8.
23
El reparto sería de un 0,75 % de la frenada en las ruedas delanteras; y 0,25 %
en las ruedas traseras (Punto O).
Gráfica que representa el reparto óptimo de frenada entre ambos ejes.
Para un valor de adherencia entre el neumático y el suelo de valor µ =0,80.
El punto O, de intersección de ambas curvas, corresponde al frenado óptimo y, por
tanto, a un reparto de esfuerzos de frenado como se ha descrito anteriormente. Si en
el vehículo se estableciese un reparto de frenada con un 86% de frenada en el eje
delantero y un 14% en el eje trasero (Punto B), se alcanzaría antes el bloqueo en las
ruedas delanteras, consiguiéndose una deceleración máxima 0,62, muy por debajo
del valor óptimo. Si por el contrario, el coeficiente de reparto de frenada se establece
en un 40% en las ruedas delanteras y un 60% en las traseras, (punto A). Bloquearían
antes las ruedas traseras y el límite de la deceleración quedaría establecido, también
en un valor de 0,62 muy por debajo del valor óptimo y además con los perjuicios que
provoca el bloqueo del eje trasero, visto anteriormente.
24
Como vemos la mejor solución es la representada en el punto O con un
reparto de frenada de un 75% en el eje delantero y un 25% en el trasero. Para que estos
valores de reparto de frenada se mantengan dentro de la máxima adherencia
consiguiendo así la mayor deceleración, los vehículos van equipados con reguladores
de presión que consiguen la variación de la presión del circuito trasero para evitar el
bloqueo de los neumáticos y las consecuencias negativas que ya se han comentado
1.1.4.1.5. EL MECANISMO DE FRICCIÓN
1.1.4.1.5.1. INTRODUCCIÓN
En la interacción entre dos superficies aparecen diversos fenómenos cuyo
conocimiento es de vital importancia. Estos tres fenómenos fundamentales que
aparecen son:
� FRICCIÓN: Efecto que proviene de la existencia de fuerzas tangenciales que
aparecen entre dos superficies sólidas en contacto cuando permanecen unidas
por la existencia de esfuerzos normales a las mismas.
� DESGASTE: Consiste en la desaparición de material de la superficie de un
cuerpo como consecuencia de la interacción con otro cuerpo.
� ADHESIÓN: Capacidad para generar fuerzas normales entre dos superficies
después de que han sido mantenidas juntas. Es decir, la capacidad de
mantener dos cuerpos unidos por la generación anterior de fuerzas de unión
entre ambos.
25
Fricción es la resistencia al movimiento que existe cuando un objeto sólido se
mueve tangencialmente con respecto a la superficie de otro sólido con el que está en
movimiento.
La fricción se expresa en términos relativos de fuerza, como el coeficiente
entre la fuerza de fricción y la carga nominal a la superficie de contacto, suele
representarse por µ, que es un coeficiente adimensional, es decir, carece de unidades
ya que las dos fuerzas se miden en las mismas unidades.
Hay que distinguir entre dos situaciones:
1. FUERZA DE FRICCIÓN ESTÁTICA: La necesaria para iniciar el movimiento. Si
la fuerza tangencial aplicada es menor a este valor, no existe movimiento y la fuerza
de fricción es igual o mayor a la tangencial aplicada.
2. FUERZA DE FRICCIÓN CINÉTICA O DINÁMICA: La necesaria para mantener
el movimiento. De valor menor a la anterior. Las leyes fundamentales de la fricción
son:
26
� La fuerza de fricción es proporcional a la fuerza normal.
� La fuerza de fricción es independiente del área aparente de contacto (Aa).
Por esta razón objetos grandes y pequeños del mismo par de materiales,
presentan el mismo coeficiente de fricción.
� La fuerza de fricción teóricamente es independiente de la velocidad de
deslizamiento (aunque no es así en la práctica debido a la sensibilidad de
los materiales de fricción a la presión, a la velocidad y a la temperatura).
Los coeficientes de fricción típicos que presenta el acero cuando se desliza
sobre otros materiales son los que aparecen en la siguiente tabla.
A escala microscópica, las superficies de los sólidos presentan cimas y valles,
que podemos evaluar midiendo su rugosidad. Debido a esta rugosidad cuando dos
superficies entran en contacto, no lo hacen en todo el área aparente de contacto (Aa),
sino que el contacto se verificará solo en algunos puntos de estas rugosidades.
A la suma de las áreas de los puntos en los que se verifica el contacto, la
denominaremos área real de contacto (Ar). Esta área es independiente del área
aparente de contacto.
27
Estos puntos de contactos son los encargados de soportar la carga normal y de
generar la fuerza de fricción. Cuando la carga normal aumenta, el número de puntos
en contacto aumenta, aumentando el área real de contacto a pesar de mantenerse
invariable el área aparente.
La fuerza de fricción es debida a varios efectos que suponen aportación de
energía:
� Adhesión: principal componente de la fricción.
� Deformación.
� A la interacción entre asperezas.
La existencia de capas contaminantes entre el disco de freno y el material de
fricción reduce considerablemente las fuerzas de fricción. La existencia de una
fuerza de fricción hace aumentar el área real de contacto y aumenta el barrido de la
capa intermedia (tercera capa), aumentando la adhesión respecto al simple contacto.
Es importante destacar que a altas velocidades de deslizamiento de una superficie
contra la otra, se aumenta la temperatura debido a la fuerza de rozamiento entre
ambos materiales que se oponen al movimiento con lo cual se produce una
conversión de la energía cinética en calor (energía térmica) con el consiguiente
aumento de la temperatura de ambas superficies.
28
1.1.4.1.5.2. EL FRENADO
Al frenar un vehículo lo que estamos consiguiendo por medio de la fricción
entre dos materiales, es la transformación de energía cinética y/o potencial (la que
lleva el objeto por moverse o por encontrarse a una determinada altura) en energía
calorífica. Esta transformación de energía lo que provoca es un aumento de la
temperatura global de todo el sistema.
La transformación de la energía se produce en el contacto entre una parte fija
que va anclada a la mangueta del vehículo (pinza de freno o caliper), y una parte
móvil que gira solidaria con la rueda a la misma velocidad angular (el disco). Cuando
accionamos el pedal del freno se presuriza el circuito y los émbolos de las pinzas
empujan a las pastillas (elemento fijo) contra el disco (elemento móvil).
En el contacto entre las pastillas y el disco es donde se produce la
transformación de la energía, de ahí que las características de ambos elementos sean
muy peculiares, ya que deben de soportar altas temperaturas sin desgastarse en
exceso pero con un buen coeficiente de rozamiento para poder conseguir frenar el
vehículo.
También, el coeficiente de rozamiento del material de fricción ha de ser lo
más estable posible a distintas velocidades y a diferentes presiones en el sistema de
freno de forma tal que el conductor pueda prever el resultado cuando trata de
decelerar su vehículo.
29
1.1.4.2. SISTEMA DE FRENOS EN EL AUTOMOVIL
El sistema de frenos de un vehículo moderno está compuesto por los
siguientes elementos:
Diagrama de un sistema de frenos configurado de forma diagonal.
Así a los largo de los siguientes apartados realizaremos un recorrido por cada
uno de sus componentes para sí obtener una visión clara de su funcionamiento.
1.1.4.2.1. SERVOFRENO
El servofreno es el sistema por el cual la fuerza que hay que ejercer sobre el
pedal, para presurizar el circuito a una misma presión, se reduce. Es decir, es un
30
elemento que reduce el esfuerzo que necesita el conductor para presurizar el circuito
pisando el pedal.
Las ventajas del servofreno no son exclusivamente las de poder realizar una
presión mayor sobre el circuito hidráulico, y por consiguiente, sobre los pistones de
las pinzas con un mayor descanso del píe. Si no que lo que se consigue es una mejor
dosificación de la frenada.
Los servofrenos actuales más corrientes son aquellos que actúan por vacío.
Estos aparatos aprovechan la depresión creada en el colector de admisión cuando se
retira el pie del acelerador para aumentar la fuerza que el pie proporciona al pedal del
freno.
Los valores típicos de esfuerzo pedal / servo para el sistema tipo representado
anteriormente, son los siguientes:
31
Estructura del servofreno Mastervac.
1.1.4.2.2. BOMBA DE FRENO
La bomba de freno o cilindro principal, es el encargado de presurizar el
líquido por todo el circuito hidráulico. Como la legislación actual obliga a los
fabricantes de vehículos a que estos vayan provistos de doble circuito de freno, las
bombas de freno son de tipo tandem.
32
El sistema tandem significa que la bomba dispone de dos pistones, colocados
uno a continuación del otro, con los cuales se atiende al suministro del líquido a una
presión igual para cada uno de los dos circuitos independientes normalmente
distribuciones según una “X”. Es decir, un circuito actúa sobre la rueda delantera
izquierda y también sobre la trasera derecha mientras que el otro actúa sobre la rueda
delantera derecha y la trasera izquierda como elemento de seguridad en el caso de
problemas de perdida de eficacia en uno de los dos circuitos.
1.1.4.2.3. CORRECTOR DE FRENADA
Los limitadores de frenada o correctores de presión tienen la función de
reducir la presión que llega al tren trasero con el fin de que no se llegue al bloqueo en
esas ruedas. Existen diferentes modos de funcionamiento de los correctores:
33
� Válvula limitadora de presión: Su misión es disminuir la presión del líquido
de frenos enviada a los frenos traseros a mediada que aumenta el valor de
esta presión concordando con los esfuerzos de frenada sometidos a cada eje.
� Corrector de frenada: La válvula sensora de carga aumenta la presión de
frenado en el tren trasero en función de la carga del vehículo.
� Compensador activado por inercia: Este sistema actúa aprovechando el
impulso de inercia y la inclinación del vehículo al frenar para modular la
presión del circuito y evitar el bloqueo de las ruedas traseras.
34
1.1.4.2.4. PINZA DE FRENO
La pinza de freno es el elemento encargado de soportar las pastillas además
de empujarlas contra el disco cuando se presuriza el sistema.
La pinza es un elemento crítico del sistema de freno y está sometida a
esfuerzos importantes durante el frenado tales como vibraciones, excesiva
temperatura y otros elementos agresivos.
Existen diferentes tipos de caliper (pinzas) de freno según el sistema de freno
y el fabricante. Sin embargo todas se basan en el hecho de que después de liberar la
presión del circuito, permiten que la pastilla de freno, continúe en contacto con el
disco de freno, de forma que en la próxima frenada, el efecto de esta sea inmediato
sin necesitar un tiempo de aproximación entre la pastilla y el disco de freno. Este
contacto queda garantizado por los retenes del pistón del caliper, por el propio
sistema hidráulico y lógicamente genera un efecto permanente de frenado (residual
torque) cuyo valor es crítico para el buen funcionamiento del sistema.
Pares residuales (residual torque) de frenado altos pueden provocar el
calentamiento del sistema dando lugar a problemas que se describen más adelante.
35
Diagrama de funcionamiento del cilindro del caliper
� Pinzas de pistón opuesto:
El freno de disco de pinzas de pistón opuesto se fija en la brida de montaje
mediante dos pernos y las pinzas están montadas por encima del disco que gira con el
cubo de la rueda.
Los cilindros a ambos lados de las pinzas fijas están equipados cada uno con
una junta que se mantiene en una ranura angular en alojamiento del cilindro.
36
Los cilindros y pistones están protegidos contra la suciedad y agua con una
cubierta antipolvo. Los conjuntos de pastillas están montados entre el pistón y el
disco en la ranura de las pinzas y se mantienen en posición con pasadores. Las pinzas
para las ruedas traseras pueden llevar incorporados orificios de fijación para unir un
freno de mano de tipo pinzas accionado mecánicamente que sirva como freno de
estacionamiento.
Su principio de funcionamiento es simple, es decir, cuando se pisa el pedal el
cilindro principal presuriza el líquido de frenos que empuja por igual a cada uno de
los pistones de la pinza, que a su vez empujan a las pastillas contra el disco. La
ventaja de este sistema es que ambas pastillas se empujan con la misma fuerza contra
el disco. El esfuerzo de pedal aplicado está siempre directamente relacionado con la
fuerza de pistón (según una relación determinada por las dimensiones de los
componentes), y por lo tanto con el grado de frenado. Cuando se suelta el pedal, la
presión hidráulica que hay en el sistema de frenos disminuye, lo que hace que los
pistones vuelvan a su posición original ayudado por la junta que existe entre los
pistones y el cuerpo de la pinza (también responsable de la estanqueidad del
conjunto). Al desgastarse el material de la pastilla, los pistones se deslizan más a
través de la junta al frenar, con lo que compensa automáticamente el desgaste.
� Pinzas deslizantes:
Los frenos de disco de pinzas deslizantes se han diseñado para recuperar el
espacio perdido por la instalación de las suspensiones tipo McPherson, que han
37
restringido considerablemente el espacio disponible, ya que modifican el ángulo de
caída de las ruedas. Este nuevo tipo de pinza está sustituyendo a la pinza de doble
pistón por sus mejores ventajas como pueden ser: que el líquido de frenos se
encuentra separado de la zona de disipación de calor, gran área y volumen de pastilla
de freno con lo que se consigue mayor superficie de fricción para el frenado y al ser
más anchas tienen mayor vida útil, peso menor, fuerza constante en las dos pastillas
y par residual reducido debido a la retracción controlada de las pastillas.
El cuerpo del freno, que no está expuesto a fuerzas centrífugas, se puede
fabricar tanto en versión de aluminio de una sola pieza y en versión de dos piezas
con el cuerpo de aluminio y un puente de hierro fundido dúctil. Para disipar mejor el
calor la pieza de aluminio puede estar provisto de aletas de disipación, es decir, se
aumenta la superficie de contacto entre el medio y la propia pinza.
El principio de funcionamiento es sencillo, al pisar el pedal del freno se actúa
sobre el cilindro principal (que puede ir dotado de servo o no) aumentando la presión
38
de todo el sistema. Está presión al ser aplicada sobre el pistón empuja la pastilla de
freno interior contra el disco. Debido que la presión aplicada y el líquido encerrado
actúan uniformemente en todas las direcciones, se ejerce simultáneamente una fuerza
reactiva en el cuerpo. Esta fuerza desliza el cuerpo sobre los pernos de guía y tira de
la pastilla exterior contra el disco. El esfuerzo de frenado por lo tanto es igual a
ambos lados. El ajuste de la separación de la pastilla con el disco después de
completar el proceso de frenado se consigue de manera similar al de las pinzas fijas,
por medio de la deformación controlada de la junta del pistón.
En este tipo de caliper, además de las comprobaciones rutinarias del pistón y
sus elementos de estanqueidad, es muy importante verificar el buen deslizamiento de
las guías del caliper para garantizar el reparto igual de esfuerzos sobre las dos
pastillas de freno del caliper.
1.1.4.2.5. CONDUCTOS Y LATIGUILLOS
Los conductos y los latiguillos son los encargados de conducir el líquido de
frenos, soportando la presión interna del líquido, además deben de resistir la agresión
medioambiental y otros agentes agresivos del entorno.
Los conductos normalmente son tubos de acero y muchas veces están
recubiertas con polímero para resistir la corrosión; usualmente tienen un ánima
nominal de 2,5 mm. y un diámetro externo de 4,5 mm. Cada extremo de la tubería
39
está carenado con carena individual o doble para que coincida con el componente en
el que se coloca, y tiene montada una tuerca de tuberías macho o hembra según sea
necesario.
Los tubos flexibles están construidos en capas, de los que el revestimiento, ha
de ser resistente al aceite mineral, y el externo a partículas duras y daños producido
por piedras, agua, sal y demás contaminantes que puedan existir en la carretera. El
producto que se utiliza es un polímero de mezcla de etileno propileno dieno (EPDM).
Se emplea tela de rayón de capas múltiples para las dos capas de refuerzo,
que resisten la presión del tubo flexible. Los tubos flexibles de frenos están
diseñados para funcionar a una presión de 100 bares, su presión de rotura es unas 5
veces mayor.
Latiguillo de freno
La membrana interior del tubo flexible ha de ser resistente al líquido de
frenos (3). El material empleado es EPDM ya que es muy poco permeable. El
material de la capa interior es de rayón por presentar unas muy buenas cualidades de
resistencia de presión interna (2). Algunos tubos flexibles tienen fundas de plástico o
40
acero inoxidable enrollados alrededor de los mismos para dar protección adicional
contra el doblado del tubo en otros componentes (1).
1.1.4.2.6. LIQUIDO DE FRENOS
El líquido de freno es el elemento que al ser presurizado por la bomba empuja
los cilindros de las pinzas contra las pastillas, produciéndose así la acción de frenado.
Sus características son las que aseguran una correcta frenada, pero es un elemento
que con el uso y el paso del tiempo se degrada y debe de ser sustituido.
Las características fundamentales del líquido de freno son las siguientes:
� Es incompresible (como todos los fluidos).
� Su punto de ebullición mínimo debe ser superior a los 230ºC. Así conseguirá
permanecer en estado líquido, sin entrar en ebullición, cuando las
solicitaciones de frenada sean muy exigentes.
� Debe de tener baja viscosidad para desplazarse rápidamente por el circuito.
� Debe de ser lubricante para que los elementos móviles del sistema de freno
con los que se encuentra en contacto no se agarroten.
� Debe de ser estable químicamente, para no corroer los elementos del sistema
de freno con los que se encuentran en contacto.
En la actualidad, la mayoría de los líquidos de freno cumplen con todos los
requisitos que le son demandados, pero como contrapartida y debido a la
41
composición de elementos que tiene, posee una propiedad que obliga a que su
sustitución sea necesaria cada 2 años o 70000 km. Esta propiedad es la propiedad
higroscópica, es decir, tiene una gran capacidad de absorber agua. En ambientes
húmedos, bien pudiera ser necesario el proceder a su cambio antes de los plazos
anteriormente indicados.
Se podría pensar que cuando existe agua en el sistema de frenos no tendría
porque modificar las cualidades del líquido, ya que es un fluido. Pero no es así ya
que el agua aunque sea en estado líquido, corroe los elementos del sistema de frenos
con los que está en contacto. Aunque el problema principal de la existencia de agua
en el sistema de freno es que cuando la temperatura del líquido supera los 100ºC el
agua se evapora transformándose en vapor de agua, un gas, que si es compresible,
con lo cual el pedal ira al fondo, ya que toda la presión que nosotros estemos
introduciendo en el sistema servirá para comprimir ese vapor de agua y no para
actuar sobre las pastillas de freno. Además la existencia de agua en el sistema como
se ve en el gráfico hace disminuir el punto de ebullición del líquido.
42
Los líquidos de freno se dividen en la actualidad en dos grupos dependiendo
de las características que presenten. Así en la actualidad se pueden comercializar 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.
1.1.4.3. PASTILLAS DE FRENO
1.1.4.3.1. COMPOSICIÓN
La obligatoriedad de eliminar el amianto supuso un cambio importante dentro
de las formulaciones. El amianto era una fibra que constituía la base de cualquier
formulación ya que era capaz de aportar las cualidades requeridas a cualquier
material de fricción.
No obstante, aunque los primeros materiales “sin amianto” que aparecieron
en el mercado eran de prestaciones y duración inferiores a los de “con amianto”, hoy
en día los productos “sin amianto” han superados a aquellos en todos los requisitos
exigibles a un material de fricción.
43
En la actualidad la mayoría de los fabricantes de fricción emplea en mayor o
menor medida la base que a continuación se ofrece.
� LAS FIBRAS: Las fibras son los elementos encargados de aglutinar y ligar el
resto de los elementos. Es decir, las fibras son el “armazón” de las pastillas de
freno, a través de sus múltiples ramificaciones van uniendo el resto de los
elementos. Existen dos tipos principales de fibras las sintéticas y las
minerales. Las más usuales en el campo de la fricción son: fibras de vidrio,
fibras de aramida, lana de roca...
� LAS CARGAS MINERALES: Las cargas minerales son las encargadas de
dar consistencia mecánica al conjunto, es decir, le aportan resistencia a la
abrasión, resistencia a cortadura... Están encargadas también, de aportar
resistencia a las altas temperaturas. Las más usuales son: barita, magnesita,
talco, mica, carbonato, feldespato y otros.
� COMPONENTES METÁLICOS: Se añaden en forma de polvo o viruta para
conseguir homogeneizar el coeficiente de fricción así como la transferencia
de calor de la pastilla al caliper. Los más usuales son, latón, cobre, bronce
entre otros. No obstante una gran parte de los componentes metálicos usados
en los materiales de fricción, tienen efectos nocivos sobre la salud por lo que
se recomienda seguir estrictamente la legislación referente a los productos
que contengan tales metales pesados.
44
� LOS LUBRICANTES O MODIFICADORES DE COEFICIENTE: Son los
encargados de hacer variar el coeficiente de fricción normalmente a la baja,
dependiendo del rango de temperatura de funcionamiento. Son empleados en
forma de polvo suelen ser grafitos, cokes, sulfuros, antracitas, etc.
� LOS MATERIALES ORGÁNICOS: Son los encargados de aglomerar el
resto de los materiales. Cuando alcanzan una determinada temperatura fluyen
y ligan el resto de componentes, hasta que se polimerizan. Las más
importantes son las resinas fenólicas termoendurecibles, aunque también son
empleados diferentes tipos de cauchos, ceras, aceites...
� LOS ABRASIVOS: Cumplen principalmente la misión de incrementar el
coeficiente de fricción y también renuevan y limpian la superficie del disco
permitiendo la formación de la capa intermedia o también conocida como
tercera capa.
Composición del material de fricción
45
1.1.4.3.2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LAS PASTILLAS DE FRENO
Los requerimientos básicos del material de fricción son los que establece la
propia aplicación del producto. Los más relevantes son:
� Presentar un coeficiente de fricción adecuado y estable a cualquier
rango de temperatura y presión.
� Mantener un equilibrio entre abrasión y resistencia al desgaste.
� Una cierta compresibilidad, tanto en frío como en caliente, que haga
que el material absorba vibraciones e irregularidades de la otra
superficie con la que entra en contacto.
� Una buena resistencia al choque y al cizallamiento.
A continuación vamos a ver los diferentes componentes que pueden llevar
consigo las pastillas de freno.
46
� Underlayer (Cola)
El underlayer es una capa de material cuya función es la de fijar el material de
fricción en el soporte además de reducir la temperatura que llega al caliper. Esta capa
de material tiene su propia formulación, ya que no tiene los requerimientos que del
material de fricción se esperan sino que sus funciones son las de unir la capa de
material de fricción al soporte además de variar la conductividad térmica del material
de fricción para que el calor no pase a través de ella y no se caliente el líquido de
frenos en el caso de materiales de fricción con una alta conductividad térmica.
En definitiva, es un elemento añadido que puede implicar riesgos adicionales
por lo que si puede ser evitado en el proceso, es conveniente evitar el tener que usar
este elemento.
� El soporte
El soporte es el elemento metálico cuya función es la de mantener el material
de fricción en el porta pastillas de las pinzas. La característica principal es que debe
de ser lo más plano posible para evitar que durante en proceso de prensado en
caliente y posterior curado de las pastillas surjan fisuras entre el soporte y el material
de fricción.
47
Soporte metálico
Los soportes son pintados con un barniz de alta resistencia para prevenir la
corrosión con el paso del tiempo. La impregnación del soporte metálico con una
resina de gran adherencia es una fase crítica del proceso de fabricación, ya que se
debe de garantizar una correcta adherencia del material de fricción al soporte.
� Antirruidos
Las láminas antirruido son accesorios cuya función principal es la de absorber
las vibraciones que se producen en el contacto entre la pastilla y el disco, evitando la
aparición de ruido. Existen diferentes materiales, como son láminas de fibra de
vidrio, láminas metálicas... cada aplicación lleva definida un tipo de lámina diferente
dependiendo del tipo de vehículo en el cual va montada la pastilla.
La forma de fijarlas al soporte suele variar dependiendo del tipo de material
de la lámina antirruido. Existen láminas que van pegadas por medio de una resina
fenólica las cuales tienen que ser comprimidas contra el soporte sometido el conjunto
a una temperatura de unos 150ºC. Otras láminas van remachadas a los tetones del
48
soporte. Existe otra posibilidad de que la lámina vaya fijada al soporte por medio de
patillas y embutida en dos tetones del soporte, para impedir su movimiento.
Láminas antirruido
Dichas láminas permiten aumentar la compresibilidad de la pastilla de freno
en frío con el consiguiente efecto positivo sobre los chirridos sin aumentar
sensiblemente la compresibilidad de la pastilla de freno en caliente que pudiera dar
lugar a carreras del pedal excesivas.
� Otros accesorios
Las pastillas para absorber las vibraciones a las que son sometidas en el
caliper cuando se frena, llevan una serie de accesorios que se denominan muelles.
Estos muelles están fabricados a partir de flejes. Este tipo de elementos depende de la
geometría de la pastilla, del sistema de anclaje... Existen otro tipo de muelles que van
situados en el propio caliper pero cuya función es la misma que los que van situados
en las pastillas. En definitiva, permiten un leve movimiento de las pastillas cuando se
49
encuentran frenando lo que hace que las vibraciones que se producen sean
absorbidas.
Otro tipo de accesorios que van incluidas en las pastillas son los avisadores de
desgaste. La función de estos elementos es la de alertar al usuario del vehículo de
que sus pastillas están al límite de su vida útil y debe de sustituidas. Existen varios
tipos:
� Sonoros: Los avisadores sonoros son pequeños flejes que van alojados en
los laterales del soporte, sobresalen unos dos milímetros de la superficie de
fricción. Lo que produce que cuando la pastilla se ha desgastado y tan solo
quedan 2 mm. de material de fricción este pequeño fleje roce contra el disco
y se produzca un chirrido constante que avisa al conductor de que sus
pastillas deben de ser sustituidas.
� Luminosos: Los avisadores luminosos se componen de un cable conductor
con una cabeza de polímero. Cuando este dispositivo va rozando con el
disco, se debe a que a las pastillas solamente les quedan 3 mm. De
superficie de fricción. El roce con el disco provoca su desgaste hasta que el
cable llega a tener contacto con el disco, con lo cual hace masa, cerrando el
circuito. Esto produce que se encienda un testigo en el cuadro que nos
indica que debemos de pasar por el taller para cambiar las pastillas.
50
1.1.4.3.3. CONJUNTO PINZA-PASTILLA
En el conjunto que presentamos a continuación veremos más claramente
todos los elementos que componen el conjunto pinza – pastillas. Para ello nos
basaremos en la siguiente figura donde se puede apreciar todo el mecanismo
despiezado de una pinza flotante
� Horquilla soporte: Es la pieza que, como su nombre indica, sirve de soporte
a las pastillas de freno. Por su interior deja pasar el extremo del disco.
� Cuerpo de la pinza. Constituye el conjunto de soporte del total del
mecanismo. Al cuerpo de la pinza se unirán el émbolo y todas sus piezas, y
Pistón
Guardapo lvo
Retén
Cuerpo de pinza
Tornillo de purga
Horquilla soporte
Láminas de muelle
Pastillas de freno
Cuñas
Indicador
Láminas interiores
Lámina exterior
Pasadores
51
la horquilla soporte con las pastillas de freno. Por tanto da rigidez y soporta
las pastillas.
� Pistones. Ésta es la pieza principal del conjunto hidráulico en el mecanismo
de la pinza. Consiste en un sencillo émbolo o pistón que se puede desplazar
a lo largo del cilindro que se encuentra ubicado en la zona del estribo de la
pinza. A pesar de ser una pieza sencilla debe hallarse rectificada y con su
superficie de contacto pulida y acoplada a su cilindro. Así en su
movimiento empujará las pastillas contra el disco.
� Pastillas. Son los elementos encargados de friccionar contra el disco y
disminuir su régimen de giro. Se sostienen sobre una base metálica que se
acopla perfectamente sobre la horquilla soporte.
� Purgador. Elemento que abre el sistema para permitir la salida del aire del
circuito.
� Guardapolvo: Como puede verse en la imagen se trata de una pieza flexible
de goma, que tiene la misión de impedir el paso de impurezas al interior del
cilindro, de modo que a través de él se pueda introducir contaminación al
circuito.
� Retén: Esta pieza es una junta de estanqueidad que se coloca en el pistón, y
que tiene la misión de impedir la salida de líquido al exterior en todo
52
momento y, especialmente, en la situación más crítica que es la que se
produce cuando está accionado el pedal de freno y el circuito se encuentra
bajo presión.
� Láminas de muelle: Piezas hechas en forma de lámina para la sujeción
elástica de las pastillas en su ubicación en la horquilla soporte.
� Cuñas: Pequeñas piezas que tienen la misión de ejercer trabajos de soporte
o cierre que existen en el mecanismo.
1.1.4.3.4. PARÁMETROS QUE DEFINEN EL MATERIAL DE FRICCIÓN
El parámetro básico que define cualquier material de fricción es su
coeficiente de fricción (µ). Durante el desarrollo de nuevas formulaciones, el
coeficiente de fricción es ensayado en los dinamómetros de inercia, así como en la
máquina de presión constante o dinamómetros Krauss. Una vez pasada esta fase se
ensayan directamente en vehículos equipados para la adquisición de los datos que el
ensayo produzca.
La herramienta fundamental sigue siendo el dinamómetro de inercia. Estos
son bancos de ensayos completamente sensorizados, en los cuales se acopla el
sistema de freno que se desee ensayar. Los dinamómetros están comandados por
potentes sistemas informáticos que son capaces de medir cualquier parámetro
53
durante el ensayo, desde la temperatura del disco, el coeficiente de fricción, la
presión del circuito, la velocidad de giro, la deceleración, etc. Los dinamómetros de
inercia en esencia son máquinas capaces de reproducir las fuerzas que se generan en
un vehículo durante el proceso de frenado. Esto implica que se consiguen simular
fielmente las condiciones de trabajo del sistema de frenos, especialmente del material
de fricción durante su vida en servicio. El fundamento del dinamómetro de inercia es
la conversión de la energía cinética del vehículo en energía cinética de rotación. Con
lo cual, cuando se producen las frenadas se transforma la misma energía cinética que
llevaría el vehículo en energía calorífica, con lo que se reproducen las condiciones
energéticas que el vehículo lleva asociadas.
Siendo:
M = Masa del vehículo (Kg.).
v = Velocidad del vehículo (m/s)
I = Momento de inercia de las masas de inercia del dinamómetro (Kg. · m2).
v = Velocidad angular del dinamómetro (1/s).
Al poder igualar las dos expresiones de energía (ya que se miden en las
mismas unidades) podemos calcular la inercia necesaria en el dinamómetro para
simular fielmente cualquier tipo de vehículo, así como cualquier tipo de situación en
carretera. Aprovechando así todas las ventajas que reporta el trabajar sobre
dinamómetro.
54
Los dinamómetros de inercia están compuestos por un motor eléctrico que es
el encargado de dar la velocidad necesaria a las inercias, la potencia del motor
necesaria es la que determina la inercia que es capaz de mover. Las masas de inercia
son discos de diferentes diámetros que determinan las características dimensionales
del vehículo a ensayar, es decir, un vehículo con una determinada masa cuando se
encuentra en movimiento lleva una energía que es la que hay que disipar al frenar,
con lo cual, la masas de inercia son las que acumulan la misma energía que el
vehículo que se desea simular. Lógicamente las inercias están unidas al motor
eléctrico mediante un eje. En el extremo de dicho eje, encuentra una brida donde va
colocado el disco de freno. En el cabezal fijo se coloca la pinza que se desea ensayar,
así como la bomba de freno, y el sistema hidráulico que comanda la bomba.
Los ensayos que se pueden realizar en el dinamómetro son muy variados ya
que software que controla el banco, puede ser programado de modo que se realice el
ensayo que se desee. Existen una serie de ensayos que están reconocidos a escala
internacional y que a las diferentes compañías les sirve como niveles estándar de
ensayo.
Los ensayos se encuentran divididos en diferentes etapas, en las cuales se
prueba el material de fricción, bajo diferentes condiciones de funcionamiento. Se
puede considerar que un ensayo básico está compuesto por las siguientes etapas en
un programa estándar de pruebas (AK - Master):
55
� Etapa de asentamiento. La necesidad del asentamiento se hace patente en los
ensayos que se realizan, al igual que nosotros debemos de hacer el
asentamiento cuando cambiamos las pastillas a nuestros vehículos. El
asentamiento se realiza a temperaturas inferiores a 100 ºC, la presión varía
desde 15 a 45 bar., el rango de velocidades es de 100 a 30 Km./h. Durante
toda la etapa lo que se mide es el coeficiente de fricción para ver el
comportamiento del material durante las primeras frenadas. Esta etapa esta
compuesta por 100 frenadas.
� Etapa de sensibilidad a la presión. Variando la presión del circuito se van
comprobando a diferentes velocidades el coeficiente de fricción que el
material es capaz de aportar. En una primera sub-etapa se realizan frenadas a
40 Km./h en un rango de presiones que va desde 10 a 80 bares. En las
siguientes sub-etapas la velocidad es de 80, 120, 160 y 180 Km./h
manteniendo el rango de presiones así como el número de frenadas.
� Etapa de fading. Esta etapa se suele repetir un par de veces durante el
proceso, para comprobar que sucede con el coeficiente si se producen dos
fading. El test de fading está compuesto de 20 frenadas en las cuales el
requerimiento es alcanzar una deceleración media de 4m/s2 durante
diferentes temperaturas que van desde los 100ºC de la primera frenada hasta
los 550ºC de la última frenada. Cada una de las 20 frenadas se realiza cuando
se alcanza la temperatura establecida. Dichas temperaturas van
incrementándose de 30ºC en 30ºC aproximadamente en cada frenada. La
56
presión en el circuito es la necesaria para alcanzar una deceleración media de
4 m/s2.
� Etapa de sensibilidad a la presión a alta temperatura. Es igual que la etapa de
sensibilidad a la presión pero con una temperatura inicial del sistema de
500ºC.
� Etapas de análisis de características. Estas etapas lo que hacen la medición
del coeficiente de fricción en condiciones de frenada normal, es decir, a una
presión de 30 bar., a una temperatura inicial de 100ºC y en un intervalo de
velocidad de 80 a 30 Km./h. Se realizan 18 frenadas durante las cuales se
mide el coeficiente de fricción. Se realizan después de cada etapa descrita
anteriormente.
Gráfica obtenida en la etapa de fading
57
Lo ideal para un buen material de fricción sería que su coeficiente de fricción
se mantuviese constante en µ=0,4 durante cualquier rango de utilización, ya sea en
temperatura, de presión o de cualquier otro parámetro. Además debiera de
desgastarse poco y no dañar la otra superficie contra la que entra en contacto, pero
esto es una utopía ya que el material de fricción está sujeto a muchos cambios como
ya hemos visto.
El material de fricción no se caracteriza solo por el coeficiente de fricción
sino que además existen otras características intrínsecas al material. Dichas
características deben de mantenerse dentro de unos límites para que el material
cumpla su función primaria.
� Densidad
La densidad (ρ) del material de las pastillas es la relación entre la masa del
material de fricción dividido del volumen que ocupa. Es un dato importante porque
puede darnos idea como estamos prensando durante el proceso de fabricación, y
también como pueden ser las expectativas de vida en servicio.
� Porosidad
La porosidad es entendida como el volumen relativo de la proporción de
cavidades en el material. Esto incluye poros, ampollas de aire y cualquier cavidad
que presente el material. La proporción de cavidades debe de ser menor al 5% de la
58
superficie de la pastilla y no afectar a su perfil para que así no sea rechazada la
pastilla. Una porosidad elevada puede provocar desgastes prematuros y una
porosidad reducida puede dar lugar a chirridos.
� Fuerza de cizalladura
La fuerza de cizalladura es la resistencia que presenta el material de fricción a
ser separado del soporte cuando sobre el actúa una fuerza tangencial.
Este valor es de los más importantes ya que las pastillas de freno cuando se
encuentran frenando están sometidas no solo a las fuerzas normales contra el disco
sino también a grandes esfuerzos tangenciales que son los que realiza el disco al
intentar arrastrar las pastillas en el sentido de su giro.
El valor mínimo aceptable para un test de cizallamiento es de 250 N/cm2,
según Reglamento 90, esta presión equivale a desarrollar una fuerza de 1250 kg. en
una pastilla de tipo medio, con un área de 50 cm2. Si esta característica no se cumple
es necesario el tomar medidas correctivas que consigan una mayor adherencia entre
el soporte y el material de fricción. Las principales acciones encaminadas a corregir
este defecto son el empleo de un adhesivo diferente, incluso variar el material de
fricción para que fluya mejor por los huecos del soporte y su adhesión al mismo sea
mejor.
59
Es importante destacar no solo el valor de rotura o presión máxima de
cizalladura que soporta el material, sino la adhesión que este presenta sobre el
soporte metálico, ya que una vez separado el material de fricción del soporte debe de
quedar material adherido al soporte en cantidad superior al 80 % de la superficie del
mismo. Si esto no fuese así sería necesario tomar las medidas oportunas, descritas
anteriormente.
En la figura se puede ver como se debe aplicar la fuerza de rotura en la
máquina, es importante que el radio del útil que empujará a la superficie de fricción
tenga el mismo radio que la pastilla para cumplir con lo estipulado según el
Reglamento 90.
El ensayo descrito anteriormente, se utiliza como ensayo de control, tanto en
el desarrollo de nuevos materiales como en el control normal de Calidad que se
realiza durante todo el proceso productivo.
Esquema del ensayo de cizalladura.
60
� Compresibilidad
La compresibilidad es el cambio de espesor en las pastillas por la aplicación
de una fuerza normal a la superficie de las pastillas. Este ensayo se realiza en dos
condiciones diferentes, en un principio se realiza a temperatura ambiente, lo que se
conoce como compresibilidad en frío y en posteriormente se realiza colocando la
pastilla por el lado del material de fricción contra una superficie que se encuentra a
400ºC durante 10 minutos, es el conocido como test de compresibilidad en caliente.
Cuando el valor de la compresibilidad en frío es mayor a un 2% del espesor
de la pastilla, se debería de modificar el material de fricción para que no se produzca
una reducción tan grande en el espesor del material. Durante el ensayo en caliente el
valor máximo de compresibilidad debe ser menor al 5%. Si se sobrepasase este valor
de nuevo deberían de tomarse medidas correctivas ya que ambos límites máximos
tanto para frío como para caliente están definidos según Reglamento 9
Es importante destacar que la compresibilidad de las pastillas de freno es una
de sus características básicas ya que con una cierta compresibilidad se absorben
vibraciones entre disco y pastilla reduciendo así los efectos nefastos que las
vibraciones presentan en el sistema de freno y que normalmente se traducen en ruido.
Por otro lado, una compresibilidad excesivamente alta puede dar lugar a carreras de
pedal muy largas.
61
� Conductividad térmica
La conductividad térmica de los materiales de fricción es la propiedad física
por la cual tienen la capacidad de transmitir el calor hacia su interior. Para el caso de
las pastillas de freno es muy importante que la conductividad térmica sea capaz de
evacuar el calor hacía el exterior de la pastilla pero se debe controlar ya que si ese
calor pasase a través del soporte metálico hasta la pinza, llegaría hasta el líquido de
freno. Dicho calor puede provocar que el líquido entre en ebullición con las
consecuentes perdidas de eficacia de frenada. Los síntomas claros de esta ebullición
es el aumento de la carrera de pedal, que se iría al fondo, con la consiguiente pérdida
de eficacia de frenado.
Los valores de conductividad térmica son muy variables con la formulación
de material de fricción, ya que si las pastillas son semimetálicas (aquellas que tienen
alto contenido en lana de acero, de cobre, latón u otros), su conductividad térmica
será mayor ya que los metales son mejores conductores de la temperatura. Por ello en
formulaciones semimetálicas es muy importante colocar un underlayer que evite la
transferencia de calor al líquido de freno para evitar que el líquido de freno,
eventualmente, entre en ebullición. En materiales de fricción de base orgánica la
conductividad térmica será menor de forma que no tendrán, en la mayoría de los
casos, la necesidad de usar underlayer.
62
1.1.4.4. EL DISCO DE FRENO
1.1.4.4.1. INTRODUCCIÓN
Los discos de freno son la superficie contra la cual interactúan las pastillas
para frenar el vehículo, debido a que el disco gira solidario con las ruedas. Ese
rozamiento entre discos y pastillas produce la transformación de energía cinética en
energía calorífica, provocando una reducción de la velocidad.
Los discos de freno no solo deben producir la transformación de energía sino
que además deben de conseguir que el calor producido sea transmitido a la atmósfera
lo más rápidamente posible, ya que sino, las temperaturas a las que operaría el
sistema serían muy elevadas llegando incluso al colapso del sistema.
El material escogido para fabricar los discos de freno es la fundición gris
nodular de grafito laminar, ya que garantiza una estabilidad de las prestaciones
durante el periodo de vida de los discos. Existen también, discos de materiales
compuestos en matriz de carbono, usados en la alta competición y en los frenos de
los aviones, aunque debido al alto coste que tienen son inviables para los vehículos
comunes. En la actualidad se están desarrollando discos de freno en aluminio con
una base de carburo de silicio, ya que su menor peso los hace muy atractivos, pero la
mala disipación de calor que tienen los hacen inviables de momento, ya que
necesitan un sobredimensionamiento importante que hacen que pierdan las ventajas
del reducido peso.
63
Las características básicas de la fundición de los discos la podemos ver la
siguiente tabla.
La composición básica del material de los discos es una fundición gris
nodular de grafito laminar, que contiene entre un 92% y un 93% de hierro. Además
del hierro otros componentes básicos tales como el silicio, manganeso y otros
garantizan la calidad de un elemento crítico en el frenado como es el disco. En el
gráfico siguiente podemos ver el porcentaje de los diferentes materiales que junto
con el hierro, que supone el 93% del total, el resto de materiales suponen entre el 7%
y el 8% que resta de la composición total del disco.
Composición de los discos (Resto de componentes excluyendo el 92% de hierro)
64
1.1.4.4.2. GEOMETRÍA DEL DISCO DE FRENO
Si es verdad que algunos discos han sido y siguen siendo simples geometrías
planas y circulares, su forma suele ser más compleja, compuesta de varias partes que
corresponden a las distintas funciones desempeñadas. De esta forma podemos
distinguir:
� La banda: Es la superficie en la cual tiene lugar la acción de fricción entre
las pastillas y el disco. Está dimensionada de forma que la potencia
específica desarrollada no sea demasiado alta. Un valor de 230 vatios por
cm2 de pista en una base para dimensionar el disco, pero dicho valor puede
modificarse notablemente cuando el disco está muy ventilado, hasta llegar a
623 vatios por cm2. Como veremos más adelante, por encima de dichos
valores, pueden aparecer daños en el disco en forma de grietas o
deformaciones, debido a la aparición del fenómeno de fatiga térmica.
La Banda Fijación La Campana El Filtro Térmico
65
� Fijación: La fijación de los discos está situada en la parte central del mismo.
Existe un taladro donde se aloja el buje, así como por la parte trasera un
chaflán que debe de apoyarse perfectamente en la mangueta para que el
ajuste del disco sea perfecto. Alrededor del taladro donde se aloja el buje, la
fijación tiene un cierto número de taladro que permiten el paso de los
pernos de anclaje de la rueda. En la mayoría de los discos la fijación del
disco se garantiza por unos taladros de menor diámetro que fijan el disco.
� La campana: La campana es el cilindro que une la banda, con el plano de
fijación. En algunos casos en el interior de la campana sé esta
aprovechando para montar un pequeño sistema de freno de tambor de
accionamiento mecánico, con la finalidad de que sirva de freno de
estacionamiento, esta técnica toma el nombre de Drum-in-Hat.
El principio de funcionamiento de los frenos como ya hemos visto
anteriormente se basa en que la energía cinética que lleva el vehículo debe de
disiparse en forma de calor. Este calor se acumula principalmente en los discos.
Pero lógicamente los discos no pueden almacenarlo infinitamente, sino que
debe ser disipado a la atmósfera de una forma eficiente. La forma más sencilla es
realizar una circulación de aire que, en contacto con el disco, se caliente y mantenga
la temperatura del disco en valores razonables a efectos de su integridad.
66
Los discos deben de desempeñar dos funciones principales: mover el aire a su
alrededor como lo haría un ventilador, y transmitir su energía a la atmósfera como lo
hace un radiador.
La forma circular del disco se presta mucho a esta doble función.
Efectivamente, cuando gira el disco, pone en marcha la capa laminar de aire con la
cual está en contacto. La parte más exterior el disco tiene velocidad lineal superior
respecto a la parte que está cerca de la campana. Aquí, la presión dinámica que sufre
el aire es más alta, ya que ésta varía con el cuadrado de la velocidad. De aquí deriva
una aspiración del aire desde la parte central hasta la periferia, se crea el movimiento
y el aire, desplazándose a la superficie del disco se calienta paulatinamente, lo que
tiende a incrementar dicha circulación. Este mecanismo ya existe con los discos
sólidos y es suficiente cuando las energías que han de trasladarse son reducidas o
medianas, como en el caso de los coches ligeros. Cuando la energía térmica disipada
aumenta, las superficies de un disco sólido ya no son suficientes. Si se intentase
aumentar su tamaño tendríamos la limitación impuesta por el tamaño de la rueda por
lo cual la solución adoptada por unanimidad es el disco ventilado que permite una
mayor disipación térmica en el mismo espacio.
Por tanto podemos distinguir, como ya hemos hablado, entre dos tipos de
configuración: Disco lleno y disco ventilado y que recogemos en las siguientes
imágenes:
67
Disco Sólido Disco Ventilado
El disco ventilado es la composición de dos pistas separadas por aletas en su
interior. Estas aletas garantizan la cohesión del disco permitiendo el paso de aire por
su interior. Gracias a estas aletas, el enfriamiento del disco no solo se produce en la
superficie exterior del disco (como sucede en los discos sólidos) sino que además se
produce su enfriamiento por el interior. La entrada de aire puede tener lugar por un
lado u otro respecto de la campana, pero para que la ventilación sea eficaz se prefiere
casi siempre el lado opuesto a esta. De hecho, la presencia de la rueda obstaculiza la
introducción del aire exterior.
Este intercambio de energía depende en gran medida de la forma y la
orientación de las aletas, como en una turbina, y su forma es un compromiso entre la
eficacia y las dificultades de realización. El rendimiento de una turbina deriva de la
relación entre la energía transmitida al gas y la energía que ha sido necesaria
proporcionar para hacer girar la turbina. Este rendimiento mejora cuando las aletas
están conformadas y no se oponen al desplazamiento del gas. Por eso, los discos que
reciben notables cantidades de energía van dotados de aletas de este tipo, las cuales a
una cierta velocidad de rotación, optimizan la velocidad de circulación. Sin embargo,
68
hay un límite vinculado a la velocidad de traslado del calor del interior del metal
hacia el gas.
Generalmente son radiales y por lo tanto la colocación de los discos en la
rueda izquierda o derecha, no afecta a las propiedades autoventilantes. Sin embargo
este segundo tipo de aletas están orientadas de tal forma que obligan a que esos
discos sean montados en una rueda o en la otra, ya que no sería eficaz su ventilación
si se intercambiara su ubicación.
De este modo y generalizando, cuanto mayor sea la velocidad que hay que
reducir y/o menor es el tiempo de que se dispone para hacerlo, el trabajo que se ven
sometidos los frenos resulta más crítico y en consecuencia puede decirse que la
aportación de temperatura es también mayor. Por ello se necesitan frenos mas
grandes o provistos de aletas para los vehículos que o tienen mayor peso o pueden
estar dotados de mayores velocidades punta sobre los que se debe actuar.
69
1.1.4.4.3. EL ESTRÉS MECÁNICO
Cuando el vehículo esta en marcha, independientemente de las fases de
frenado, el disco está sometido a escaso estrés mecánico. Bajo el efecto centrífugo
debido a la rotación del disco crea un esfuerzo de tracción. Al frenar, el disco se ve
solicitado por dos nuevas fuerzas. Ante todo, la fuerza de compresión, que deriva del
apoyo de las pastillas perpendicularmente a la superficie del disco. Esta fuerza a su
vez es el resultado de la aplicación de la presión del líquido de frenos en la superficie
del pistón en la pinza. Por su parte dicha fuerza, aumentada con valores máximos de
la presión (por ejemplo 80 bar.), crea a cargo de la fundición un esfuerzo de
compresión de algunos Newtons por mm2, un valor muy reducido para este material,
aunque sea en caliente. En cambio, en el disco ventilado, esta fuerza se ejerce solo en
la sección de las aletas, lo que puede llegar a duplicar o mas el esfuerzo en ese punto.
Esta fuerza también se aplica a la superficie comprendida entre las aletas y puede
flexionarlas -normalmente de forma reversible- si el esfuerzo permanece dentro del
límite elástico de la fundición. Hay que notar que el límite principal a una fuerte
compresión está constituido por el material de fricción.
70
La fuerza frenante debida al roce de la pastilla contra la superficie del disco
se traduce en la fundición en un esfuerzo de tracción. De hecho, la parte situada en
contacto con la pastilla es frenada, es decir sufre una fuerza opuesta al movimiento
rotatorio, mientras que la parte que no está en contacto con la pastilla se ve arrastrada
hacia el sentido de la rotación del disco. Aunque se aplique todo el esfuerzo en el
centro de empuje de la pastilla, se consiguen valores de esfuerzo de tracción del
orden de 1-2 daN/mm2, que hay que comparar con la resistencia a la tracción de la
fundación, que equivale a un 200 Mpa, es decir 20 daN/mm2. Dado que dicho
esfuerzo está repartido en toda la superficie de la pastilla, su valor es aún más
reducido y bastante más lejano del límite de ruptura. Sin embargo, cabe destacar que
este límite se reduce con la temperatura y en medida mucho más acentuada si existe
un principio de figuración en la fundición. Entonces se pueden producir rupturas. La
microfisuración que puede producirse después de largos periodos de funcionamiento
esta relacionada con este tipo de estrés repetido que se llama fatiga.
Así pues, existe un amplio margen entre el estrés mecánico aplicado al disco
y los límites que, si se alcanzan, podrían provocar rupturas. Para completar lista de
los esfuerzos que se ejercen en el disco, hay que añadir algunas flexiones que pueden
producirse al frenar en las curvas y el estrés dinámico que se sufre cuando vibra el
disco.
71
1.1.4.4.4. EL ESTRÉS TÉRMICO
Toda la energía que pierde el vehiculo al frenar (con el embrague
desacoplado) se encuentra en forma de calor generado en el interfaz disco/pastillas.
El caudal de calor aportado al principio del frenado es muy alto, ya que en nuestro
ejemplo es del orden de un centenar de kilovatios. Se trata de una potencia
importante, como ejemplo digamos que un usuario que desee disponer de una
potencia idéntica en su instalación eléctrica, se vería obligado a equipar la red para
una intensidad de 450 amperios a 220 voltios. En realidad, esta potencia se reduce
linealmente hasta cero cuando la deceleración es constante. A pesar de ello, la
energía total liberada para una rueda – que equivale aproximadamente a unos veinte
kilojulios- permitiría llevar a la temperatura de ebullición poco más de un litro de
agua en 7 segundos. El calor se genera al entrar en contacto dos superficies: la
pastilla y el disco. El aumento de la temperatura local es notable. No se puede medir
fácilmente, pero se puede calcular por aproximación. Debido al notable gradiente de
temperatura el calor se difunde en los dos materiales que están en contacto en
fundición de su aptitud específica a dicha acción.
El reparto de los caudales depende de las características físico-químicas de
los dos materiales, relativamente constante por lo que concierne a las fundiciones,
pero en cambio bastante distintas por los materiales de roce.
Sin embargo, se destaca que en la mayoría de los casos más del 80% del calor
generado termina en el disco.
72
Por eso, es preciso favorecer el enfrentamiento del disco. Ello es así mediante
la circulación de aire debida al desplazamiento del vehiculo, pero sobre todo al
movimiento del aire que induce el vehiculo. En función de la cantidad de calor
máxima que ha de eliminarse, se recurrirá a varios medios que por otra parte harán
más compleja la forma del disco. Se puede aumentar la superficie del intercambio,
como ocurre en los discos ventilados. Tamben se puede incrementar el caudal de
aire, mejorando el rendimiento a través de la conformación de las aletas. La entrada
del aire a través del lado en el que va fijada la rueda suele ser menos eficaz, ya que el
centro esta más alejado y la circulación mueve aire más caliente. Un excesivo
aumento de la temperatura de la pastilla provoca un deterioro del material y también
un aumento de la temperatura del pistón y por tanto del líquido de los frenos. El
excesivo aumento de la temperatura del disco también tiene numerosas
consecuencias.
Puede ocurrir una transformación de la fundición con azulado de la superficie
o una deformación permanente del disco. Por conducción, el calor se traslada hacia la
campana. En este caso, la pista del disco se curva y se transforma en un cono, no
73
encontrando la forma original al enfriarse. Por último, la campana está en contacto
con la llanta, con un consiguiente recalentamiento del neumático.
1.1.4.4.5. SIMULACIÓN
La única forma para aportar mejoras a un sistema físico es la de comprender a
fondo como funciona. Por eso, como reflejo, el técnico realiza un gran número de
mediciones para comprender las reacciones del sistema a los distintos tipos de estrés.
Esta forma de actuar, muy generalizada, es cara y solo satisfactoria en parte, ya que
es bastante difícil y a menudo imposible conseguir mediciones exactas en los
elementos que se mueven durante fenómenos transitorios. La llegada de instrumentos
potentes con un coste ajustado ha permitido generalizar los estudios mediante
modelización en el sector del disco de freno.
El principio consiste en recortar idealmente el componente en pequeños
trozos atribuir a cada uno de ellos las magnitudes básicas que lo caracterizan
geométricas, pondérales, mecánicas y térmicas. A continuación, se escriben en forma
de ecuaciones lineales y simplificadas todas las relaciones que pueden existir entre
los distintos elementos: por ejemplo, entre la conducción de calor y las características
elásticas. Naturalmente, se introducen datos que representan la situación inicial (por
ejemplo, el mapa de las temperaturas) y también se indican las solicitaciones
exteriores a las que se somete el elemento examinado. Luego, se procesa todos estos
datos con la ayuda de programas de cálculo de nominados de elementos finitos, que
74
dan nuevos mapas de las solicitaciones y de los caudales. Tras un pequeño
incremento de tiempo, entonces se puede calcular el nuevo estado de los distintos
elementos del disco que se están estudiando y por tanto progresar en la evolución del
fenómeno examinado: el frenado.
El resultado de los cálculos se presenta en forma de dibujos de la pieza, en los
que se visualizan, en varios colores, las zonas que presentan el mismo valor de una
determinada magnitud (por ejemplo, las zonas que tienen la misma temperatura, con
un margen de tolerancia de dos grados). Estos mapas pueden procesarse a intervalos
de tiempo regulares y observarlos permite comprender de forma exacta cuales son las
transformaciones posteriores de una magnitud dentro del disco.
Este método cobra pleno valor cuando se modifica, en los datos input, un
detalle geométrico, por ejemplo una dimensión o una modificación de mecanizado.
Entonces se puede valorar rápidamente el efecto de dicha variación sin tener que
fabricar físicamente varios modelos intermedios y realizar numerosas y largas series
de pruebas.
Cuando de los cálculos resulta que una modificación puede aportar una
mejora, se realiza la pieza y después se pueden multiplicar las pruebas y las
mediciones.
75
1.1.4.4.6. LOS PERFECCIONAMIENTOS
El análisis exacto de las formas y de las solicitaciones, perfeccionado a través
de cálculos y numerosas mediciones, ha llevado a mejoras de las que presentaremos
dos ejemplos: la reducción de la temperatura de la campana y la simplificación
constructiva de las aletas.
76
La llanta se fija normalmente en el lado exterior de la campana. Si la
temperatura de ésta es muy alta, también la de la llanta lo será y el neumático corre el
riesgo de verse sometido a temperaturas excesivas para la goma. El análisis de las
dilataciones también indica la posibilidad de una deformación cónica de la pista. Por
eso, hay que reducir en lo posible el caudal de calor hacia la campana y reducir la
rigidez de la junta. Esto es posible realizando un mecanizado en forma de garganta (o
canal) en la junta situada entre la campana y la banda frenante del disco. La sección
de paso del calor se reduce, el gradiante térmico aumenta y la temperatura de la
campana disminuye. También se constata una neta reducción de la deformación del
disco.
Otra solución para limitar el recalentamiento de la campana supone la
realización de orificios de enfrentamiento en esta parte del disco. Estos orificios
limitan la transmisión del calor de las bandas frenantes hacia la campana. Menos
masa significa menos conducción, por lo tanto, menos deformación del disco.
77
Para los discos ventilados, un espesor diferenciado de las dos bandas (la placa
unida a la campana es mas gruesa) reduce la deformación del disco.
Otro ejemplo de perfeccionamiento lo representa el uso de aletas creadas
mediante una sucesión de espigas. La realización de las aletas representa una
complicación respecto al disco sólido, sobre todo cuando éstas son perfiladas.
El disco mixto, llamado disco flotante, representa otra solución innovadora.
Consta de una corona de hierro fundido (de carbono para F1) que corresponde a las
bandas frenantes, y por un buje de aleación de aluminio. Las los partes son solidarias
gracias a unos casquillos de fijación. Durante el funcionamiento, el disco presenta
una parte caliente (las bandas frenantes) y una parte fría (la campana).
Para usos particulares difíciles, por ejemplo los coches de rally del grupo A,
el disco flotante se utiliza para solucionar los problemas de deformación. Es
importante que la pista frenante pueda dilatarse sin deformarse ni dar lugar a
tensiones que provocarían grietas, primea etapa hacia la ruptura. Este tipo de disco
permite una dilatación radial de las pistas frenantes, evitando las deformaciones
permanentes y las tensiones. Esta tecnología también representa una ventaja en
cuanto a peso y, a raíz del desgaste, da la posibilidad de sustituir solo una parte del
disco. Utilizándose solo en las motocicletas, el disco flotante también tiene algunos
usos de carretera fuera de los vehículos de competición.
78
1.1.4.4.7. TEMPERATURA DE RÉGIMEN
Al igual que otro tipo se sistemas tales como embragues o motores de
combustión interna, en los que la transferencia de energía térmica juega un papel
importante, los sistemas de frenada alcanzan en un determinado momento de
funcionamiento una estabilidad térmica conocida y a una determinada temperatura de
régimen.
Este valor se obtiene a través de la realización de frenadas sucesivas en
intervalos regulares de tiempo donde la aportación de calor es constante. Si el
calentamiento sufrido es muy grande y en ciclos de funcionamiento muy pequeños se
pone en peligro la integridad de los componentes que forman el sistema, y en el caso
de los sistemas de freno, el control de este fenómeno es mucho más crítico ya que no
solo podemos disminuir la eficacia en la frenada sino que podemos perder totalmente
la capacidad de actuación del sistema si llegamos a alcanzar unos determinados
valores de temperatura que provoquen la vitrificación de las pastillas de frenado.
El comportamiento de transferencia de calor en un sistema disco-pastilla se
rige a través de dos procesos bien conocidos:
� En primer lugar se produce un calentamiento de las piezas del sistema,
difundiéndose el calor a través de un proceso adiabático de conducción
donde la cantidad de calor transferida es constante y no depende de la
temperatura, sino del gradiante.
79
� Posteriormente en el momento en que se deja de actuar sobre el freno se
produce un proceso de enfriamiento progresivo por convección natural o
forzada según las condiciones de funcionamiento del sistema, cuyo valor
aumenta a medida que lo hace la temperatura de nuestro sistema, lo cual
posibilita que en un determinado momento se alcance el equilibrio término
mencionado.
Evidentemente llegaremos a alcanzar el equilibrio térmico en el freno cuando
el incremento de temperatura en cada conexión coincida con la disminución de
temperatura entre el final de dicha conexión y el principio de la siguiente. A este
equilibrio siempre llegaremos; ya que la evacuación de calor entre conexiones, va
aumentando según va subiendo la temperatura; lo interesante es conseguir este
equilibrio con una temperatura igual o inferior a la máxima tolerada por el
acoplamiento para así no provocar la pérdida de eficacia o incluso rotura de los
θ3f
2fθ
1fθ3nθ
2nθ1nθ
7tp6tp5tp4tp3tp2tptp
80
componentes a través la aparición del fenómeno conocido como fatiga térmica y que
estudiaremos a continuación:
1.1.4.4.8. DESGASTE Y AGRIETAMIENTO
Si el desgaste de la pista de los discos tiene lugar de forma sistemática,
aunque con velocidades muy variables, no siempre se producen grietas. De todas
formas no es nada excepcional constatar este tipo de deterioro. Este envejecimiento,
que es una transformación de la fundición, normalmente se produce cuando el disco
ya está muy desgastado. Por eso se observa cuando se sustituye.
Se han realizado estudios muy complejos y profundos sobre este fenómeno,
que puede llegar a ser grave. La primera constatación que hay que hacer es que el
agrietado ocurre cuando la superficie de la fundición se somete a fuerzas y a
intercambios de energía muy altos al frenar. Tratándose por eso prácticamente de un
problema de dimensionamiento, este deterioro es más raro en los coches cuyo
sistema de frenos está dimensionado de forma correcta. Sin embargo, los técnicos
saben poner a punto pruebas muy duras que terminan con crear grietas en los discos
nuevos. El agrietado en sí no pone en peligro la seguridad, pero puede ser una señal
premonitoria de una rotura, lo que es mucho más peligroso. El mecanismo de
paire
tcG
Sairenf tS
Am
e
cGAm
p 00
1α
θθθ α +≈−
+= −
81
aparición de las grietas se ha estudiado a fondo. Aquí nos limitaremos a recordar los
principios.
Hemos visto que, al frenar, la temperatura superficial es mucho más alta
que la temperatura interior. Por consiguiente, la dilatación de superficie es mucho
mayor. En este punto la fundición se somete a una fuerte solicitación de compresión
debida a la acción de las pastillas. Si esta solicitación supera el límite elástico del
material, cuando el disco se enfría se produce un comienzo de deformación con
aparición de grietas. Naturalmente, esto no ocurre a la primera exploración térmica,
sino después de un gran número de ciclos. Es lo que normalmente se llama fatiga
térmica.
Una observación microscópica demuestra que muy a menudo las pequeñas
grietas nacen en un punto con una fuerte concentración de láminas de grafito. Una
fundición muy homogénea estará por tanto menos sujeta a este fenómeno. El
agrietado se produce paulatinamente. Al principio, las grietas son muy pequeñas y se
habla de raja. En cambio, cuando las grietas son más amplias, se nota que se orientan
según los rayos del disco. Esto sucede porque interviene un mecanismo
suplementario. En el primer capítulo vimos que, al frenar, la superficie del disco se
somete a un estrés de tracción, perpendicularmente a la dirección de desplazamiento
de las pastillas.
82
Este mecanismo tiende a crear grietas: es la fatiga mecánica. Los exámenes
realizados en algunas secciones han demostrado que la profundidad de las grietas
aumenta más rápidamente que su longitud. Las pruebas que se llaman de «choque
térmico» y de «fatiga térmica» destacan claramente el incremento de las grietas con
el aumento de los frenados. Además, se puede ver que el espesor del disco tiene una
Solicitación en el espesor de la fundición del disc o
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0,05 0,1 0,2 0,3 0,35 0,4 0,45
Anchura superficial en milímetros
prof
undi
dad
en m
m
Campo de agrietado
83
notable influencia en la velocidad de crecimiento de las grietas. Basta con comparar
un disco nuevo con uno usado. Para acelerar las pruebas, se mecaniza un disco nuevo
de manera que tenga el espesor mínimo. Es evidente que cuando se observan grietas
de algunas decenas de milímetros de longitud en la superficie del disco, hay que
sustituir el componente ya que un ensanchamiento de las grietas puede provocar
roturas en el espesor de la pista, a menudo entre dos aletas.
Además del hecho de que la eficacia de frenado puede quedar comprometida,
esto provoca un rápido desgaste de las pastillas, ya que el disco actúa como una
raspa. Los estudios citados anteriormente han permitido poner de manifiesto las
causas principales de la generación y de la propagación de las grietas. Para ponerles
remedio, existen algunas soluciones.
� Es preciso aumentar la conductividad térmica de los principales órganos del
freno, para que las temperaturas alcanzadas sean inferiores; en especial, hay
que aumentar la conductividad del material de las pastillas, pero sin
provocar el vapor-Iock;
84
Relación grietas/temperatura
0
2
4
6
8
10
650 675 700 725 750 775 800
Temperatura del disco al final del frenado
Índi
ce d
e re
sist
encí
a a
la
fisur
ació
n
A los 150 frenados de
energía.
� El módulo de YOUNG de la pastilla, que representa su elasticidad, también
tiene una cierta influencia, ya que hay que aumentar la superficie de roce
para reducir el estrés mecánico local. Efectivamente, es preciso que las dos
superficies se adapten entre sí, tanto por efecto del desgaste como de la
deformación.
A estas recomendaciones naturalmente se añaden todas las acciones que
permiten reducir la temperatura: en especial, el enfriamiento del disco y su
dimensionamiento.
85
RESISTENCIA AL ESTRÉS TÉRMICO
Disco: 305x28
Límite máximo de longitud de las grietas en las pistas frenantes = 33mm
EVOLUCIÓN DE LAS GRIETAS DURANTE LAS PRUEBAS DE CHO QUE TÉRMICO.
Impacto del espesor del disco en el crecimiento de las grietas.
EVOLUCIÓN DE LAS GRIETAS DURANTE LAS PRUEBAS DE FAT IGA TÉRMICA
Impacto del espesor del disco en el crecimiento de las grietas.
86
1.1.4.4.9. DESGASTE, ESPESOR MÍNIMO Y TEMPERATURA
El desgaste es un fenómeno normal, pero no es obligatorio para que el freno
funcione correctamente. Se han realizado muchos progresos en cuanto a materiales y
es probable que haya muchos más. A pesar de ello, todavía no conocemos un sistema
de roce que posea todos los requisitos para un frenado correcto y que no presente
fenómenos de desgaste. Ante todo, hay que distinguir entre el desgaste de la
fundición y el desgaste del material de roce, sobre todo porque muy a menudo se
tiende a imputar a las pastillas la responsabilidad de los dos tipos de desgaste. Ello se
debe al hecho de que el material del disco siempre es el mismo (las variaciones de
composición de las distintas aleaciones son mínimas respecto a las mezclas de las
pastillas), mientras que para conseguir ciertos resultados, el de las pastillas varía más.
Por lo que concierne sólo al desgaste, se conocen materiales que se desgastan poco,
pero que desgastan mucho los discos y viceversa. Cuando se puede elegir, el
fabricante de automóviles tiende a preferir la segunda solución.
También veremos que existe una interacción entre los dos tipos de desgaste y
que la sustitución del disco es igual de importante que la del material de roce a
efectos de la seguridad y del confort de frenado. La noción de espesor mínimo del
disco es tan importante que este valor queda impreso de forma cota mínima indeleble
en su superficie de corte. Dicho valor es establecido por el fabricante como mínimo
por tres motivos. Ante todo, por motivos mecánicos: en el caso de los discos
ventilados, es preciso que la pared de fundición no se deforme debido a la presión.
En segundo lugar, por motivos relacionados con la masa restante de fundición: una
87
masa reducida provoca altas temperaturas. Por último, simplemente por motivos
geométricos: de hecho, si las pastillas se desgastan mucho con el tiempo y el disco ha
superado su espesor mínimo, se producirán graves consecuencias que citamos a
continuación. En primer lugar, el guardapolvo del pistón puede lacerarse. Esto no
crea un peligro inmediato, pero si el ambiente está sucio y lleno de lodo, el polvo
abrasivo daña rápidamente el forro, a expensas de la estanqueidad.
88
En algunos casos las pastillas pueden dejar de estar guiadas y salirse de su
alojamiento. En este caso, la acción frenante quedará muy pronto degradada, o
llegará a ser Inexistente. Si la posición del pistón es demasiado avanzada, éste puede
salirse de la pinza debido al movimiento de torsión y el vehículo ya no frenará.
Cuando se sustituyen las pastillas, hay que evitar mantener un disco que corra el
riesgo de superar el espesor mínimo durante la vida útil de las pastillas nuevas.
Una consecuencia importante del desgaste, y por tanto de la reducción del
espesor del disco, la constituye el aumento de la temperatura alcanzada en dos
frenados idénticos desde el punto de vista de la potencia utilizada. Ante todo, el
volumen de fundición se ha reducido, ya que el espesor del disco es mínimo y, con la
misma energía transmitida, la temperatura de las pistas frenantes es superior.
89
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL
DESGASTE DE LAS PASTILLAS
Disco nuevo
Disco desgastado
90
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA
DEFORMACIÓN DEL DISCO Y EL CONFORT
Disco nuevo
Disco desgastado
91
Con las mismas condiciones de prueba, es interesante comparar los desgastes
medidos con un disco y unas pastillas nuevas y los desgastes observados cuando las
pastillas son nuevas pero el disco ha llegado al espesor mínimo. Se nota que las
pastillas están desgastadas después de un recorrido un 30% más corto respecto a
cuando el disco presenta el espesor original. Este fenómeno es aún más grave para el
disco.
También se pueden comparar las temperaturas que se alcanzan en el freno
dotado de un disco nuevo y, siempre en el mismo freno, pero con un disco
desgastado. La prueba consiste en una sucesión de frenados suficientemente cercanos
entre sí para que la temperatura aumente con regularidad. El menor volumen de las
pistas frenantes provoca un aumento mucho más rápido de la temperatura. Las
dilataciones hacen que el disco se deforme y adquiera una oscilación. Ya que esto se
produce más a menudo con los discos desgastados, el desgaste de las pastillas es
irregular y el confort queda penalizado. Esta deformación puede llegar a ser
permanente y comprometer el funcionamiento del sistema de frenos.
Con las mismas condiciones, se pone de manifiesto la aparición mucho más
rápida del fading, es decir la reducción del coeficiente de roce a alta temperatura. En
este caso también la prueba prevé una serie de frenados realizados con deceleración
constante a intervalos de tiempo constantes. Puede observarse que la presión
necesaria para obtener una cierta deceleración llega a valores cada vez más altos. Lo
mismo puede decirse naturalmente para la fuerza de apoyo en el pedal.
92
Con un test parecido, pero que supone un mayor número de frenados, se
puede poner de manifiesto un notable aumento del recorrido del pedal a final de la
prueba. De hecho, la temperatura del líquido supera 200ºC y aparecerá precozmente
el fenómeno de vapor-lock.
93
PRUEBA DE AUMENTO DE LA TEMPERATURA:
MANIFESTACIÓN DEL FENÓMENO DE FADING
Frenado con deceleración constante y con intervalo constante entre dos frenados.
Disco nuevo
Disco desgastado
94
1.1.4.5. DINÁMICA DE LA FRENADA
� Conversión de energía.
Es bien conocido que el sistema de frenos convierte la energía cinética de un
vehículo en movimiento en energía térmica, más comúnmente conocida como calor.
De la física básica sabemos que la energía cinética de un cuerpo en movimiento es
definida de la siguiente forma:
2
2
1vvcinética vmEnergía ××=
� Donde mv = Masa del vehículo en movimiento.
� Donde vv = Velocidad del vehículo en movimiento.
Idealmente consideraremos que esta energía es completamente absorbida por
el sistema de frenos y convertida íntegramente en energía térmica de la siguiente
manera:
scomponentepscomponentevv TCmvm ∆××⇒×× 2
2
1
� Donde mcomponentes = Masa de los componentes del sistema de frenos que
absorben la energía.
95
� Donde Cp = Calor específico de los componentes del sistema de frenos que
absorben la energía (una constante basada en las propiedades del material).
� Donde ∆Tcomponentes = Incremento de temperatura experimentado por los
componentes del sistema de frenos que absorben la energía.
Debemos resaltar que habitualmente los discos de freno son los principales
elementos que absorben energía en situaciones de frenadas aisladas y temporales.
De esta forma vemos como el incremento de la temperatura es directamente
proporcional a la masa del vehículo en movimiento. Más importante es, quizás, el
hecho de que dicho incremento sea proporcional al cuadrado de la velocidad del
vehículo. En otras palabras, a doble velocidad, teóricamente le corresponde el
cuádruple de incremento en la temperatura. Por tanto pequeños incrementos de
velocidad pueden producir grandes efectos en la temperatura de los frenos.
Así teóricamente podríamos decir que los frenos no son los responsables de
detener un vehículo, estos simplemente transforman la energía de movimiento en
calor.
En aplicaciones prácticas, la resistencia a la rodadura, resistencia
aerodinámica, aceleración de la gravedad y otras pérdidas mecánicas juegan también
un papel importante en la absorción de energía, pero para establecer estas relaciones
fundamentales debemos limitar nuestro estudio despreciando dichos efectos.
96
� Pedal de freno
El pedal de freno sirve para multiplicar la fuerza ejercida por el pie del
conductor. De la estática elemental podemos comprobar como el incremento de la
fuerza será igual a la fuerza aplicada por el conductor multiplicado por la relación del
pedal de freno:
1
2,, L
LFF peps ×=
� Donde Fs,p = Fuerza a la salida del conjunto del pedal freno.
� Donde Fe,p = Fuerza a la entrada aplicada por el conductor en la plataforma
del pedal.
� Donde L1 = Distancia comprendida entre la articulación del pedal de freno
hasta la articulación del vástago de salida de accionamiento de la bomba.
� Donde L2 = Distancia comprendida entre la articulación del pedal de freno
hasta la plataforma de accionamiento.
Dese cuenta que esta relación asume un 100% de eficiencia mecánica de
todos los componente del conjunto del pedal de freno. En aplicaciones practicas las
deformaciones de estos elementos y la fricción presente entre ellos limita esta
condición.
97
� Bomba de freno.
La principal responsabilidad de la bomba de freno es transformar la fuerza
aplicada por el conductor en el pedal de freno al sistema hidráulico en forma de
presión. Si asumimos la condición de incompresibilidad de los líquidos y rigidez
infinita en los conductos hidráulicos, la presión generada por la bomba de freno será
igual a:
b
ps
b A
FP ,=
� Donde Pb = Presión hidráulica generada por la bomba de freno.
� Donde Ab = Área efectiva del pistón de la bomba de freno.
Así esta relación presupone un 100% de eficiencia hidráulica de todos los
componentes del conjunto de la bomba de freno. En realidad, las propiedades físicas
y condiciones térmicas de los fluidos, retenes y compresibilidad influirían en este
proceso.
� Líquido de frenos, conductos y manguitos.
La principal responsabilidad del líquido de frenos, conductos y manguitos es
la de transmitir la presión hidráulica desde la bomba de freno a las pinzas de freno
localizadas en cada una de las ruedas del vehículo. Debemos decir que los conductos
utilizados en el sistema son de material flexible, a pesar de ello, de nuevo asumiendo
98
incompresibilidad del líquido e infinita rigidez de los conductos, en estas condiciones
la presión transmitida a las pinzas de freno será igual a:
bpistón PP =
� Donde Ppistón = Presión hidraúlica transmitida a la pinza de freno (caliper).
� Pinza de freno
La principal función de la pinza de freno es transformar la presión hidráulica
transmitida a través de los conductos en una fuerza mecánica lineal.
pistónpistónpistonespinza APnF ××=
� Donde Fpinza = Fuerza lineal mecánica generada por la pinza de freno.
� Donde Apistón = Área efectiva del pistón de la cara de la pinza de freno
mencionada.
� Donde npistones = número de pistones que actúan sobre la pastilla.
99
� Pastillas de freno.
Su responsabilidad es generar una fuerza de fricción en oposición a la
rotación del disco de freno. Esta fuerza de fricción se relaciona con la fuerza de
mordaza creada por la pinza de freno de la siguiente forma:
padpinzafricción FF µ×=
� Donde Ffriction = Fuerza de fricción generada por la oposición a la rotación del
disco de freno producido por las pastillas de freno.
� Donde µpad = Coeficiente de fricción entre las pastillas y el disco de freno.
Debemos reseñar que a parte de asumir un 100% de eficacia de
funcionamiento de los componentes y de la superficie de las pastillas el coeficiente
de fricción entre dichos elementos no es un valor estable sino que cambia en función
de las condiciones de funcionamiento, tales como temperatura, tiempo de
funcionamiento, presión, humedad…
A su vez la presión que ejerce la pastilla sobre el disco suponiendo que no
sufre deformación alguna durante el proceso sería la siguiente:
pad
pinza
pad A
FP =
100
� Disco de freno.
Como hemos visto, el disco de freno constituye el principal disipador de calor
del sistema de frenos. Pero además una de sus principales responsabilidades es la de
generar un esfuerzo de torsión en función de la fuerza de fricción creada en las
superficie de las pastillas de freno. Este esfuerzo está relacionado con la fuerza de
fricción a través de la siguiente expresión:
effricciónfrenado RFN ××= 2
� Donde Nfrenado = Esfuerzo de torsión o par generado por el disco de freno.
� Donde 2 responde a la utilización conjunta de dos pastillas en posición
opuesta.
� Donde Ref = Radio efectivo del disco. Distancia comprendida entre el centro
de rotación del disco al centro de presión de los pistones. Donde:
( )( )22
33
3
2
ie
ieef rr
rrR
−−⋅=
Debido a que el rotor está mecánicamente unido al hub y a la rueda, y
considerando que el neumático se encuentra rígidamente unido a está, el par será
constante a través del conjunto de elementos de rotación:
neumáticorueda NNN ==
101
� Donde Nneumático = Esfuerzo de rotación en el neumático.
� Donde Nrueda = Esfuerzo de rotación en la rueda.
� Neumático
Asumiendo que existe una adecuada tracción (fricción) entre el neumático y
la calzada que asegure una correcta frenada, el neumático desarrollará un esfuerzo de
oposición al esfuerzo de rotación generado previamente por la rueda. Dicho valor
será función de las características del neumático, pero la fuerza de reacción generada
como respuesta en la calzada será:
neumático
frenado
neumático R
NF =
� Donde Fneumático = Fuerza de reacción entre el neumático y la calzada
(asumiendo que existe fricción suficiente para soportar la fuerza)
� Donde Rneumático = Radio efectivo del neumático (brazo del momento)
Hasta este punto nuestro análisis ha consistido en el estudio de un único
conjunto de frenos instalado en una única rueda; sin embargo, debido a que los
vehículos actuales poseen un sistema de frenos en cada rueda, debemos considerar
realmente cuatro fuerzas de reacción del neumático sobre la calzada. Debido a esto,
la fuerza total de frenada se define como la suma de las cuatro fuerzas:
102
∑= TDTIDDIneumáticoDtotal FF ,,,
� Donde Ftotal = Fuerza total de reacción entre el vehículo y la calzada
(asumiendo una adecuada tracción)
� Deceleración de un vehículo en movimiento
Basándonos en las leyes de Isaac Newton, si una fuerza es ejercida sobre un
cuerpo este experimenta una aceleración. Si esta aceleración se opone a la dirección
del movimiento se denomina deceleración. En el caso de un vehículo que
experimenta una fuerza de frenada, la deceleración será igual al siguiente factor:
v
totalv m
Fa =
� Donde av = deceleración del vehículo.
� Cinética de un vehículo que experimenta una deceleración.
Integrando la deceleración de un cuerpo en movimiento con respecto al
tiempo nos permite determinar su velocidad. Integrando de nuevo dicha expresión
podemos determinar su posición. Aplicando esta relación a un vehículo que
experimenta una deceleración linear, la distancia de frenada teórica de un vehículo en
movimiento puede ser calculada de la siguiente forma:
103
v
vf a
vD
×=
2
2
� Donde SDv = Distancia de frenada.
� Determinación de los parámetros relativos a la distribución de pesos estáticos
del vehículo.
Bajo condiciones de aceleración nula, un vehículo posee una distribución de
pesos constante que se distribuye como un porcentaje establecido del total a las 4
ruedas del vehículo. En una vista lateral, la suma del peso de la rueda delantera
izquierda y derecha será igual al soportado por el eje delantero, y de igual forma
sucederá con el eje posterior. Si estos valores son conocidos, entonces podemos
rápidamente calcular la distribución estática de pesos en el vehículo:
� Donde Pd = Fuerza vertical del eje delantero (Peso)
� Donde Pt = Fuerza vertical del eje trasero (Peso)
� Donde P = Fuerza vertical total del vehículo (Peso total)
Distribución peso delantero = 100×P
Pd
Distribución peso trasero = 100×P
Pt
104
Si la distribución de pesos estática es conocida, entonces el cálculo de la
posición horizontal del centro de gravedad (CG) es simplemente función de la
geometría del vehículo:
WBP
PCG t
xd ×=,
WBP
PCG d
xt ×=,
� Donde CGd,x = Distancia desde el eje delantero al CG.
� Donde CGt,x = Distancia desde el eje trasero al CG.
� Donde WB = Distancia entre ejes (Batalla)
De estas relaciones es naturalmente demostrable que:
WBCGCG xtxd =+ ,,
� Consecuencias dinámicas experimentadas en la deceleración de un vehículo.
Siempre que un vehículo experimenta una deceleración, la fuerza efectiva
neta o peso ejercido en cada rueda cambiará.
Mientras que el peso total del vehículo permanece constante, la fuerza
ejercida sobre el eje delantero experimentará un incremento mientras que el eje
105
trasero decrecerá en la misma medida. Como podemos seguir en la siguiente
relación, dicha magnitud es función de la deceleración y geometría del vehículo:
PWB
h
g
aTP cgv ×
×
=
� Donde TP = Peso absoluto transferido desde el eje trasero al delantero.
� Donde g = Aceleración de la gravedad
� Donde hCG = Distancia vertical del CG al suelo.
Para calcular la distribución real de fuerzas sobre los ejes delanteros y traseros
debemos seguir las siguientes expresiones:
TPPP ddd +=,
TPPP tdt −=,
� Donde Pd,d = Peso sufrido por el eje delantero durante la deceleración.
� Donde Pt,d = Peso sufrido por el eje trasero durante la deceleración.
De estas expresiones es sencillo comprobar que para una determinada
deceleración se cumple que:
PPP dtdd =+ ,,
106
� Efecto de la transferencia de pesos sobre los neumáticos.
Cuando un vehículo experimenta una transferencia de pesos, la capacidad de
frenada de cada eje se ve alterada. Bajo condiciones estáticas, la fuerza máxima de
frenado que un eje es capaz de producir está definida por la siguiente expresión:
ddf PF ×= µ,
ttf PF ×= µ,
� Donde Ff,d = Fuerzas combinadas de frenada en los neumáticos delanteros.
� Donde Ff,t = Fuerzas combinadas de frenada en los neumáticos traseros.
� Donde µ = Coeficiente de fricción máximo entre los neumáticos y el asfalto.
Sin embargo, como resultado de la transferencia de peso durante la deceleración,
la máxima fuerza de frenada que un eje es capaz de producir se ve modificada de la
siguiente manera:
( )TPPPF ddddf +×=×= µµ ,,
( )TPPPF tdttf −×=×= µµ ,,
Como se puede comprobar en las expresiones anteriores, la transferencia de
pesos incrementa la capacidad de frenada del eje delantero mientras que disminuye la
del eje trasero.
107
Dese cuenta que este análisis asume que µ es constante durante la
deceleración.
De esta forma la fuerza total máxima de frenada vendrá determinada por la
suma de las fuerzas desarrolladas por el eje delantero y trasero del vehículo:
tfdf FFF ,,max +=
A su vez, podemos relacionar dicha fuerza máxima con el peso del vehículo a
través del coeficiente de fricción máximo entre los neumáticos y el asfalto.
( ) µµ ×=×+= PPPF dtdd ,,max
Basándonos en las leyes de Isaac Newton, si una fuerza es ejercida sobre un
cuerpo este experimenta una aceleración. Si esta aceleración se opone a la dirección
del movimiento se denomina deceleración. En el caso de un vehículo que
experimenta una fuerza de frenada, la deceleración será igual al siguiente factor:
v
v m
Fa max=
� Donde av = deceleración del vehículo.
108
Basándonos en ambas expresiones se obtiene que:
vv amPF ⋅=⋅= µmax
g
a
P
am vvv =⋅
=µ
De donde concluimos que la máxima aceleración esperada que puede
obtenerse en el proceso de frenada del vehículo coincide con el coeficiente de
fricción entre neumático y asfalto.
Así, el par de frenado de oposición al movimiento del vehículo se obtiene a
través del radio efectivo de los neumáticos:
d
cgvdddfd RP
WB
h
g
aPRFN ⋅
×
×
+⋅=⋅= µ,
t
cgvtttft RP
WB
h
g
aPRFN ⋅
×
×
−⋅=⋅= µ,
� Donde Rd = Radio efectivo del neumático delantero (brazo del momento)
� Donde Rt = Radio efectivo del neumático trasero (brazo del momento)
109
� Cálculo del balance óptimo de frenada.
Para alcanzar el equilibrio óptimo de frenada, o alcanzar una eficacia del
100%, el cociente de fuerzas de frenado delanteras y traseras deberá ser igual al
cociente de fuerzas verticales delanteras y traseras. Bajo condiciones estáticas, esto
implica que:
t
ttren
d
dtren
P
F
P
F ,, =
Sin embargo, debido a la transferencia de pesos producida durante la frenada:
dt
ttren
dd
dtren
P
F
P
F
,
,
,
, =
En base a esta relación podemos llegar a la conclusión de que el cociente de
las fuerzas de frenada delanteras y traseras es un parámetro fijo basado en el
dimensionamiento de los componentes del sistema, la relación entre las fuerzas
verticales delanteras y traseras es una variable basada en la deceleración y geometría
del vehículo. Esto indica que la relación puede solo ser optimizada para una
determinada deceleración del vehículo y unas condiciones determinadas.
(Típicamente a máxima deceleración con el más alto porcentaje de peso estático
delantero).
110
1.1.4.6. SISTEMA DE FRENOS DE UN VEHÍCULO FSAE.
ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS
Los vehículos Fórmula SAE son monoplazas de unos 3 metros de largo, que
usan motores de 600 cc adoptados de motocicletas, de 4 tiempos y 4 cilindros, que
llegan a los 70 CV de potencia. Esta potencia se utiliza para mover un vehículo de
menos de 250 Kg. de peso, y se regula mediante 6 marchas de cambio secuencial
para conseguir aceleraciones de 0 a 100 Km./h en 4 segundos, y velocidades puntas
de 170 Km./h Conducir un coche de semejantes características no es ningún juego,
son coches nerviosos, de poco peso y tremenda aceleración. En las pruebas
cronometradas se alcanzan fuerzas de hasta 2g. Por ello disponen de potentes frenos
y suspensiones de competición, además de arcos de seguridad delantero y trasero. El
piloto usa mono y casco ignífugos, y tanto el coche como el piloto se enfrentan a
duras pruebas de verificación de seguridad.
Por tanto las exigencias de frenada para este tipo de vehículos son
considerables, si es cierto que su masa no es comparable a la de un vehículo
convencional pero sus velocidades y aceleraciones punta son importantes.
Ninguna prueba dentro de la competición va destinada a puntuar
específicamente la eficacia del sistema de frenos, su evaluación formará parte de una
inspección técnica global del vehículo en la que se comprobará el cumplimiento de la
normativa impuesta por la organización, y de una valoración desde el punto de vista de
111
análisis de costes, pero si es cierto, que el sistema de frenos jugará un papel muy
importante en el resto de pruebas, sobre todo en aquellas de largo alcance, donde el
número de frenada es significativo respecto al de aceleraciones siempre predominante
a lo largo de todas las pruebas. Estas pruebas básicamente son las siguientes:
� Autocross: El objetivo de esta prueba es evaluar la maniobrabilidad y
manejabilidad del coche en una pista estrecha sin el estorbo de los
competidores. La pista de autocross combinará la realización de pruebas
de aceleración, frenada y giro en una sola prueba.
� Prueba de resistencia: de 22 Km. de recorrido esta diseñada para evaluar
el funcionamiento general del coche además de la fiabilidad del mismo.
Por tanto los equipos plantean en su diseño del vehículo, sistemas de freno
orientados hacia la fiabilidad y seguridad en su funcionamiento, factores que además
contribuyen a la hora de transmitir control y confianza al conductor, que como
sabemos son cuestiones determinantes en el éxito en cualquier prueba deportiva, por
tanto, no debe ser planteado desde el punto de vista de algo que nos haga ganar
mucho tiempo. Debe ser un sistema que no de problemas durante la carrera, y sobre
todo que tenga un comportamiento estable a lo largo del tiempo.
Por ello, como norma general, los equipos Formula SAE instalan sistemas de
freno de características muy similares, siempre tomando como punto de partida la
normativa impuesta en este sentido por la competición, la cual obliga a los equipos a la
112
realización de un sistema de frenos que actué en las cuatro ruedas y esté dirigido por
un solo mecanismo de control, debe tener dos circuitos hidráulicos independientes de
tal forma que si se produjera una avería en cualquier punto del sistema la frenada
estaría asegurada en al menos dos de las cuatro ruedas y cada circuito hidráulico debe
tener su propio sistema de almacenamiento de fluido. Los sistemas de "freno por
cable" están terminantemente prohibidos y la utilización de un único freno que actúe
sobre un diferencial autoblocante es en este caso permitido por la normativa. Por otro
lado no se permite la utilización de conductos del sistema hidráulico de material
plástico o sin blindaje de protección.
A partir de esta normativa los equipos desarrollan sus propios sistemas de
freno, es interesantísimo ver como los estudiantes agudizan el ingenio y realizan
verdaderas maravillas de diseño, por ello ha surgido al respecto, un premio paralelo a
la competición no puntuable, pero si dotado con interesantes premios económicos
($1200, 750$ y $500), donde son valorados aspectos tales como la innovación, uso de
nievas tecnología, costes, métodos de análisis y diseño, selección de componentes y
materiales, empaquetamiento y seguridad, este premio se conoce con el nombre de
“Best in Class” y es patrocinado por la multinacional de neumáticos Continental.
Pero analizando las soluciones que adoptan cada uno de los equipos
participantes en Formula SAE, o en su vertiente europea Formula Student, podemos
comprobar como todos ellos comparten los mismos rasgos en cuanto a componentes y
funcionamiento, salvo determinadas variantes que trataremos de identificar a lo largo
de este capítulo.
113
Indiscutible son únicamente empleados discos de freno como elementos
frenantes para este tipo de vehículos, por su perfecta adaptación y prestaciones
considerablemente mayores que otros tipos de sistemas convencionales de frenada.
Además, por su sencillez de composición, permite realizar un modelado y análisis en
3D mucho más simplificado que sistemas tan complejos como los frenos de tambor.
Así, como es lógico, todos los equipos montan en sus vehículos un único disco
de freno independiente que actué en cada una de las ruedas delanteras direccionales,
Por el contrario, en el eje trasero empiezan a surgir variaciones que discurren por dos
caminos diferenciados, podemos por un lado adoptar un sistema semejante al
delantero, montando un doble disco, uno para cada rueda trasera del vehículo, o
podemos adoptar la solución de instalar un único disco como elemento frenante
acoplado a la carcasa del diferencial autoblocante en el eje de transmisión. Por tanto
nos surge la duda de que solución sería la más conveniente a instalar en nuestro
prototipo.
Las preguntas son ¿Uno o dos discos posteriores? ¿Es aconsejable frenar a
través del diferencial? ¿Si utilizamos frenos posteriores duales, deben ser interiores o
externos? ¿Es conveniente usar el piñón impulsor como freno? La respuesta es sí….y
no a todo lo anterior. Un solo freno posterior a través del diferencial del piñón
impulsor es una solución atractiva utilizada por la mayoría de los equipos debido a su
simplicidad, reducido coste y peso. Pero esta solución puede causar problemas debido
a la diferencia de esfuerzos de torsión en el propio diferencial, aunque constituye una
solución realmente muy eficaz y satisfactoria.
114
Pero emplear dos discos posteriores es desde el punto de vista técnico una
solución mejor, en esta situación puedes justificar el incremento de la masa, el coste y
la complejidad adicionales a los jueces en la competición, pero aquí surgiría otra
cuestión adicional ¿deben ser discos interiores o exteriores?
Con interiores nos referimos a discos de freno instalados a ambos lados del
diferencial y sobre el eje de transmisión, mientras que exteriores constituyen la
configuración habitual, estando instalados en los extremos del eje de transmisión y
colocados en el interior de la llanta a través de un buje de sujeción. Una vez más la
respuesta es sí….y no, dependiendo de la situación. Los frenos interiores son limpios
de montar, y el esfuerzo de torsión del freno se puede alimentar en la misma estructura
que además reaccionará al esfuerzo de torsión durante el proceso de impulsión. Por el
contrario, los frenos externos incrementan las masas no suspendidas del vehiculo, y el
esfuerzo de torsión se lleva a cabo como reacción a través de los elementos de la
suspensión, pero tienen una ventaja enorme ya que el calor generado durante las
frenadas ayudan a mantener calientes los neumáticos factor muy importante de
comportamiento del vehículo.
115
Configuración de dos discos traseros interiores
Por tanto la decisión esta en base al criterio que adopte cada división de diseño
como la más adecuada en función de sus exigencias. En nuestro caso nos
decantaremos por la primera opción debido a su simplicidad y eficacia de
funcionamiento, así instalaremos un único disco trasero, dejando para proyectos
futuros la realización de un estudio de viabilidad y conveniencia o no de la segunda
opción.
Como otra opción a tomar en cuenta en el diseño de nuestro sistema de frenos
en relación a los discos, se encuentra la posibilidad de fabricar nosotros mismos este
elemento, o bien, adquirirlo en una de las numerosas empresas distribuidoras de
componentes de sistemas de frenos. De nuevo esta posibilidad queda en manos de los
propios equipos debiendo ellos mismos valorar su conveniencia o no. Hay que decir
que el hecho de fabricar nuestros propios discos de freno nos otorga mayor
versatilidad en las posibilidades de diseño ya que evitamos el hecho de tener que
116
amoldarnos al catálogo de productos de una determinada marca, y que limitaría
nuestras posibilidades, si es cierto que para un inicio en la competición, se recomienda
comprar estos elementos a estas empresas especializadas y así facilitar y acortar la fase
de desarrollo de nuestro primer vehículo, dejando de nuevo para posteriores proyecto
el refinamiento en el diseño de este componente.
Así un sistema convencional típico de un vehículo destinado a competir en
Formula SAE podría ser la siguiente:
:
Donde en la siguiente imagen podemos visualizar mejor como es la
configuración de un disco trasero instalado sobre el diferencial autoblocante.
117
El resto de elementos que constituyen el sistema de frenos tales como: bombas
de freno, pinzas de freno, pastillas, pedal de freno, repartidor de frenada, depósitos de
líquido, conductos, latiguillos y conectores son elementos que al igual que los discos
de frenos formarán parte de un proceso de elección y dimensionamiento propio de
cada equipo, pero con criterios comunes para todos ellos y que en nuestro caso son
detallados en el capitulo “criterios de diseño”. Una distribución típica en el espacio de
estos elementos podría ser la siguiente:
118
El funcionamiento de estos elementos es totalmente conocido por su similitud
con los sistema de frenada de vehículos convencionales, no en vano constituyen
elementos adaptados de estas aplicaciones. Es interesante indicar que la configuración
de tres discos de freno posee grandes similitudes con las motocicletas y en particular
con las motos de tres ruedas llamadas Quads, siendo utilizada información proveniente
de estos sectores para la realización de este proyecto.
Como pinzas de freno, también llamados calipers, se utilizan casi en su
totalidad, pinzas fijas de 2 pistones opuestos, configuraciones de 4 pistones suelen ser
instaladas en el tren delantero debido a las mayores exigencias alcanzadas durante la
frenada, aunque todo dependerá de cómo sean comparativamente estas pinzas para
elegir una u otra. Los equipos optan además, en este caso, por pinzas lo mas ligeras
posibles y de dimensiones reducidas, para así disminuir al máximo las masas no
suspendidas, y porque dado el caso, podemos tener problemas de interferencia en
función del tamaño de llanta que elijamos, si ésta es muy pequeña, de 10”, en contra
de las habituales 13”, podemos tener problemas de diseño de suspensiones o de
dimensionamiento de los frenos porque simplemente no nos entren sus componentes
en su interior.
119
Pero el factor determinante a la hora de elegir nuestra pinza de freno vendrá
determinado por el diámetro de los pistones que incorpore, valor que como veremos,
será básico para el dimensionamiento del sistema y su perfecto ajuste de
funcionamiento.
El pedal de freno aunque pudiera parecer irrelevante, juega un papel
fundamental en el sistema, a través de él, el conductor accionará el sistema de frenos y
éste a su vez le comunicará a través de su tacto una serie de sensaciones de control y
seguridad o percibirá si su funcionamiento es correcto o no. Además la dureza del
pedal debe ser tal, que sea lo suficientemente dura para poder modular correctamente
la fuerza que queremos aplicar en cada instante, pero que en ningún momento exceda
unos límites que consigan fatigar al conductor. Esta dureza, como veremos, puede ser
regulada a través del dimensionamiento correcto del pedal, no nos extenderemos en
este asunto ya que será desarrollado con detenimiento en los siguientes capítulos, pero
a través del fenómeno de la palanca podemos incrementar a nuestro gusto la fuerza
que realiza el conductor sobre le pedal, siendo por tanto éste, un parámetro
fundamental de funcionamiento del sistema. Así podemos optar por construir nuestro
propio pedal de freno en virtud de nuestras propias exigencias o adaptar un pedal de
freno comercial con una relación determinada impuesta por el fabricante.
Además el diseño que adoptemos de pedal de freno, en su conjunto, teniendo
en cuenta la base sobre la que irá montado, marcará a su vez el posicionamiento de las
bombas de freno y de sus correspondientes depósitos de líquido de freno, ya que como
sabemos los vástagos de accionamientos de las bombas estarán unidos directamente al
120
pedal de freno a través del distribuidor de frenada cuyo funcionamiento veremos más
adelante. Por tanto los equipos pueden optar por una de las cuatro configuraciones más
corrientes dentro de la competición, y cuya elección dependerá básicamente de las
exigencias o posibilidades particulares de cada equipo.
� Pedal montado sobre el suelo: de uso más corriente entre los participantes, con
alta eficacia en su funcionamiento y ergonomía, además de sencillez y de
coste reducido. Su ventaja sobre otras configuraciones semejantes tales como
los pedales colgantes reside en que su accionamiento favorece el arco natural
que realiza nuestro tobillo en su movimiento, así también, presenta como
ventaja, aunque de forma poco significativa, que debido a su distribución de
masas, concentrada en su parte inferior, contribuye a reducir la altura del
centro de gravedad del vehículo muy importante para mejorar la frenada.
� Pedal colgante I: Es un sistema semejante al anterior en cuanto a
funcionamiento y eficiencia, aunque como desventaja presenta que concentra
la mayor parte de su masa en la parte superior, teniendo en cuenta que ahí
estarán situadas las bombas de frenos, depósitos y el líquido de frenos que este
121
contenga en su interior, con el correspondiente peso que esto genera. Por tanto
desde el punto de vista de reducción del CG es peor que la opción anterior, y
además, como hemos visto anteriormente, su movimiento de accionamiento
resultará menos natural para el arco del pie, aunque esto como veremos
dependerá también de la posición relativa del conductor en el interior del
habitáculo. Como ventaja presenta que esta configuración mantiene el depósito
por encima del plano horizontal de las pinzas de freno para favorecer el
bombeo, factor muy recomendable. Esta situación puede también ser realizada
con pedal sobre suelo, si elevamos la posición de los depósitos de reserva de
fluido mediante conductos que los comuniquen con las bombas de frenos.
� Pedal colgante II: Este pedal comparte las mismas características que la
configuración tratada anteriormente, salvo que consigue mejorar el
aprovechamiento de espacio en el interior del habitáculo al invertir la
orientación de accionamiento de las bombas de freno. Otro factor a tener en
cuenta es el hecho de las interferencias que pudieran provocar los depósitos de
líquido de freno con la parte superior del vehículo si estos no son de
122
dimensiones compactas, como los que podemos ver en las bombas de freno
que incorpora, en este caso, el pedal colgante I.
� Pedal bajo suelo: Esta configuración constituye la más eficiente de todas las
posibilidades, donde las bombas de freno se encuentran instaladas bajo los pies
del conductor para optimizar el espacio de utilización y mejorar el acceso,
además consigue reducir la altura del centro de gravedad al máximo al
concentrar gran parte de su masa por debajo del nivel del conductor.
123
Además muy a tener en cuenta en el diseño o elección de nuestro pedal, es la
circunstancia de que lo jueces durante la competición valoran mucho la solidez que
posea el conjunto del pedal de freno en su totalidad, de tal forma que este no sufra
flexiones, por pequeñas que sean durante su funcionamiento, además inspeccionan que
éste retorne convenientemente, y de forma rápida, a su posición inicial en el momento
de eliminar la presión sobre el pedal, permitiendo así, que el vástago de la bomba de
freno retorne a su posición de reposo. En algunas ocasiones el tarado del muelle de
retorno que incorpora la bomba de freno no es lo suficientemente grande para asegurar
dicho movimiento venciendo el peso del conjunto, por tanto la instalación de muelles
externos adicionales o un mejor dimensionamiento de la bomba deben ser adoptador
como solución a dicho problema.
1.1.4.7. DISEÑO DEL SISTEMA DE FRENOS DEL PROTOTIPO
1.1.4.7.1. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
En este apartado abordaremos los distintos aspectos que influyen en el
fenómeno de la frenada, realizando un recorrido por cada uno de los elementos que
compondrán nuestro sistema, obteniendo así, una visión clara del funcionamiento de
cada uno de ellos, y de su importante influencia en la globalidad del sistema, que nos
permita diseñar o adaptar un sistema lo más apropiado posible para nuestro prototipo
fórmula SAE. Así como sabemos, el conductor, a través de su pedal de freno,
accionará el sistema de frenos presurizando el sistema por medio de las bombas de
freno, este a su vez posee la capacidad de regular la distribución de presiones entre
124
ambos circuitos mediante la utilización de un regulador de frenada cuyo mando se
encuentra al alcance del conductor. Este aumento de presión y regulado por el
conductor provocará el accionamiento de los pistones de las pinzas de freno, las
cuales, empujarán las pastillas de freno contra las bandas frenantes de los discos de
freno provocando una fuerza de fricción que detendrá el vehículo a través de la
adherencia del neumático contra el asfalto. Por tanto los elementos a estudio serán
los siguientes:
� Pedal de freno
� Repartidor de frenada
� Bomba de freno
� Conductos del sistema hidráulico
� Pinza de freno
� Pastillas de freno
� Disco
� Neumáticos
� Pedal de freno
Los sistema de frenos de los vehículos convencionales vistos hasta ahora,
incorporan una bomba de frenos tipo tandem asistido por una fuente creadora de una
cierta depresión, es decir por un servofreno, si en un caso hipotético quisiéramos
adaptar dicho sistema a un sistema tipo racing con doble bomba independientes para
cada circuito hidráulico, como los empleados en los vehículos tipo fórmula SAE, esto
125
requeriría que la fuerza original proporcionada por este elemento de asistencia o
servofreno tuviera que ser remplazado por un incremento de la fuerza mecánica
transmitida por el pedal de freno a la bomba de freno y/o también obligaría a realizar
un incremento del área diferencial existente entre el pistón de la bomba de freno
(conectada por su vástago al pedal de freno) y los pistones o pistón de la pinza de
freno para suplantar dicha reducción de asistencia.
Si toda la fuerza asistida fuera proporcionada por el pedal de freno este
debería ser sobredimensionado, es decir sería demasiado largo, y la acción de
frenado se retardaría por este motivo. Si el radio del pedal es inferior que el
requerido para proporcionar la fuerza necesaria, entonces o el diámetro del pistón de
la bomba de freno tendría que ser reducido o el tamaño de los pistones de la pinza de
freno debería ser aumentado. En realidad una combinación de las tres variables es
normalmente empleada para compensar la carencia de dicha asistencia a la frenada.
De esta forma empezaremos por el estudio del conjunto del pedal de freno,
cuya única función es sencillamente potenciar y multiplicar la fuerza ejercida por el
pie del conductor. Esto lo realiza a través del fenómeno físico conocido como
“palanca” caracterizado por un parámetro llamado relación de pedal.
Como podemos ver en la imagen, el pedal de freno pivota alrededor de una de
sus extremidades (fulcrum), y en el lado opuesto, se encuentra la plataforma de
accionamiento donde el conductor va ejercer una fuerza a través de su pie. Así, en
algún lugar entre medias se encontrará la barra de accionamiento de la bomba de
126
freno, de tal forma, que podríamos definir la relación del pedal de freno como la
proporción existente entre la distancia L1 y la suma de L1 y L2, y por tanto, en esta
situación, si ejercemos una determinada fuerza en el pedal de freno con una relación
de pedal de 4:1, está se verá incrementada en 4 veces su valor a la salida del pedal.
Por tanto es importante conocer cual sería el impacto que produciría un
cambio en la configuración del sistema del pedal de freno en la totalidad del
funcionamiento del sistema de frenos.
Así el aumento de esta relación, hasta por ejemplo 8:1, amplificaría aún más
la fuerza ejercida por el conductor, pero haría que el pedal tuviera que viajar una
mayor distancia para alcanzar la misma salida, retardando la frenada. Disminuir este
cociente, 3:1, por ejemplo, reduciría sensiblemente el tamaño y el peso del conjunto
del pedal de freno, pero disminuiría la capacidad de amplificación de la fuerza. Para
generar la misma salida el conductor necesitaría presionar el pedal con un mayor
esfuerzo.
127
En un vehículo convencional la experiencia ha demostrado que un cociente
del pedal de 6.2:1 es recomendable, siendo 5.5:1 el mínimo recomendado para
sustituir la ausencia del elemento de asistencia a la frenada, en cuyas condiciones,
inicialmente, el cociente del pedal de freno se encontraba en torno a una relación de
3,5 hasta llegar a 4:1. Esto significa que generalmente no se puede reutilizar el pedal
de freno del equipo original para construir un sistema con bombas de freno duales
porque el pedal común no es simplemente lo suficientemente largo para proporcionar
la fuerza necesaria.
Pero en un vehículo tipo fórmula SAE, donde el peso de éste se sitúa en torno
a los 250 Kg, muy alejados de los más de 1000kg de peso de un vehículo
convencional, implica que sus exigencias de frenada serán muy inferiores a la de este
tipo de vehículos, motivado simplemente por su comparativamente menor energía
cinética a disipar en forma de calor, y por tanto una relación comprendida entre 3:1 o
4:1 será generalmente utilizado para este tipo de aplicaciones.
Otro factor a tener muy en cuenta, es el conocimiento de cual será el esfuerzo
previsible que ejerceremos sobre el pedal. Los organismos reguladores para el
correcto funcionamiento de la frenada en el automóvil y vehículo ligero de los
EE.UU y de la CEE establecen requerimientos para el esfuerzo máximo en el caso de
que el sistema de asistencia a la frenada fallase. En algunos casos este esfuerzo
asistido es ya se por sí demasiado bajo, y en el caso de que se suprimiera la
asistencia, este esfuerzo debería ser próximo a lo que el conductor realmente
estuviera acostumbrado o pudiera soportar con comodidad.
128
Típicamente en los vehículos tipo turismo dicho valor se encuentra por
debajo de 175 N. En vehículos de altas prestaciones y de competición se debe
intentar mantener la fuerza requerida por debajo de los 535 N, aunque moverse
dentro del rango de 200N a 350 N es ideal para la mayor parte de aplicaciones y
requerimientos en competición, ya que no se trata de un esfuerzo que deba ser
alcanzado puntualmente sino que en competición dicho valor debe ser perfectamente
soportado y mantenido a lo largo de toda la carrera.
� Repartidor de frenada
El repartidor de frenada constituye un elemento de balance por el cual el
conductor desde un regulador situado a su alcance próximo al volante, puede regular
129
la presión hidráulica de cada uno de los circuitos del sistema, de tal forma que le
permita regular la capacidad de frenada en base a las condiciones del circuito.
Por ejemplo, 40 libras de fuerza ejercida por el conductor, con una relación de
pedal de 6.2:1 produce una fuerza de salida sobre la barra de ajuste de 250 lbs
distribuida equilibradamente, con el repartidor de frenada centrado, a cada vástago de
la bomba de freno y de valor 125lbs y como podemos ver en la imagen:
Si en un determinado momento necesitamos cambiar la proporción de
frenada, debemos girar el tornillo regulador de la barra de ajuste provocando que el
pivote del centro se aproxime a una de las bombas de freno. De esta forma, la bomba
de freno que se encuentra ahora más cercana al centro de pivote experimentará un
incremento en la fuerza de entrada igual al decremento de la fuerza de entrada de la
bomba de freno opuesta. Este cambio en la relación en la fuerza de entrada causará
130
un cambio en la relación de presiones de cada circuito y de esta forma un cambio el
la fuerza de salida en cada pinza de freno.
� Bomba de freno
El fenómeno principal que se produce en el sistema de frenos es convertir la
fuerza amplificada del pedal de freno en presión hidráulica. Con este fin, la bomba
de freno está constituida por un pistón en contacto por una de sus caras con el
vástago de accionamiento acoplado al pedal de freno y por el otro se encuentra en
contacto con el líquido de frenos. Simplemente el movimiento del pedal de freno
provocará el accionamiento de este pistón empujando al fluido en su movimiento
La presión generada en la bomba de frenos será igual a la fuerza de la barra
de salida del pedal de freno dividida por el área del pistón del distribuidor. Por tanto
variando las características de los elementos de la bomba de freno podemos variar las
características de frenada.
Así podemos rápidamente adelantar que el aumento del diámetro del pistón
provocará una disminución en la presión generada en el líquido para una misma
fuerza de entrada. Por tanto en este elemento cambios pequeños relativos a
dimensiones, producirán grandes diferencias.
Una vez conocida la relación existente entre el diámetro del pistón y la fuerza
hidráulica que produce en el sistema, parece justificado el empleo de una bomba de
131
diámetro lo más pequeño posible que a su vez me permitiera utilizar un pedal lo más
pequeño posible.
Sin embargo, hay otro factor de trabajo que afecta en la toma de esta decisión:
la conformidad. Esto sucede en el momento en que empieza a transmitirse la presión
hidráulica a través del sistema debido a que sus elementos (conductos, retenes,
elementos de unión…) sufren una cierta deformación que incrementa el volumen de
líquido necesario para asegurar la frenada. Por tanto el sistema de frenos tiene que
disponer de suficiente líquido hidráulico para llenar todo el volumen adicional
provocado por la flexibilidad que poseen sus componentes. Desafortunadamente,
esto se soluciona aumentando el diámetro del pistón de la bomba, reduciendo así la
presión generada.
� Tubos y conductos del sistema.
En principio los tubos y manguitos de freno poseen uno de los trabajos más
sencillos dentro del sistema de frenos: transportar el líquido de frenos presurizado a
través del sistema hasta las cuatro esquinas del vehículo. Como hemos visto
anteriormente sería conveniente aumentar la rigidez del material para reducir al
mínimo la conformidad del sistema. Sin embargo estos conductos son acoplados a
elementos (pinzas de freno) que poseen una cierta movilidad en su funcionamiento
alrededor de las ruedas y neumáticos del vehículo, por tanto a estos conductos se les
debe otorgar una cierta flexibilidad y como consecuencia adquirirán conformidad.
132
Tradicionalmente, los fabricantes de vehículos utilizan tubería de acero rígida
en la mayoría del recorrido del conducto, y tubería de goma o nylon para hacer la
conexión a los elementos móviles, pero incluso este diseño del sistema puede causar
una significativa conformidad en usos destinados a la competición.
Por esta razón, en los usos en competición se prefiere sustituir la manguera de
goma por un tubo de nylon cubierto por un trenzado del acero inoxidable. De esta
forma se llega a notar una reducción en el recorrido del pedal de freno debido a la
inmediata disminución en la conformidad, aunque esto no provocará que el coche
pare más rápidamente, sino que simplemente mejore la sensación transmitida al
conductor a través del pedal de freno y aumentar así su confianza y seguridad.
� Pinza de freno.
Como en la bomba de freno, la pinza de freno está básicamente constituida un
pistón que se encuentra alojado en su interior, con una cara en contacto continuo con
la pastilla de freno y la otra con el líquido presurizado. Mientras que en el caso de la
bomba de frenos, ésta utilizaba una fuerza de entrada de tipo mecánica para crear una
de tipo hidráulica a la salida, la pinza de freno realiza el proceso inverso, ya que
recoge dicha fuerza hidráulica generada por la bomba de freno y la transforma en una
fuerza mecánica lineal.
133
Para el cálculo de la fuerza que realiza la pinza de freno sobre las pastillas y
trasmitida por esta los discos de freno, la presión de entrada debe ser simplemente
multiplicada por el área del pistón.
Como se puede deducir, incrementando el diámetro del pistón
incrementaremos la fuerza de mordaza para una presión de entrada determinada, pero
de igual modo, estaremos aumentando la conformidad del sistema, lo cual afectaría a
la sensación transmitida al pedal de freno.
Además incrementando el diámetro de este elemento, incrementaremos el
tamaño y peso de la pinza de freno, lo cual es perjudicial para el comportamiento
dinámico del vehículo, ya que estaremos aumentando las masas no suspendidas.
Del mismo modo, incrementando el diámetro incrementaremos el volumen
requerido de fluido del sistema y por tanto afectará directamente al tamaño de la
bomba de freno.
Como podemos ver existe una intima relación entre los diferentes elementos
de un sistema de frenos, y debe quedar claro que si nos planteamos sustituir una
pinza de freno que inicialmente fue emparejada a una determinada bomba de freno y
pedal de freno con el fin de generar una correcta fuerza en la pinza de freno para una
determinada fuerza de accionamiento del pedal, cambiar cualquiera de estos
componentes puede cambiar el balance hacia un camino (incrementar la presión
requerida) o al otro (incrementar la fuerza del pedal requerida) para generar la misma
134
fuerza de mordaza. Debemos recordar por tanto que grandes pinzas de freno no crean
mayor energía de frenado y no disminuyen la distancia de frenado, solo generan una
mayor fuerza de mordaza en la pinza para una determinada presión de entrada
� Las pastillas de freno
Existe una idea falsa en el hecho de que cambiando el material de las pastillas
de freno conseguiremos disminuir la distancia de frenado. Incluso se pueden
encontrar en ciertos catálogos correlaciones entre coeficientes de fricción y
distancias de frenado, aunque pudiera parecer que existe una relación entre ellos, esta
no existe y vamos a tratar de demostrar por qué.
Las pastillas de freno tienen la función de entrar en contacto con el disco de
freno, el cual es un gran disco de acero que se encuentra unido mecánicamente a la
rueda del vehículo, y de este modo transmitir a este la fuerza de mordaza generada
por la pinza. Existe un gran secretismo en lo que rodea a la composición, fabricación
y formulación de dichos elementos, pero lo que realmente importa es el
conocimiento del coeficiente efectivo de fricción entre la pastilla de freno y el disco
de freno.
Conociendo la fuerza de mordaza generada por la pinza y el coeficiente de
fricción entre la pastilla y el disco, uno puede calcular la fuerza que actúa sobre el
disco.
135
Incrementando el coeficiente de fricción de las pastillas, el resultado es el
mismo que en el incremento del diámetro del pistón: se generará una mayor fuerza
para una misma entrada. Pero como antes, esta fuerza no provocara la detención del
vehículo.
Aunque si será cierto, por tanto, que el incremento de dicho coeficiente nos
permite reducir el número o tamaño de los pistones de la pinza de freno y/o reducir la
cantidad de fuerza que el conductor debe ejercer sobre el pedal muy interesante para
nuestra aplicación.
Hasta aquí hemos tratado el tema desde el punto de vista del diseño, pero
existe otro componente importante que es el calor. Cuando la temperatura de los
componentes cambia, lo hacen también las características físicas de estos, y en las
pastillas de frenos el coeficiente de fricción puede cambiar drásticamente como
hemos visto en capítulos anteriores.
Mientras que las pastillas de freno corrientes poseen un coeficiente de
alrededor de 0.30, después de una serie de frenadas sucesivas este valor podría caer
hasta 0.10, es una situación comúnmente conocida como “brake fade”. En la
competición esto implica que la fuerza requerida para realizar la frenada cambiaría
vuelta a vuelta.
136
Por tanto es interesante recordar que mientras que el "coeficiente de fricción"
es un punto de referencia a considerar cuando se modifica un sistema de frenos, es
aún más importante la capacidad del material de mantener ese coeficiente.
� Disco de freno
Como ocurre con las otras partes del sistema de frenos mencionadas hasta
ahora, el disco de freno no detiene el coche; sin embargo, el disco de freno realiza
dos propósitos fundamentales, enumerados aquí en la orden de importancia.
En primer lugar el disco actúa como interfaces de fricción para las pastillas de
freno. Pero debido a que es un objeto en rotación reaccionará absorbiendo esta fuerza
y generando un esfuerzo de torsión (un momento se genera siempre que una fuerza
sea aplicada a un objeto en rotación)
El disco debe además absorber el calor generado en la fricción provocada por
el roce de las pastillas contra el disco disipándolo a través del calentamiento del aire
que rodea al disco.
Veamos ahora algunas interesantes modificaciones y mejoras de
funcionamiento que podrían ser tenidas en cuenta en el diseño del disco intentando
separar los aspectos comerciales o estéticos de los puramente ingenieriles. Así, los
discos de grandes dimensiones, a parte de su impacto o atractivo visual, no provocan
realmente la parada del vehículo, lo que conseguirán fundamentalmente será reducir
137
la temperatura de funcionamiento total de los frenos, medida muy interesante si este
factor está causando problemas en otros componentes del sistema.
Cojamos como ejemplo un vehículo de fórmula 500, de aproximadamente
400 Kg, vehículo tipo fórmula de un único asiento. Los frenos son ciertamente
mucho más pequeños que los que podemos encontrar en un Porsche 911 de 1500 Kg.
De tal forma que si instalásemos el sistema del 911 dentro de nuestro coche de
fórmula probablemente nos perjudicaría más de lo que nos beneficiaría, debido a que
tendríamos mucha más masa de acero suspendida de la rueda que requeriría ser a
cada instante acelerada por el pedal del acelerador del vehículo. Por tanto debemos
utilizar discos cuanto más grandes mejor hasta tener bajo control la temperatura de
funcionamiento de los discos y a partir de este punto siempre perjudicaremos al
sistema más que beneficiarlo.
Otro aspecto importante es entender si realmente perforar los discos nos
otorga algún beneficio significativo. Bien, a menos que el coche este utilizando
pastillas de freno de los años 40 o 50 no estaría del todo justificada su utilización.
Los discos de freno inicialmente fueron perforados a causa de que los materiales
utilizados el la fabricación de las pastillas de freno emitían gases cuanto trabajaban a
altas temperaturas en competición, en un proceso conocido como “gassing out”. Este
gas producía una delgada capa que se interponía entre las superficies de la pastilla y
del disco actuando como lubricante y reduciendo drásticamente la eficacia de frenada
a través de la disminución del coeficiente de fricción. Estos agujeros por tanto fueron
realizados con la finalidad de minimizar las consecuencias de este gas y permitir su
138
rápida evacuación. Era una solución eficaz, pero los materiales de hoy en día no
presentan dicho problema.
Por esta razón, los agujeros han constituido más una cuestión de diseño que
una característica de funcionamiento. Contrariamente a la creencia popular, esto no
disminuye la temperatura de funcionamiento (de hecho, disminuir la masa del disco
puede incluso provocar un ligero aumento de la temperatura) Además estos agujeros
son puntos de alto riesgo de sufrir estrés mecánico que provocarían un prematuro
agrietamiento del disco, Para corroborar este hecho simplemente debemos observar
como los vehículos de F1 o NASCAR no realizan perforaciones en sus discos de
freno.
Si debemos decir, que la única excepción se presenta en aquellas raras
situaciones en la que debemos sobredimensionar los discos de freno y que por tanto
su perforación esta justificada, es el caso de las motocicletas y vehículos ligeros tipo
formula. A pesar de que el riesgo de agrietamiento y desgaste de las pastillas esté
siempre presente, el hecho de perforar los discos de debe a la necesidad de reducir la
masa de los elementos en rotación. De tal modo que si utilizaran discos no
perforados obtendrían temperaturas más bajas de funcionamiento y una mayor vida
útil de las pastillas, pero todo ello a expensas de un mayor peso del sistema. Se trata
por tanto de buscar el equilibrio.
Mecanizar ranuras en los discos, por otra parte, puede ser una buena opción si
la banda del disco lo permite. Estas finas ranuras transversales pueden ayudar a
139
limpiar eficazmente la superficie de los discos y pastillas, ayudando a reducir la
vitrificación producida durante frenadas a altas velocidades que pueden provocar la
espectacular disminución del coeficiente de fricción. A pesar de que el riesgo de
estrés mecánico no desaparece, si estas ranuras son superficiales y mecanizadas
correctamente los beneficios compensan a estos posibles riesgos. Un ejemplo claro
son los actuales discos empleados en NASCAR.
� Ruedas y neumáticos
Debido a que la rueda y el neumático se encuentran ligados mecánicamente al
disco de freno, el esfuerzo de torsión es transferido a la totalidad del ensamblaje del
sistema: disco, buje, rueda y neumático. Y en este mismo instante el contacto entre el
neumático y la calzada reacciona generando una fuerza en oposición al movimiento
del vehículo.
Por tanto esto es lo que realmente detiene al vehículo: no las pastillas de
freno, no los discos, no la bomba de freno ni el pedal. Es la calzada reaccionando
contra el neumático
Este fenómeno no debemos olvidar que se produce en cada una de las ruedas
del vehículo y siguiendo las leyes de Newton: Fuerza =masa x aceleración (F=MxA),
o de otra forma la aceleración (o deceleración) de un objeto es igual a la suma de
todas las fuerzas que actúan sobre el objeto dividido por el peso de este.
140
Antes de que podamos sumar todas las fuerzas, hay un hecho importante a
considerar. La fuerza de los neumáticos no es la misma en las cuatro esquinas del
vehículo. A causa de la distribución de pesos estáticos del vehiculo, la localización
del centro de gravedad del vehículo y los efectos dinámicos de transferencias de
pesos en la frenada, los frenos traseros son diseñados para generar fuerzas mucho
más pequeñas que las generadas por los frenos delanteros.
A partir de los aspectos tratados con anterioridad, aparecerían dos opciones a
tratar para poder a priori hacer detener un vehículo en una distancia mas corta:
� Cambiar el sistema de frenos para incrementar la fuerza entre el
neumático y la calzada para una determinada fuerza en el pedal.
� Presionar con mayor fuerza el pedal del freno.
Esta teoría es verdad, pero solamente hasta cierto punto. Cualquier persona
que haya conducido en un camino helado habrá notado esto enseguida. A medida
que la fuerza del pedal de freno aumenta gradualmente, la desaceleración también
aumentará hasta el punto en el cual los neumáticos se bloquean. Más allá de este
punto, la fuerza adicional aplicada al pedal de freno no hace nada más que provocar
dolor en la pierna del conductor. El vehículo continuará desacelerando gobernado
por el coeficiente de fricción entre los neumáticos y el camino. Como se puede
imaginar, el coeficiente de un neumático en el hielo es mucho más bajo que el
141
coeficiente de ese mismo neumático en pavimento seco, por lo tanto la máxima
desaceleración posible será en superficie seca y pavimentada.
De esta forma la conclusión que podemos extraer es que “no importa” el
tamaño de los discos de freno, el material de las pastillas de freno o el número de
pistones de la pinza de freno ya que la deceleración máxima está limitada por el
contacto entre el neumático y la calzada. Por tanto los frenos no paran el coche, son
los neumáticos, y usar neumáticos con mayor adherencia es la única solución fiable y
segura de disminuir la distancia de frenada.
Hecho que se ha comprobado en el apartado de estudio dinámico de la
frenada, donde obtuvimos la siguiente relación:
vv amPF ⋅=⋅= µmax
g
a
P
am vvv =⋅
=µ
De donde de nuevo se concluye que la máxima aceleración esperada que
puede obtenerse en el proceso de frenada del vehículo coincide con el coeficiente de
fricción entre neumático y asfalto.
142
1.1.4.7.2. CRITERIOS DE DISEÑO
El valor añadido de este proyecto reside en que no solo nos podemos ceñir a
aspectos de naturaleza técnica en el diseño del sistema de frenos para nuestro
prototipo, si es cierto, que estos constituyen los criterios para asegurar el correcto
comportamiento en la frenada y funcionamiento de los distintos elementos que lo
forman. Paralelamente existen otros criterios fundamentales muy a tener en cuenta
durante todo este proceso, y que en ocasiones serán determinantes en nuestra toma de
decisiones, estos criterios de diseño complementarios, al margen del rendimiento y
las prestaciones, son los costes y la fiabilidad.
� Costes: Este es un factor determinante en el éxito del proyecto, no solo nos limita
las posibilidades alcanzables técnicamente del sistema a diseñar, al disponer de
un presupuesto limitado, sino que su gestión., control y valoración forman parte
de la propia competición, donde toda la información relevante a dicho factor debe
ser exhaustivamente recogida dentro de un informe de costes. Este criterio, que
añade valor a nuestro proyecto, cumple una doble finalidad marcada por la
competición de FSAE a través de dos objetivos fundamentales:
� Enseñar a los participantes que los costes y el presupuesto son factores
significativos que deben ser tomados en cuenta en cualquier ejercicio de
ingeniería.
143
� Es importante que los participantes aprendan y entiendan las técnicas y
procesos de fabricación de algunos de los componentes que ellos han
elegido comprar en lugar de fabricarlos ellos mismo. Por tanto, aunque
adoptemos una solución comercial, tendremos que definir sus etapas de
fabricación y traducir estas en costes.
Es por ello que el peso relativo asignado por la organización dentro de la
competición, respecto a los costes del proyecto, sea tan alto comparativamente con el
resto de pruebas a puntuar como podemos ver en la siguiente tabla recopilatoria:
Evaluaciones estáticas:
Presentación 075
Diseño de ingeniería 150
Análisis de costes 100
Evaluaciones dinámicas:
Aceleración 075
Skid-Pad (Derrapaje) 050
Autocross 150
Eficiencia energética 50
Resistencia 350
Puntos totales 1000
144
Para la realización conjunta del proyecto de diseño y construcción del
vehículo, entendido en su totalidad, la organización por medio de la normativa fija un
presupuesto máximo de $25000 (21000€). De esta cantidad, el equipo de gestión del
proyecto dentro de la universidad ha asignado internamente como presupuesto para
la división del sistema frenos una cantidad total de 2500€ para el presente año. Por
tanto este valor debe marcar nuestras perspectivas y posibilidades a la hora de
seleccionar y/o fabricar los componentes que formen nuestro sistema de frenos.
� Fiabilidad : la fiabilidad de un sistema se define en ingeniería como la
probabilidad de que ese sistema funcione o desarrolle una cierta función, bajo
condiciones fijadas y durante un período de tiempo determinado. Es muy importante,
por tanto, para el inicio en la competición, que nuestro vehículo desarrolle una alta
fiabilidad en su funcionamiento. En esta etapa inicial de desarrollo, debemos por
tanto en la medida de lo posible, alejarnos de las innovaciones y de la complejidad
que esto añade en su elaboración, básicamente lo importante es que el vehículo
funcione, y lo haga de la manera más simple y fiable posible. Será por tanto la
experiencia adquirida por los otros equipos en la competición un factor muy valioso
a tener en cuenta, esto nos permitirá ganar un tiempo preciado en el diseño y
desarrollo del proyecto, y nos evitará cometer los mismos errores que pudieran haber
aparecido en los inicios de desarrollo para estos equipos. Por tanto para la realización
de este proyecto se partirá de una solución similar a la adoptada precedentemente por
otros equipos, demostrando convenientemente su validez y se dejará para proyectos
futuros el perfeccionamiento o mejora de la solución.
145
� Rendimiento y prestaciones: será necesario establecer unas metas alcanzables
mínimas en cuanto a rendimiento y prestaciones de nuestro sistema de frenos que se
ajusten a las exigencias de frenada de este tipo de vehículos. Como hemos estudiado
si cambiando los componentes del sistema esto no implicará necesariamente una
mejora de la capacidad de frenada, traducido en una menor distancia de frenada, pero
si es cierto que podemos influir significativamente en diversos aspectos que afectan
directamente en este fenómeno. Los factores técnicos que nos permitirán alcanzar
dicho objetivo son los siguientes:
� Cumplimiento de la normativa de la competición: Como es lógico se hace
imprescindible seguir a raja tabla la normativa fijada al respecto por la
organización del evento, esta constituirá por tanto el punto de partida de
nuestro proceso de diseño y dimensionamiento del sistema de frenos.
Recordamos que ésta impone que los vehículos Fórmula SAE deben estar
equipados de un sistema de frenos que actúe simultáneamente en las cuatro
ruedas y esté accionado por un solo mecanismo de control. Debe tener dos
circuitos hidráulicos independientes de tal forma que si se produjera una
avería en cualquier punto del sistema la frenada estaría asegurada en al
menos dos ruedas.
� Correcta elección de los componentes: los elementos del sistema, discos,
pinzas, pastillas… deben ser diseñados de tal forma que aseguren una
correcta vida útil de utilización, con unas altas prestaciones y rendimientos
de trabajo, así como un correcto funcionamiento térmico y un bajo nivel de
146
ruido y vibraciones, de tal forma que se asegure en todo momento la
correcta frenada del vehículo.
� Reducción de masas no suspendidas: Es realmente interesante para el
comportamiento del sistema tratar de reducir al máximo la proporción de
masa no suspendida del vehículo. Estos elementos constituye la porción de
masa del total del vehículo que no está soportada por los resortes de la
suspensión: llantas, neumáticos, bujes, frenos, elementos de suspensión… y
por tanto es la masa que recibe directamente las perturbaciones del asfalto,
energía que deben disipar los amortiguadores. Por tanto, cuanto más ligero
sean estos elementos, la suspensión será más efectiva al sufrir menos
inercias. Si es cierto que dicha disminución de masa constituye, una vez
alcanzado un determinado nivel de diseño, un verdadero reto por su
dificultad.
� Reducción de masas suspendidas: constituye la porción restante, y por tanto
mayoritaria, de masa total del vehículo, aquélla que sí es soportada por los
resortes de la suspensión, en ella se engloba el chasis, el motor, piloto,
carrocería, transmisión…En cuanto al sistema de frenos, proporcionalmente
su impacto es menor que en el caso de masas no suspendidas, aunque se
recomienda la utilización de elementos ligeros que colaboren a disminuir el
peso total del vehículo.
147
� Reducción de la altura CG: Los vehículos con una menor altura del centro
de gravedad poseen un mejor comportamiento en la frenada al disminuir el
efecto de transferencia de cargas, consecuencia de la inercia del vehículo
alrededor de dicho punto. Si es cierto que de la misma manera que favorece
la frenada perjudica la capacidad de aceleración al disminuir la carga en el
eje trasero motriz. Por tanto se debe establece un balance entre ambas
variables que permitan equilibrar el comportamiento del vehículo.
� Control térmico: Modificar la masa de los discos de freno puede ser
interesante si tenemos problemas térmicos en el sistema de frenos. Si los
frenos trabajan dentro de los límites deseados de funcionamiento, el hecho
de aumentar el tamaño de estos solo incrementará la masa del vehículo. Pero
si las altas temperaturas están disminuyendo las prestaciones del sistema de
frenos y de otros componentes en general tales como llantas, rodamientos o
neumático, entonces se debe considerar esta circunstancia. También podría
ser válida la utilización de conductos de refrigeración del sistema de frenos
que ayuden en este aspecto.
� Temperatura: La modificación de los frenos para paliar la presencia de las
altas temperaturas (material de pastillas de freno, composición del líquido
de frenos) debe ser únicamente considerado si los problemas térmicos no
pueden ser solucionadas a través del sobredimensionamiento, situación que
se produce cuando en competición están permitidas esta clase de acciones
por su reglamentación (aumento de tamaño o refrigeración de sus frenos)
148
.Uno podría argumentar que es mas costoso instalar unas mejores pastillas
de freno o fluido que aumentar los discos, pero todo ese calor deben ir a
alguna parte, y a menudo encontrará el acoplamiento siguiente más débil en
el sistema.
� Conformidad: Algunos cambios que se pueden realizar con el fin de reducir
la conformidad incrementarán la eficacia media del sistema mejorando el
tacto del pedal, desgaste y consistencia entre paradas. Las modificaciones
del sistema de frenos tienen lugar a ayudar a hacer su paseo más constante,
fiable, y de uso fácil. Sin embargo, si la última meta es disminuir la
distancia de frenado, esto únicamente pasa por la mejora de los neumáticos
que conectan su vehículo contra el asfalto.
� Adaptación al conductor: Como ya hemos comentado, el hecho de
modificar los componentes del sistema de frenos (relación del pedal de
freno, diámetro del pistón de la bomba de freno, diámetro de los pistones de
la pinza, diámetro de los discos) contribuye a satisfacer los gustos de
conducción del conductor. Todo ello contribuirá a percibir una mayor
seguridad y control que influirá notablemente en competición donde el
conductor adquiere un gran protagonismo en los resultados.
� Seguridad: Los frenos de gran fiabilidad dan seguridad y transmiten
confianza al piloto y por tanto este debe ser un factor fundamental a la hora
de diseñar nuestro sistema.
149
� Ajustabilidad, fácil inspección y reparación del sistema:Las operaciones de
mantenimiento y reparación del vehículo deben ser realizadas por los
propios integrantes del equipo fórmula SAE, por tanto se debe tender a la
simplicidad y facilidad de dichas tareas a través de la sencillez del sistema.
1.1.4.7.3. METODOLOGÍA DE DISEÑO
La metodología en el diseño de un nuevo sistema de frenos comenzará con el
conocimiento de la distribución del esfuerzo de frenada, esto es, cuanto más fuerza
de frenada es producida por los frenos delanteros en relación a los traseros para
poder calcular el máximo par de frenada alcanzable limitado por el contacto
neumático-asfalto. De esta forma la distribución óptima de la fuerza de frenada será
únicamente función de las dimensiones básicas del vehículo y de su distribución de
pesos.
150
Una vez calculado cual es el esfuerzo máximo de frenado requerido por nuestro
vehículo, buscaremos y calcularemos que combinación de pastillas de freno, discos y
pinzas de freno alcanzan dicho requerimiento. Finalmente elegiremos aquella
combinación basándonos en consideraciones tales como el peso, sus dimensiones,
costes, especificaciones técnicas o preferencias del conductor.
Así en teoría, múltiples combinaciones podrían producir los pares de frenada
deseados. Pero en la práctica adelantaremos que otras consideraciones como el
esfuerzo máximo admisible en el pedal de freno, el diámetro de la llanta o la pérdida
de eficacia de frenada debido a la temperatura, reducirán considerablemente el
número de combinaciones disponibles. Así que tendremos que proponer grupos de
combinaciones de discos-pastillas y pinzas y ver que esfuerzo del pedal requieren
para producir el par de frenado deseado o cual será su pérdida de rendimiento a lo
largo de su funcionamiento entre otros factores.
Así para finalizar se procederá al diseño del pedal de freno y de su soporte,
elementos que estarán limitados por las dimensiones del chasis en ese punto, y
posteriormente pasar al correcto ensamblaje del sistema para asegurar su correcto
funcionamiento con la mayor eficacia en la frenada posible.
Una vez finalizado el proceso de dimensionamiento empezaremos la etapa de
estudio de la dinamiza de frenada del vehículo bajo diferentes condiciones de
funcionamiento. Una vez comprobado su validez, se procederá a la modelización en
3D de cada uno de sus componentes, y seguidamente a la realización de planos de
151
conjunto y despiece de los elementos más significativos. Proceso que podemos ver
recogido en el siguiente diagrama de bloques:
Por tanto hemos demostrado como, aunque a priori, el proceso de diseño de un
sistema de frenos pudiera parecer muy directo y consecuencia de la realización
secuencial de una serie de etapas, esto no es correcto, y constituye un conjunto de
etapas de estimaciones y suposiciones, a la vez que revisiones y continuos
refinamientos. El sistema de frenos debe ser diseñado en su conjunto, pensando en la
globalidad, y no puede ser dimensionado calculando elemento por elemento debido a
la estrecha dependencia existente entre cada uno de ellos, por eso el proceso debe
basarse en los amplios conocimientos adquiridos sobre el funcionamiento de los
sistemas de frenos, en base a una amplia recopilación de información y en virtud a la
experiencia y recomendaciones recibidas por otros equipos participantes en la
competición.
152
1.1.4.7.4. DIMENSIONAMIENTO Y ELECCIÓN DEL SISTEMA DE
FRENOS
Para llevar a cabo el dimensionamiento del sistema se ha de tener un absoluto
conocimiento en todo momento de las fuerzas y pares que actúan a lo largo de los
componentes que lo forman. De las expresiones obtenidas en el apartado “dinámica
de la frenada” sabemos que el par máximo de frenado que podrá experimentar
nuestro vehículo vendrá determinado por el contacto neumático-asfalto, justo en el
momento inmediatamente anterior a su deslizamiento, por tanto el máximo valor de
par de frenado generado por el rozamiento entre el disco y la pastilla podrá alcanzar
como máximo dicho valor para no provocar el bloqueo de las ruedas, y en
consecuencia la total inestabilidad del vehículo.
De esta forma el dimensionamiento de los elementos del sistema de frenos a
instalar en un vehículo vendrá determinado a través de la igualdad establecida entre
ambas expresiones de par de frenado obtenidos por caminos diferentes, y que nos
permitirán determinar el radio óptimo de los discos de freno así como de los
diámetros convenientes de los pistones de las bombas hidráulicas y de las pinzas de
freno.
Recordando dichas expresiones tenemos que los pares de frenado como
consecuencia del contacto neumático-asfalto son:
d
cgvddddd RP
WB
h
g
aPRFN ⋅
⋅
⋅
+⋅=⋅= µ,
153
t
cgvttdtt RP
WB
h
g
aPRFN ⋅
⋅
⋅
−⋅=⋅= µ,
A su vez los pares de frenado como consecuencia del contacto disco-pastilla son:
defpistónpistónpistonespaddfrenado RAPnN ,, 2 ⋅⋅⋅⋅⋅= µ
tefpistónpistónpistonespadtfrenado RAPnN ,, 2 ⋅⋅⋅⋅⋅= µ
Igualando las expresiones correspondientes para un mismo eje, y sabiendo
que nuestro vehículo posee dos discos delanteros y un único disco trasero, estaremos
por tanto obligamos, en esta situación, a distribuir de forma equilibrada el par de
frenada creado por el contacto neumático-asfalto en el eje delantero a cada uno de los
discos delanteros, luego tendremos que dividir por 2 dicho valor, como se puede
apreciar en la siguiente expresión. Por el contrario el disco trasero tendrá que igualar
la totalidad del par de frenado creado en el eje trasero como podemos ver de igual
forma a continuación:
defpistónpistónpistonespad
d
cgvd
RAPn
RPWB
h
g
aP
,22
⋅⋅⋅⋅⋅=⋅
⋅
⋅
+⋅
µµ
tefpistónpistónpistonespadt
cgvt RAPnRP
WB
h
g
aP ,2 ⋅⋅⋅⋅⋅=⋅
⋅
⋅
−⋅ µµ
154
Dichas igualdades nos servirán de medio para el dimensionamiento de los
componentes que compondrán nuestro sistema, y cuyo diseño perseguimos, donde
podemos ver como se encuentran relacionadas todas y cada una de las variables
fundamentales más características de los elementos que lo componen.
En nuestro caso, y como hemos adelantado, nos basaremos en dichas
expresiones para obtener los radios efectivos que deben poseer en estas condiciones
nuestros discos de freno, por ser estos los elementos más críticos del sistema:
pistónpistónpistonespad
d
cgvd
def APn
RPWB
h
g
aP
R⋅⋅⋅⋅
⋅
⋅
⋅
+⋅=
µ
µ
4,
pistónpistónpistonespad
t
cgvt
tef APn
RPWB
h
g
aP
R⋅⋅⋅⋅
⋅
⋅
⋅
−⋅=
µ
µ
2,
Y por tanto sus diámetros serán:
pistónpistónpistonespad
d
cgvd
def APn
RPWB
h
g
aP
D⋅⋅⋅⋅
⋅
⋅
⋅
+⋅=
µ
µ
2,
pistónpistónpistonespad
t
cgvt
tef APn
RPWB
h
g
aP
D⋅⋅⋅
⋅
⋅
⋅
−⋅=
µ
µ
,
155
Si introducimos las expresiones del Apistón en cada una de ellas obtenemos:
2,
2
pistónpistónpistonespad
d
cgvd
def DPn
RPWB
h
g
aP
D⋅⋅⋅⋅
⋅
⋅
⋅
+⋅⋅=
πµ
µ
2,
4
pistónpistónpistonespad
t
cgvt
tef DPn
RPWB
h
g
aP
D⋅⋅⋅⋅
⋅
⋅
⋅
−⋅⋅=
πµ
µ
Y de forma semejante introduciendo la expresión de la Ppistón teniendo en
cuanta el efecto del repartidor de frenada, obtendremos:
( ) 2
1
2,
2,
,
212 pistón
pe
pistonespad
d
cgvddb
def
DL
LFn
RPWB
h
g
aPD
D
⋅
⋅⋅+⋅⋅⋅
⋅
⋅
⋅
+⋅⋅=
⋅αµ
µ
( ) 2
1
2,
2,
,
21 pistón
pe
pistonespad
t
cgvttb
tef
DL
LFn
RPWB
h
g
aPD
D
⋅
⋅⋅−⋅⋅
⋅
⋅
⋅
−⋅⋅=
αµ
µ
Por tanto, podemos comprobar como el dimensionamiento de un sistema de
frenos implica el conocimiento de un amplio conjunto de datos provenientes de las
características geométricas, cinemáticas y dinámicas del vehículo a estudio.
156
Para nuestro estudio, en el que el vehículo no está definido en su totalidad por
ser este el comienzo de participación de la universidad en la competición, nos vemos
obligados a partir de un vehiculo conceptual donde se han supuesto unos valores para
estas variables y que se mueven dentro del rango habitual para este tipo de vehículos,
así tendremos:
� Peso del vehículo: 230 Kg.
� Distribución de peso (d,t): 120 Kg./110 Kg.
� Batalla: 1540mm
� Altura del CG con conductor : 250mm
� Diámetro neumático: 450mm
� Diámetro llanta: 254mm
� Coeficiente fricción neumático-asfalto: 1.6
� Aceleración máxima: 1.6 g
Bajo estos valores se han obtenido, del apartado cálculos del presente
proyecto, los pares de frenada máximos consecuencia del contacto neumático-asfalto,
estos son:
mNRFN ddfd ⋅=⋅⋅=⋅= − 122.6341022532.2818 3,
mNRFN ttft ⋅=⋅⋅=⋅= − 318.1771022508.788 3,
157
A partir de los cuales analizaremos los requerimientos de frenada y
realizaremos el dimensionamiento del sistema de frenos que consiga ajustarse a
dichas condiciones máximas ayudándonos de las expresiones obtenidas
anteriormente. Pero este proceso debe ser realizado bajo un amplio conocimiento de
los distintos elementos que componen el sistema, así como de la estrecha
dependencia y relación existente entre ellos durante su funcionamiento como ya
hemos indicado.
De esta forma una vez definido el proceso de dimensionamiento y adquirido un
total conocimiento del funcionamiento del sistema, podemos adelantar que como parte
del sistema de frenos a instalar en nuestro prototipo se emplearán discos delanteros
duales y exteriores junto con un disco simple trasero montado sobre el diferencial
autoblocante. El sistema de frenos será diseñado para ser ligero, asegurando unas muy
altas prestaciones y adaptado a las exigencias del conductor, de tal forma que le sea
transmitida una continua sensación de seguridad y control, para así, inspirarle una total
confianza que le permita exprimir al máximo las prestaciones del vehículo llevándolo
al límite durante su conducción.
Así parece interesante, y una buena idea, empezar por la elección del
compuesto del material de fricción. Los cortos recorridos y duración de las pruebas en
la competición hacen necesario la elección de un compuesto que pueda funcionar
desde temperaturas ambiente hasta las máximas temperaturas, así los problemas de
pérdida de eficacia a causa de la temperatura serán poco importantes, y nos permitirán,
por esta razón, elegir una pastillas de freno que posea una forma, superficie y espesor
158
reducidos. Las pastillas de freno elegidas como veremos poseen un coeficiente de
fricción medio de 0.45 y mantienen una curva casi plana a lo largo de la temperatura
aumentando la eficacia en la frenada.
Por tanto la elección de un determinado material de fricción influirá en gran
medida en las posibilidades de elección de la pinza de freno En nuestro caso, éstas
serán seleccionadas en base a los datos disponibles y a las fuerzas de fricción
provocadas por el contacto neumático-asfalto, de tal forma, que el conductor pueda
frenar constantemente al límite de la adherencia. Se han elegido pinzas fijas de simple
pistón fabricadas en aleación de aluminio en función de su reducido peso y tamaño, así
como por su perfecta adaptación al compuesto de fricción elegido, el cual por su
reducida forma, no requiere la utilización de una pinza de pistones múltiples. Este tipo
de pinza fija posee una mayor eficacia de trabajo en relación a las pinzas flotantes,
debido a que no sufre ningún tipo de rozamiento durante su funcionamiento, evitando
posibles situaciones de mal funcionamiento que reducen la fricción sobre el elemento
frenante y que implican desgastes irregulares sobre los componentes.
Los discos de freno flotantes, realizados en fundición, serán utilizados por su
elevada resistencia a altas temperaturas así como por su bajo coste. Los discos con esta
configuración, como sabemos, pueden rotar axialmente y reducir las tensiones
producidas como consecuencia del estrés térmico y la fatiga mecánica asociadas a los
cambios de temperatura bruscos durante su funcionamiento. Se ha empleado un único
disco trasero instalado a la salida del diferencial autoblocante para así reducir pesos y
costes con respecto a configuraciones de discos duales.
159
El conjunto del pedal de freno será diseñado para limitar la fuerza máxima
posible de accionamiento del sistema a 200N bajo condiciones normales de
funcionamiento. Fuerza óptima para permitir una amplia modularidad del pedal de
freno y mejorar el tacto y control sobre la frenada transmitido al conductor. Esto será
posible. Así las bombas de freno serán seleccionadas con un área de pistón
comprendido en el rango medio de posibilidades para así adaptar dicha fuerza a las
exigencias marcadas y evitar por otro lado problemas de sobrepresión en los conductos
flexibles que reducirían la capacidad de frenada.
Como hemos dicho anteriormente nuestras metas de diseño serán alcanzar una
desaceleración máxima de 1.6g hasta el límite de adherencia del neumático a través de
un sistema lo mas ligero posible a la vez que proporcione una apropiada distribución
de fuerzas entre ambos ejes que asegure la estabilidad y control del vehiculo. Para ello,
como hemos adelantado, nuestro sistema estará compuesto por:
� Dos circuitos hidráulicos independientes
� Repartidor de frenada ajustable regulado desde la posición del conductor.
� Dos discos delanteros independientes externos con pinzas de freno fijas
de simple pistón.
� Un disco trasero montado sobre el diferencial autoblocante con pinza de
freno fija de simple pistón.
� Dos bombas de freno independientes montadas sobre un conjunto de
pedal de freno.
160
Así nuestro sistema de frenos constará de los siguientes elementos a
dimensionar, en cuanto a longitudes, diámetros, áreas o coeficientes de fricción,
buscando determinar las variables fundamentales que caracterizan cada uno de ellos:
� Pedal de freno.
� Bomba circuito delantero.
� Bomba circuito trasero.
� Discos de freno delanteros.
� Disco de freno trasero.
� Pinzas de freno delanteras
� Pinza de freno trasera.
� Pastillas de frenos delanteras.
� Pastillas de freno traseras.
El sistema a su vez constará de un conjunto de elementos asociados a los
anteriores de gran importancia para el funcionamiento del sistema, pero cuyos
criterios de elección o diseño no responden a los descritos con anterioridad, ni por su
complejidad ni por su necesidad, simplemente se elegirán aquellos que por su precio,
calidad y adaptabilidad a los anteriores mejor se ajusten a los objetivos deseados,
estos elementos son:
� Repartido de frenada.
� Mando regulador de frenada
� Soporte pedal.
161
� Depósitos de líquido de frenos.
� Latiquillos y conductos.
� Conectores y juntas de goma.
� Tornillería.
Pero volviendo a los elementos importantes a dimensionar, como son el
pedal, bombas, pinzas, pastillas y discos de freno, nos basaremos como hemos dicho
en las expresiones físicas que relacionan sus variables fundamentales y que han sido
estudiadas en apartados anteriores.
Como objetivo en el proceso de cálculo marcaremos la obtención del
diámetro efectivo del disco de freno, por ser este el último elemento de la cadena y
por cumplir una doble función:
� Actuar como interface de fricción generando el par de frenada.
� Actuar como elemento de disipación de dicha energía al
ambiente en forma de calor.
Además debemos recordar que el disco de freno, por ser el componente de
mayor peso y por su ubicación, constituye uno de los elementos que incrementarán
sustancialmente, y en mayor medida, las masas no suspendidas del vehículo, factor
que afecta negativamente al comportamiento del vehículo, y por tanto, valor que
debemos reducir al máximo en la medida de lo posible.
162
Pero este proceso de obtención de los diámetros de los discos de freno no es
un proceso sencillo ni de aplicación directa, ya que desconocemos por completo el
resto de elementos que transmitirán la fuerza desde el pedal de freno accionado por
el conductor hasta convertirla en fricción en la superficie de sus bandas de frenado,
por tanto el dimensionamiento de los discos debe ser realizado de forma simultánea a
la del resto de componentes como ya hemos visto anteriormente, proceso en el que
nos apoyaremos en las expresiones que relacionan sus variables fundamentales y de
un profundo conocimiento de la dependencia e influencia en su funcionamiento.
De esta forma podemos adelantar que no existirá una única solución válida
para lograr alcanzar el óptimo dimensionamiento del sistema, sino que este vendrá
determinado por la realización de un balance entre variables, entre una serie de
criterios de diseño y de circunstancias acaecidas a lo largo del proceso y de su
posterior construcción en el taller, factores que afectarán unos negativamente sobre
otros y que nos condicionarán nuestro diseño.
Por tanto un elemento fundamental a tener en cuenta será la de marcar como
guía e inicio del proceso, aquellas soluciones más satisfactorias que han adoptado el
resto de equipos con una mayor experiencia adquirida a lo largo de los más de 20
años de historia en la competición.
Durante este amplio periodo han surgido además distribuidores y fabricantes
especializados en el suministro de componentes para este tipo de competiciones de
motor tipo fórmula, este es el caso de Wilwood en los Estados Unidos y de APracing
163
en Europa, marcas que poseen una amplia variedad de productos de una alta calidad
y prestaciones, y que suministran a prácticamente la totalidad de los equipos en
competición. Por tanto estas empresas en cierto modo nos facilitan el proceso de
diseño y selección de los elementos del sistema, pero a su vez, nos limitarán las
posibilidades en su realización por el hecho de tener que ceñirnos a sus productos.
Por ser este el inicio de la Universidad Pontifica en la competición, se hace
necesario construir un vehículo desde la nada en un corto periodo de tiempo,
generalmente uno o dos años, esto implica por un lado la importancia de tomas de
decisiones lo mas correctamente posibles desde un inicio y así asentar unas bases
sólidas para la continuación del proyecto y su posterior perfeccionamiento, por tanto,
en este proceso de dimensionamiento no intentaremos inventar nada ni intentar
abarcar excesivas metas y expectativas desde un inicio, como hemos resaltado en
apartador anteriores nuestro criterios fundamentales estarán basados en la fiabilidad
y en la sencillez del sistema.
Ante estos criterios adoptados, y después de adquirir un amplio conocimiento
del trabajo realizado por el resto de equipos, desde un comienzo se decidió no
fabricar ningún elemento del sistema y diseñar el sistema acotándonos a las
posibilidades ofrecidas por los siguientes distribuidores y fabricantes de
componentes como son:
� AP racing: Marca inglesa líder a nivel mundial en el desarrollo y
fabricación de componentes propios de sistemas de freno y embragues de
164
competición, con un amplio catálogo de posibilidades, adaptado a cubrir la
totalidad de necesidades de cualquier competición de motor, incluida la
fórmula 1, Por tanto será nuestro suministrador de los componentes básicos,
y de este modo, los más importantes del sistema de frenos, elementos como
los discos, bombas de freno, pinzas, depósitos, líquido de freno, repartidor
de frenada, mando regulador y pedal de freno serán adquiridos a esta
empresa.
� Ferodo: Líder en el mercado mundial de elementos de fricción, es símbolo
de tecnología, seguridad y confianza con 106 años de experiencia en
competición, y será nuestro suministrador de pastillas de freno.
� James Lister & Sons: Distribuidor de origen ingles con una altísima
variedad de conectores, juntas de goma, latiguillos y conductos que
compondrán nuestro sistema hidráulico, con posibilidad de compra online y
perfectamente adaptables al resto elementos que formaran parte del sistema
de frenos.
Así una vez acotadas nuestras posibilidades, podemos empezar a seleccionar
una serie de elementos y probar su adaptación o no a nuestras exigencias de frenada,
de tal forma que cumplan las expresiones obtenidas a través de igualdad de pares de
frenada. Para ello nos basaremos en una hoja de Excel diseñada para tal fin que nos
permita iterar todas estas variables hasta alcanzar aquella que más se aproxime a
nuestras exigencias y criterios de diseño.
165
Después de este proceso de búsqueda del conjunto óptimo de componentes
para nuestro vehículo obtuvimos los siguientes elementos en virtud a una serie de
criterios expuestos detalladamente a continuación:
� Patilla de freno: Es conveniente para este tipo de aplicaciones elegir un
compuesto que posea un coeficiente de fricción lo más alto posible y que en
la medida de lo posibilidades permanezca constante a lo largo de la
temperatura para así minimizar la posible aparición del fenómeno de
“fading”, y que de esta forma nos permita producir una mayor fuerza de
fricción con una menor presión del circuito hidráulico y así contribuir a
reducir el tamaño y peso del resto de componentes, por tanto dentro de las
opciones del fabricante Ferodo y con la condición de que sea adaptable a
las características de nuestra pinza de freno se ha adquirido el modelo
Ferodo de compuesto 4003, catalogada bajo el código FCP342C, modelo
que es distribuido también por AP racing bajo la familia de pastillas de
freno CP2195D38, con un coeficiente de fricción de 0.45 con un rango de
temperaturas de trabajo desde 0 a 1000ºC muy interesante para este tipo de
aplicación como hemos resaltado, debido a que nuestros componentes
trabajarán durante las diferentes pruebas de la competición a temperaturas
muy moderadas al no verse implicados en esfuerzos de frenada extremos.
Las graficas que caracterizan este compuesto, representado bajo la
denominación “E”, son las siguiente
166
� Pinza de freno: Se ha elegido el modelo CP3696, pinza de simple pistón,
realizada en aleación de aluminio, idónea para esta serie de aplicaciones.
Posee el menor peso del catálogo con solo 800 gr y con unas dimensiones
también comparativamente mucho más reducidas que el resto de opciones.
Se encuentra disponible en un único diámetro de pistón de 41.3mm.
� Bomba de freno: Igualmente se ha adoptado como medida la elección de
una misma bomba de freno para ambos circuitos hidráulicos debido a su
perfecta adaptación y funcionamiento en la condiciones requeridas, de tal
modo que se minimice además la variedad de piezas, y se simplifique su
167
estudio posterior. De esta forma dentro del catálogo de AP racing existe una
amplia variedad de bombas y estas a su vez con una amplia variedad de
aplicaciones, de esta forma se ha optado por la familia CP2623 de
dimensiones muy compactas y reducido peso especialmente apropiada en
aquellas aplicaciones con restricciones de espacio, posee un accionamiento
muy rápido al requerir un corto viaje del vástago para cortar el circuito y así
presurizar el líquido. Se encuentra disponible en 10 diámetros del pistón
diferentes y 4 longitudes de vástago diferentes. Para nuestra aplicación es
perfectamente adaptable al conjunto del pedal elegido, así después de varias
pruebas se ha elegido la bomba CP2623-91PRT115 de Dpistón=17.8mm con
una longitud del vástago de 115mm.
� Pedal de freno: Se adquirirá un pedal de freno CP5500-7 con una relación
de pedal de 4.8:1 quizá demasiado alta para esta serie de vehículos pero
valor que nos asegura un esfuerzo máximo de accionamiento del pedal de
204 N correcto para este tipo de aplicaciones.
Por tanto en estas condiciones obtenemos unos valores propios de cada
elemento que nos permitirán dimensionar a través de las expresiones anteriormente
expuestas el valor de los diámetros de los discos:
Recopilando dichos valores característicos tenemos que: Db= 17.8mm,
Dpistón=41.3mm, Relación pedal=4.8:1, µpad=0.45 Fe,p=204N, npistones=1 ,
donde con el repartidor de frenada distribuyendo por igual la fuerza a la entrada de
168
cada bomba de freno obtenemos un valor de los diámetros efectivos de los discos de
freno de:
Def,d= 267,2mm
Def,t= 149,4mm
Valores que nos confirman las mayores exigencias de frenado sufridas por el
tren trasero, al existir una acentuada diferencia de diámetros, por tanto y con el afán
de intentar reducir al máximo las masas suspendidas del eje delantero e intentar
igualar el diámetro de ambos discos se regulará el repartidor de frenada instalado
para tal fin, de forma que si se incrementa en un 28,3% la fuerza distribuida al tren
delantero en detrimento del trasero, obtenemos unos valores de radios efectivos de
sendos discos de:
Def,d= 208mm
Def,t= 208mm
Diámetros que concuerdan con el modelo de disco sólido CP2866-211G4,
disco de menores dimensiones disponibles en el catálogo se APracing, siendo su
diámetro efectivo de 208mm y diámetro exterior de 248mm, donde G4 indica el
acabado superficial del disco, en nuestro caso particular será un disco rayado
(Grooved) donde la cifra especifica el número de surcos por cara, en nuestro caso 4,
y que contribuyen a limpiar eficazmente la superficie de los discos y pastillas,
ayudando a reducir la vitrificación producida durante frenadas a altas velocidades
que pueden provocar la espectacular disminución del coeficiente de fricción del disco
169
Por tanto este conjunto de elementos cubre las exigencias necesarias para
nuestro vehículo y compondrán el sistema de frenos propuesto par tal fin por este
proyecto.
170
1.1.4.7.5. SISTEMA HIDRÁULICO
Como hemos ido viendo a lo largo del dimensionamiento de los componentes,
constituyendo éste un proceso muy interesante y que se recomienda seguir para
obtener una conciencia clara de lo que se ha optado como solución y donde se han
presentados sus correspondientes justificación, podemos resumir, sin ánimo de entrar
muy en detalle, que nuestro sistema de frenos estará formado, por un doble circuito
hidráulico independiente para cada eje del vehículo, presurizados a través de 2
bombas distintas de freno, una por cada circuito y montadas con sus respectivos
depósitos de líquido de frenos. Para su accionamiento se ha adaptado un pedal de
freno acorde con los criterios descritos con anterioridad, dicho elemento trasmitirá el
esfuerzo de frenada a través del repartidor de frenada ajustable desde la posición del
conductor y que permitirá regular la distribución de presiones en cada circuito.
Para el circuito delantero se ha optado por la instalación de un sistema disco-
pinza de freno independiente para cada rueda debido a su capacidad direccional. En
el caso del circuito trasero se ha seleccionado un único sistema disco-pinza a la
salida del diferencial sobre el eje de transmisión común para ambas ruedas motrices.
Por tanto el sistema de freno de nuestro prototipo de fórmula SAE estará
constituido por 3 grupos semejantes de conjuntos Disco-Pinza-Pastillas distribuidos,
como ya sabemos, dos en el tren delantero y uno en el trasero, dispuestos en el
espacio según las dimensiones del vehículo, y unidos por dos circuitos hidráulicos
que transmitirán las presión a la salida de las bombas de freno hasta los pistones de
171
accionamiento de las pinzas de freno, así también, instalaremos un conjunto del
pedal de freno situado en el interior del habitáculo del piloto reglado a una distancia
adaptada a la morfología particular del conductor. Esta disposición es representada
en la siguiente imagen, obtenida a partir de la modelización que se ha realizado de la
totalidad de los componentes que lo forman, con ayuda de la potente herramienta
informática CATIA V5:
Nos, falta por tanto, definir los circuitos hidráulicos que transmitirán estas
presiones interconectando todos los elementos del sistema. Para la elección de sus
componentes: conectores, conductos y demás elementos, se ha recurrido a la empresa
Lister & Sons debido a su amplia variedad de productos perfectamente adaptables a
nuestros elementos a conectar.
De esta forma podemos distinguir dos circuitos hidráulicos conectados cada
uno a una de las dos bombas que incorporará nuestro vehículo, y que por ser el
172
mismo modelo resultará indiferente su distribución. En nuestro caso asignaremos la
bomba derecha, desde la posición del conductor, para presurizar el circuito delantero
y la bomba izquierda para el trasero en este caso.
Básicamente nuestro problema consiste, en ambos casos, en conectar a través
de un conjunto de conectores, manguitos o conductos, bien sea para el circuito
delantero o trasero, el orificio de salida de la bomba de freno de rosca 7/16” x 20UNF
con la entrada de fluido de la pinza de freno de rosca 3/8” x 24UNF, proceso que
detallaremos a continuación distinguiendo en cada caso el circuito al que nos estamos
refiriendo:
� Circuito delantero: Este circuito debe conducir la presión hidráulica de forma
simultanea y equilibrada a ambas pinzas de freno situadas en cada una de las
ruedas delanteras del vehículo y todo ello partiendo de una única bomba de
freno, como podemos ver en la imagen:
173
Será necesario, por tanto, realizar una bifurcación en algún punto del
circuito, esta se realizará a través de un conector que el fabricante denomina
“Double Banjo Bolts” y que instalaremos en el mismo orificio de salida de la
bomba de freno. Este conector nos permitirá fijar uno de los dos extremos de
cada uno de los manguitos que se dirigirán a cada una de las pinzas de freno y
que corresponden al modelo de conector “90º extended Neck”, semejante al
empleado en motocicletas convencionales, configuración que podemos
observar en la siguiente imagen:
Estos manguitos deben ser flexibles, debido a que van fijados sobre las
manguetas delanteras del vehículo hasta alcanzar las pinzas de freno,
elementos todos ellos móviles. Elegiremos conductos “Type 411 Teflon
Smooth Bore Hose”, de aproximadamente 900 mm de longitud, debido a la
174
excepcional resistencia del Teflon a altas temperaturas, ataque químico, a la
absorción de agua y sus bajas propiedades de fricción, haciéndolo ideal para
este tipo de aplicaciones. Además posibilita una gran adaptabilidad de
conectores que nos permitirá elegir aquellos que mejor se ajusten a nuestras
necesidades. Emplearemos adaptadores “Sockets” para fijar y sostener, a través
de la rosca que estos incorporan, los extremos del conducto a los conectores de
fijación destinados a la bomba y pinza de freno respectivamente.
Para la conexión de este manguito en el orificio de entrada de la bomba
de freno, debemos emplear un conector “90º Swert Female”, el cual posee una
rosca 3/8” JIC x 24 TPI de iguales dimensiones que el de la pinza de freno, por
ello para poder interconectarlos emplearemos un segundo conector hembra-
hembra denominado “Conector Male, Flare” con el cual cerraremos el circuito,
configuración que podemos ver en la siguiente imagen:
175
� Circuito trasero: Este segundo circuito posee ciertas peculiaridades respecto
a los anteriores, si es cierto que podría haber sido realizado exactamente de la
misma forma, simplemente variando la longitud del conducto flexible hasta
alcanzar aproximadamente los 2330mm. Pero este hecho conllevaría que la
conformidad que se pudiera producir en el circuito trasero podría ser
considerable, al igual que la incomodidad que supondría amarrar un conductor
de esta flexibilidad a lo largo de todo vehículo, por tanto para mejorar el
comportamiento del sistema de frenos, así como mejorar el aspecto de la
instalación, utilizaremos en gran parte del recorrido, tubo rígido denominado
por el distribuidor “Coated aluminium tube” fabricado en aluminio y de una
mayor ligereza (38.1g/m) que el tubo flexible de Teflon, hecho que nos
ayudará a contribuir a reducir significativamente el peso de la instalación. Si es
cierto que esta maniobra implicara una mayor complejidad y utilización de
conectores que comentaremos a continuación.
Para el resto de la instalación emplearemos tubo flexible con el fin de
conectar los extremos tanto a la bomba de freno correspondiente, como a la
pinza de freno, la cual constituye un elemento móvil, recordamos que estamos
conectando continuamente masas suspendidas con masas no suspendidas del
vehículo y por tanto no podemos utilizar íntegramente tubo rígido en la
instalación, situación que sería la ideal.
Aunque constituya un único circuito, el método de conexión de nuestro
primer tramo de conducto a la bomba de freno será semejante al empleado en
176
el circuito delantero, en este caso utilizaremos un conector simple, y no doble,
denominado “Single Banjo Bolt” para amarrar a la bomba el extremo de
nuestro manguito flexible “Type 411 Teflon Smooth Bore Hose”, de
aproximadamente 160mm, este extremo estará unido a través de un adaptador
“Socket” ya comentado, y a su vez a un conector 90º extended Neck” que irá
insertado en el conector “Single Banjo Bolt” acompañado de sus respectivas
juntas de goma que aseguren su estanqueidad.
El segundo extremo, de este primer manguito, debe ir conectado al
primer extremo del conducto rígido de aluminio, esta unión se realiza a través
de un conector “Male, Flare”. El extremo del conducto rígido irá a su vez
conectado a éste únicamente a través de un adaptador “Socket”, mientras que
el tubo rígido necesitará incorporar dos elementos, un adaptador de
compresión “37º Flare Tube Sleeve” y un conector “JIC (AN) Cap 37º Flare”
de tal forma que conecte con el conector “Male, Flare” ya comentado. En la
siguiente imagen podemos observar como es la configuración de los extremos
del conducto rígido que hemos descrito anteriormente:
177
Siendo el aspecto de este primer manguito flexible, y de su unión con
el tubo rígido de aluminio, el siguiente:
Este tubo rígido será conducido recorriendo los bajos del vehículo hasta
su extremo posterior, donde será conectado, de nuevo, al extremo de un
conductor flexible que definitivamente cerrará el circuito hidráulico trasero.
178
Esta segunda unión es exactamente igual que la descrita anteriormente,
por tanto el conducto rígido incorporará en ambos de sus extremos
conectores y adaptadores “37º Flare Tube Sleeve” y “JIC (AN) Cap 37º
unidos a ambos manguitos a través de adaptadores “Male, Flare” Así este
segundo manguito deberá poseer en su primer extremo un adaptador “Socket”
y así dar continuidad al circuito en este punto, para posteriormente dar parar a
la entrada de la pinza de freno trasera, donde incorporará, de nuevo, un
conector “90º Swert Female” que mediante un adaptador “Male, Flare”
finalizará el circuito.
Las longitudes de estos conductos sabemos que en total miden
aproximadamente 2330mm como ya hemos adelantado, pero en esta
configuración han sido distribuidos de la siguiente manera: el primer
conducto flexible medirá 155mm de longitud, el recorrido del tubo rígido será
de 1650mm y para el segundo conducto flexible de 525 mm, acompañados,
como ya hemos visto, de sus respectivos conectores y adaptadores.
179
1.1.4.8. COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA ELEGIDO
1.1.4.8.1. PARES DE FRENADA
Una vez seleccionado la totalidad de nuestro sistema de frenos podemos
estudiar su comportamiento teórico bajo distintas condiciones de funcionamiento.
Dichos resultados serán recogidos en formato de gráfica para una mejor visualización
y comprensión.
La primera de ellas representa la distribución de pares de frenada generados
en cada disco de freno en función del esfuerzo ejercido sobre el pedal de freno, en
color rojo para los discos delanteros y en color azul para el disco trasero. Así también
se han representado superpuestos en el mismo gráfico los valores máximos
alcanzables de par de frenada limitados por el contacto neumático asfalto.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 50 100 150 200 250 300
Fuerza pedal (N)
Par
de
frena
da (
Nm
)
180
Podemos observar rápidamente las notables diferencias de exigencia de
frenada existentes en cada uno de los ejes del vehículo. Debemos recordar que dichos
valores representan los pares generados como consecuencia del contacto disco-
pastilla, y por tanto, para determinar los esfuerzos generados en cada uno de los ejes
del vehículo, bastará, en el caso del eje delantero, con multiplicar por dos el par
representado por el trazo rojo, y en el caso del eje trasero, este coincidirá con los
valores representados el trazo azul, motivado por el hecho de poseer dicho eje un
único conjunto disco pastilla.
Como segunda conclusión importante podemos observar como el punto a
partir del cual bloquearían ambos ejes del vehículo se sitúa en valores en torno a 204
N, a partir de ese momento el comportamiento del vehículo será inestable y la
capacidad de frenada pasaría de estar determinada por un coeficiente de adherencia
neumático-asfalto de valor 1.6, a un coeficiente de deslizamiento de valor 0.2 con las
consecuencias que esto implicaría.
1.1.4.8.2. DECELERACIÓN
Así también podemos obtener una representación gráfica que nos relaciones
en todo momento, y bajo condiciones de funcionamiento normales definidas en
apartados precedentes, la capacidad de deceleración de nuestro vehículo en función
de la presión ejercida por el conductor sobre el pedal de freno.
181
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20
Deceleración (m/s2)
Fue
rza
en p
edal
(N
)
Así podemos observar como dicho comportamiento adquiere un
comportamiento totalmente lineal hasta alcanzar un máximo de deceleración igual
a15,65 m/s² (1.6g), valor establecido, recordemos, por el coeficiente de adherencia
neumático-asfalto.
Por otro lado podemos observar como a partir de una fuerza superior a 204N
nuestra deceleración adquiere un comportamiento indeterminado como consecuencia
del bloqueo de alguno de los ejes del vehículo.
1.1.4.8.3. DISTANCIA DE FRENADO
Otra variable importante, y que nos dará una idea más intuitiva y clara de la
capacidad de frenada otorgada a nuestro vehículo, vendrá determinada por el estudio
de la distancia de frenada del mismo.
182
En una primera gráfica podemos observar cual será dicha variación en
función de la velocidad que posea el vehículo en el momento de accionar el sistema
de frenos, situándonos en la situación extrema en la que conseguimos mantener dicho
esfuerzo en condiciones de máxima adherencia, y por tanto, al limite del bloqueo de
las ruedas. Constituirá por tanto un caso ideal de funcionamiento
Así podemos observar como en la situación en la que el vehículo circule a
una velocidad de 100Km/h y accione el sistema de frenos hasta el límite de su
capacidad, conseguirá detener su vehículo en menos de 25m de distancia. Como
vemos valores muy superiores en cuanto a capacidad de frenada con respecto a los
obtenidos en vehículo convencionales
En una segunda instancia podemos evaluar dicha distancia de frenada desde
el punto de vista del control que ejerce el conductor sobre su pedal de freno, así en la
siguiente gráfica se ha representado la variación de la distancia de frenada en función
de la fuerza ejercida sobre el pedal de freno
DISTANCIA DE FRENADO
0
10
20
30
40
50
60
70
0 50 100 150 200
velocidad (km/h)
dist
anci
a (m
)
183
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100 120
Distancia de frenado (m)
Fue
rza
de p
edal
(N
)
Donde podemos ver como dicha relación posee un comportamiento potencial
con una tendencia asintótica al eje de abscisas. Idealmente si no ejercemos fuerza
alguna sobre el pedal de freno la distancia de frenado será infinita, siempre y cuando
despreciamos el resto de fuerzas que actúan en el vehículo y que son también
responsables de su deceleración.
184
1.1.5 DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES
1.1.5.1. INTRODUCCIÓN
En los siguientes apartados se hará un recorrido por el conjunto de elementos
que constituyen el sistema de frenos adoptado como solución en el presenta proyecto,
donde se presentará de forma esquemática la información de mayor relevancia en cada
caso. Si fuera necesaria una ampliación detallada de cada elemento se recomienda
consultar los anexos del proyecto donde se recogen todas sus fichas extraídas de los
catálogos de cada fabricante.
1.1.5.2. DISCO DE FRENO
Disco sólido de hierro fundido, modelo CP2866-211G4 diseñado y fabricado
por APracing con las siguientes características:
185
� Diámetro exterior (A): 248mm
� Diámetro efectivo: 208mm
� Diámetro interior (C): 162mm
� Diámetro (D): 131mm
� Diámetro (M): 146
� Espesor (B): 7mm
� Espesor (H): 6mm (Desplazado 2.5mm)
� Diámetro agujeros montaje: 8.45mm
� Número agujeros montaje: 8
� Acabado superficie caras: G4
� Temp. máxima trabajo: 600 ºC
� Peso: 1.5 Kg.
� Imagen disco real:
186
1.1.5.3. PINZA DE FRENO
Pinza de doble pistón modelo CP3696-6E0 diseñado y fabricado por APracing
de las siguientes características y especificaciones técnicas:
Características:
� Doble pistón en aleación de aluminio CP3696-105.
� Doble cuerpo independiente en aleación de aluminio.
� Ensamblaje por medio de tornillos hexagonales
� Retenes de alta resistencia a la temperatura.
� Tratamiento superficial anodizado de alta calidad.
� Clips de retención de pastillas de freno R Clip.
� Utilizable en ambas posiciones, rueda derecha e izquierda.
� Intercambiable con el modelo CP2505-3SO.
� Incorpora tornillo de purgado CP3720-182.
187
Especificaciones técnicas:
� Tamaño pistón: 41.3mm x 2
� Área pistón: 26.7cm²
� Diámetro disco (max/min): 267mm / 240mm
� Espesor disco: 7.1mm
� Peso (sin pastillas): 800g
� Roscas hidráulicas: 3/8” x 24 UNF
� Diámetro agujeros montaje: 10.15mm
� Distancia entre agujeros montaje: 88.9mm
� Par de montaje tornillo purga: 17Nm
1.1.5.4. PASTILLA FRENO:
Pastilla de freno modelo CP2195 fabricado por la empresa FERODO de las
siguientes características:
188
� Material de fricción: 4003F
� Coeficiente fricción: 0.45
� Espesor material fricción: 10.5mm
� Altura material fricción: 38.4mm
� Área material fricción: 22.4cm²
� Anchura pastillas: 59.3mm
� Altura pastilla: 51.1mm
� Bite: 3/5
� Fade: 3/5
� Plote shape: 4/5
� Comfort/noise: 4/5
� Disc life: 2/5
� Ave wear: 3/5
� Temp rating: 2/5
� Imagen real:
189
1.1.5.5. BOMBA DE FRENO:
Bomba de freno modelo CP2623-91PRT115 diseñada y fabricada por
APracing de las siguientes características y especificaciones técnicas:
Características:
� Dimensiones compactas
� Rápido accionamiento (Corta distancia de cierre)
� Cuerpo en aleación de aluminio
� Brida de montaje.
Especificaciones técnicas:
� Peso: 0.3 Kg.
� Movimiento completo: 25.4mm
� Diámetro pistón: 17.8mm
� Rosca entrada hidráulica: 3/8” x 24UNF
� Rosca salida hidráulica: 7/16” x 20UNF
� Rosca vástago: 5/16”UNF
190
� Longitud vástago: 115mm
� Distancia hasta el corte: 0.68 a 1.09mm
1.1.5.6. DEPÓSITO LÍQUIDO FRENOS:
Depósito modelo CP10709-13 perteneciente a APracing de las siguientes
características:
191
� Altura depósito: 96mm
� Diámetro depósito: 44mm
� Volumen: 75cm³
� Rosca depósito: 15/16” x 20UNS
� Diámetro tapa: 51mm
� Conectores incluidos
Depósito conectado a la bomba de freno a través de un conector CP4709-105
azul, de las siguientes características:
� Material: Aluminio
� Roscado de entrada: 15/16” x 20UNS
� Roscado de salida: 7/16”UNF
Ambos ensamblados con un ‘O’ ring seal CP4709-104 y una junta de goma
suministrados junto con el depósito de líquido.
192
1.1.5.7. PEDAL DE FRENO:
Pedal de freno modelo CP5500-7 perteneciente a APracing de las siguientes
características:
� Material: Aluminio
� Ratio pedal: 4.8:1
� Agujeros de montaje: M10
1.1.5.8. REPARTIDOR DE FRENADA:
Repartidor de frenada modelo CP5500-9 perteneciente a APracing
193
� Material Acero tratado/Goma
� Se recomienda ver manual instalación (Anexos).
1.1.5.9. REGULADOR DE FRENADA:
Regulador de frenada modelo CP2905-8 perteneciente a APracing
� Longitud cable 1.2m
� Roscado 3/8” UNF
� Material mando Aluminio anodinado
� Material tubo protector Polietileno FR
� Material cable Acero
� Diámetro cable 3.8mm
� Diámetro de montaje en tablier 19mm
1.1.5.10. CONDUCTOS:
� Conducto flexible: “411 Teflon Smooth Bore Hose” suministrado por James
Lister & Sons bajo el código 4011-03, de las siguientes características:
194
� Material interior: Resina Teflon T62
� Material exterior: Trenzado de alambre
� Diámetro interior: 3.2mm
� Diámetro exterior: 6.4mm
� Presión de trabajo: 3000psi
� Presión minima: 12psi
� Rango temperatura: -55ºC a 232ªC
� Conducto rígido: “Coated aluminium tube” suministrado por James Lister &
Sons bajo el código LP060100150, de las siguientes características:
195
� Material interior: Aluminio (AlMn 1)
� Material exterior: Poliamida 12 (Pa12)
� Diámetro interior: 4 mm
� Diámetro exterior: 6 mm
� Presión de trabajo: 6335 psi
� Presión mínima: 12psi
� Rango temperatura: -40ºC a 155ªC
� Radio curvatura 7.8mm
� Peso: 38.1 g/m
1.1.5.11. CONECTORES Y ADAPTADORES:
� Conector 90º extended Neck Banjo Series 1:
� Material: Aluminio
� Código: A82-3D
� Tamaños de rosca aceptados: 3/8” UNF, M10,1/8 BSP
� Diámetro conducto: 3mm
196
� Conector 90ª Swerp Female (Swivel):
� Material: Aluminio
� Código: A86-3D
� Rosca: 3/8” JIC x 24 TPI
� Diámetro conductor: 3mm
�
� Conector Double Banjo Bolts for series 1 Banjos:
� Material: Aluminio
� Código: A49-3D
� Rosca: 3/8” JIC x 24 TPI
� Diámetro conductor: 3mm
197
� Conector Single Banjo Bolts:
� Material: Aluminio
� Código: A43-3D
� Rosca: 3/8” JIC x 24 TPI
� Diámetro conductor: 3mm
� Adaptador Conector Socket:
� Material: Aluminio
� Código: A41-3D
� Diámetro conductor: 3mm
198
� Adaptador Male, Flare:
� Material: Acero inoxidable
� Código: A15-3HC
� Descripción: -3JIC x -3 JIC
� Conector 30º Flare Tube Sleeve:
� Material: Aluminio
� Código: 819-4D
� Descripción: -4 Tubing Sleeve &
1/4” Tube Size.
199
� Conector JIN (AN) Caps 37º Flare:
� Material: Aluminio
� Código: 820-4D
� Descripción: -4 Caps
200
1.1.6 MODELIZACIÓN EN CATIA
1.1.6.1. DISEÑO DE COMPONENTES Y ENSAMBLAJE DEL
CONJUNTO
Uno de los objetivos importantes del presente proyecto lo constituye la
necesidad de realizar una modelización en 3D de cada uno de los componentes que
forman el sistema de frenos que hemos adoptado. Esto nos permitirá una mayor
flexibilidad en el proceso de diseño y desarrollo del sistema, así como nos facilitará la
posibilidad de realizar un ensamblaje total del sistema a través de la unión de todos sus
componentes, de tal forma, que nos permita adquirir una visión clara de sus
dimensiones, características y distribución en el espacio.
Del mismo modo nos permitirá en un futuro su integración con el resto de
sistemas y componentes desarrollados por el resto de divisiones del equipo de fórmula
SAE, tales como chasis, motor, suspensión, transmisión o dirección por citar algunas.
Esto posibilitará realizar un ensamblaje total o parcial del vehículo, de tal forma que
podamos comprobar la correcta adaptación entre componentes y sistemas y valorar su
correcto diseño en función de su relación con los demás comprobando que no se
producen interferencias de movimientos. Así por ejemplo el buje destinado a
ensamblar nuestro disco de freno fue diseñado a partir del modelo en 3D realizado en
este proyecto, agilizando notoriamente el proceso.
201
A su vez, el hecho de disponer del sistema modelizado en su totalidad, nos
permitirá, también en un futuro, analizar su funcionamiento a través de procedimientos
de descomposición por elementos finitos, y así, estudiar su comportamiento tanto
desde el punto de vista térmico como estructural, análisis importantísimos en un
sistema tan complejo como lo es un vehículo. De esta forma, por ejemplo, podremos
analizar como contribuye el calor emitido por el motor en aumentar la temperatura de
funcionamiento del disco trasero, o estudiar la distribución de temperaturas del disco
al producirse la fricción sobre sus caras de frenado, o bien, estudiar la deformación de
la carcasa del diferencial en el momento de actuación del freno. Como se puede
observar permite una total versatilidad y posibilidades de estudio que en un futuro
ayudará a obtener una cantidad de información de gran valor para contribuir al
perfeccionamiento del vehículo y así mejorar continuamente sus prestaciones.
Así para este proyecto, la herramienta informática utilizada para tal labor ha
sido, por su potencia, CATIA V5 desarrollado por Dassault Systèmes y distribuido por
IBM, considerado el programa líder de diseño en sectores tan importantes como la
automoción y la aeronáutica, donde empresas tan importantes como Renault o Airbus
desarrolla sus productos en base a esta herramienta..
De esta forma para la modelización del sistema de frenos se ha hecho necesario
el diseño de hasta 44 piezas diferentes que constituyen la totalidad del espectro de
piezas utilizadas en el ensamblaje del sistema constituido por más de 150 elementos,
por tanto muchos de estos se repetirán en la composición de conjunto, pero hay que
decir, que piezas como las pinzas de frenos o el pedal de freno son elementos de una
202
extremada complejidad en su diseño y donde se han invertido numerosos recursos de
tiempo para su realización.
Así en la siguiente lista se han detallado todos los elementos que han sido
diseñados en el presente proyecto:
� Disco de freno: disco de freno.
� Bombas de freno: Cuerpo de bomba, vástago, protector goma y tapón
aluminio de conexión al depósito.
203
� Pinza de freno: Parte externa del cuerpo, parte interna del cuerpo,
pistón, retén, guardapolvo, Bleedscrew o tornillo de purga, pasador, junta
de unión, tornillo M8x50 y tornillo M8x35.
204
� Pastilla de freno: Soporte y material de fricción.
� Pedal de freno: Pedal, base de pedal, tornillo hexagonal M8x55, tornillo
hexagonal M8x28, tuerca hexagonal M8 y arandela plana 8.
� Depósito de fluido: Cuerpo depósito, tapón, adaptador a bomba.
205
� Repartidor de frenada: Eje y elemento repartido.
� Conductos: conducto flexible delantero izquierdo, conductor flexible
delantero derecho, conductor flexible de salida trasero, conductor rígido
trasero y conductor flexible de llegada trasero.
206
� Conectores y adaptadores: Conector JIN (AN) Caps 37º Flare,
Conector 30º Flare Tube Sleeve, Adaptador Male, Flare, Adaptador
Conector Socket, Conector Single Banjo Bolts, Conector Double Banjo
Bolts for series 1 Banjos, Conector 90ª Swerp Female (Swivel), Conector
90º extended Neck Banjo Series 1.
� Juntas de goma: junta KL44517 y junta KL44539
207
En la realización de dichos elementos ha sido necesaria una amplia labor de
recogida de información proveniente directamente de los fabricantes, de normativas
UNE en el caso de tortillería o de medidas realizadas directamente sobre las piezas una
vez sido adquiridas. Por tanto si bien la meticulosidad y precisión utilizada en el
proceso ha sido considerable y la máxima posible en todo momento, si es cierto que
los diseños obtenidos no dejan de ser una aproximación del modelo real.
Así como resultado final del proceso de diseño y ensamblaje de todos los
componentes del sistema se ha obtenido la siguiente imagen de aspecto renderizado a
través del programa CATIA V5:
208
1.1.6.2. OBTENCIÓN DEL PESO Y ALTURA DEL CENTRO DE
GRAVEDAD DEL CONJUNTO
La potente herramienta CATIA V5 permite a su vez la obtención de múltiple
e importante información, en cuanto a propiedades físicas, tanto de cada uno de los
elementos que hemos diseñado como del ensamblaje final del conjunto.
Este proceso requiere la tarea de asignar minuciosamente el material del cual
estarán fabricados nuestros componentes una vez sido diseñados. En esta situación
podemos optar por escoger uno de los múltiples materiales disponibles dentro de la
biblioteca incorporada para tal caso en el programa o definir nosotros mismos sus
propiedades si estas son conocidas con suficiente precisión. Bajo estas posibilidades
podemos definir la densidad, el coeficiente de expansión térmica, el coeficiente de
Poisson, el módulo de Young o su tensión de fluencia, así como nos permite regular
sus características ópticas y lumínicas de tal forma que podamos ajustar su aspecto
exterior hasta su auténtica apariencia real, situación que nos permitirá obtener videos e
imágenes de aspecto renderizado. Las siguientes imágenes nos muestran los menus del
programa destinados a introducir dicha información:
209
210
Una vez definido el material de todos los componentes y realizado el
ensamblaje del conjunto, podemos a través de una de las múltiples opciones
disponibles del programa obtener la información buscada, así nos proporciona el peso
del sistema, su volumen, superficie, posición del centro de gravedad o su matriz de
inercia.
En el caso presentado en la siguiente imagen, correspondiente al conjunto del
sistema de frenos, podemos ver como la altura del CG es de z=162.919mm,
encontrándose por debajo de la posición del vehículo (250mm) y por tanto contribuye
a su reducción favoreciendo la frenada. Además a través del mismo menú obtenemos
el peso total del conjunto, en este caso 11.974 Kg.
211
Pero esta información puede ser a su vez consultada para cada uno de sus
elementos en función de las necesidades de cada situación o estudio que queramos
realizar. Así por ejemplo para la división de suspensión es importante conocer el peso
de las masas no suspendidas del vehículo para realizar el dimensionamiento de sus
resortes y amortiguadores, información que de nuevo puede ser fácilmente obtenida a
través del programa, en cuyo caso el sistema de frenos contribuye con 2.797 Kg.
1.1.6.3. OBTENCIÓN DE PLANOS
Otra de las interesantes aplicaciones del programa constituye el hecho de que
representa una fuente inagotable de creación de planos una vez que tengamos
diseñadas todas las piezas que componen el sistema de frenos. Así, todos los planos
presentados en este proyecto han sido obtenidos a través de dicha herramienta
facilitando enormemente dicha tarea y proporcionándonos un gran abanico de
posibilidades de creación de vistas y cortes inigualable por otros sistemas.
212
1.1.7 CONCLUSIONES
La realización del presente proyecto ha constituido, desde el primer
momento, un increíble ejercicio de alto valor añadido, donde no solo me ha
permitido adquirir unos amplios conocimientos técnicos y teóricos complementarios
a los aprendidos durante estos años, dentro de la Escuela Técnica Superior de
Ingenieros Industriales del ICAI, sino que debido a la naturaleza y dimensión del
proyecto, integrado dentro de una iniciativa común promovida por la universidad, he
tenido la oportunidad de poder conjugarlos en todo momento con tareas prácticas de
construcción del prototipo, comprobando como un proyecto desarrollado
íntegramente por estudiantes puede ser llevado a la realidad. Y todo ello, con el
aliciente añadido, y a veces reto, de compaginarlo con un continuo trabajo equipo.
Esfuerzo y horas de trabajo que desafortunadamente no se recogen íntegramente en
la redacción de este documento. Así la participación dentro del equipo Formula SAE
2006, a través de la realización de este proyecto final de carrera, ha supuesto
personalmente para mí, una experiencia muy enriquecedora a lo largo de todo este
año.
Ciñéndonos a consideraciones de carácter técnico, el presente proyecto
constituye un medio sólido para comprender y obtener una conciencia clara del
funcionamiento de los sistemas de freno del ámbito automovilístico actual, y en
particular, centrado en el estudio detallado de los sistemas de freno de disco, donde
se ha demostrado y constatado su óptima aplicación como solución.
213
Así se ha conseguido, en virtud de los conocimientos adquiridos y al
cumplimiento de una amplia normativa impuesta por la competición, diseñar un
sistema de frenos lo mas ligeros y fiable posible, que nos permita alcanzar una
deceleración máxima de 1.6g hasta el límite de adherencia del neumático, a la vez
que proporciones una óptima distribución de fuerzas entre ambos ejes que aseguren
la estabilidad y control del vehículo en todo momento, factores que contribuirán a la
hora de transmitir al conductor una continua sensación de seguridad que le permitirá
exprimir al máximo las prestaciones del vehículo llevándolo al límite durante su
conducción. Y todo ello contando con un presupuesto limitado.
Se ha demostrado la conveniencia en la utilización de tres discos de freno
desde el punto de vista económico, de reducción de pesos y de sencillez frente al
resto de alternativas tratadas, sin que por ello disminuya la capacidad de frenada del
vehículo.
Así se ha desarrollado un procedimiento de dimensionamiento de sistemas de
freno, extrapolable a cualquier clase de vehículo, donde se ha podido comprobar como
esta clase de sistemas deben ser diseñados en su conjunto, pensando en la globalidad,
debido a la estrecha dependencia de funcionamiento existente entre cada uno de ellos
y a la cantidad de variables que hay que manejar, hasta alcanzar un balance óptimo
que nos proporcione la solución más personalizada para las exigencias de nuestro
vehículo.
214
Proceso que ha resultado difícil, y por tanto desafiante, tratándose de un
vehículo de competición, motivado principalmente por el alto secretismo que gira en
torno a las universidades participantes en el evento, no siempre dispuestas a
compartir su información y experiencia, y por otro lado a la falta de disponibilidad de
datos técnicos fuera de los aspectos puramente comerciales provenientes de los
fabricantes de componentes de sistemas de freno.
No obstante, a pesar de las dificultades, se ha conseguido definir un sistema
de frenos acorde a los objetivos marcados inicialmente por este proyecto final de
carrera, que nos ha permitido adquirir a distintos proveedores líderes en el mercado
de componentes de competición, tales como AP Racing, Ferodo y JLS, la totalidad
de sus elementos por un coste total que asciende a los 2158.41€, significativamente
por debajo de los 2500€ marcados como límite de presupuesto.
A su vez se ha constatado, como la potente herramienta CATIA V5
representa la mejor solución para la realización de diseños y análisis en 3D,
situándose muy por encima de otros productos alternativos en cuanto a prestaciones
y posibilidades de creación. A través de dicha herramienta hemos conseguido diseñar
íntegramente el conjunto de 44 piezas que constituyen nuestro sistema de frenos,
formado por más de 150 elementos combinación de los anteriores, y que nos ha
proporcionado una constante fuente de información de altísimo valor, tanto para la
realización de este proyecto, como para la del resto de divisiones del equipo Fórmula
SAE, como ha sido el conocimiento de la altura del centro gravedad del ensamblaje
del sistema de frenos, la masa no suspendida aportada por los componentes del
215
sistema, el peso total del conjunto, o paralelamente, la obtención del momento de
inercia y peso del conjunto llanta-neumático.
Así, hemos podido comprobar como nuestra solución adoptada consigue
colaborar a la reducción de la altura del centro de gravedad del prototipo, al situarse
éste en cotas muy inferiores a las del vehículo en su totalidad, 167.9 mm frente a
250mm, y de esta forma, contribuyendo a mejorar su comportamiento de frenada.
Por tanto, podemos considerar la realización del proyecto como un éxito,
donde se ha conseguido diseñar, y posteriormente adquirir, un sistema de frenos
acorde a las exigencias marcadas por nuestro prototipo dentro del plazo de tiempo
estipulado para tal fin, y cuyo resultado puede visualizarse en la siguiente fotografía
obtenida a través del programa CATIA:
.
216
1.1.8 RECOMENDACIONES
Esta experiencia obtenida como consecuencia de la participación dentro del
equipo Fórmula SAE y recogida a través de este documento, parte con el propósito
de que constituya el punto de partida para próximas continuaciones de este
ambicioso proyecto, donde se de la oportunidad a futuros estudiantes de ampliar su
formación académica con un proyecto de alto valor añadido y donde se enfrenten a lo
largo de todo el proceso, ante problemas de la vida real: manejando un presupuesto,
tiempos de entrega y aplicación de los conocimientos técnicos adquiridos en clase.
De esta forma se recomienda a los futuros integrantes de la división del
sistema de frenos que profundicen, aun más, en aspectos tan importantes como son
los fenómenos de transferencia de cargas laterales y diagonales que se manifiestan
cuando el vehículo frena y gira al mismo tiempo, situación que modifica
considerablemente la capacidad de frenada del monoplaza como ya se ha adelantado
en este proyecto.
Así también se recomienda, con la facilidad de disponer de todos los
componentes modelados en 3D, realizar un análisis por elementos finitos bajo las
condiciones de funcionamiento descritas y que el excesivo alcance de este proyecto
en el presente año a impedido realizar.
217
También se propone como reto intentar disminuir, aun más si cabe, la
contribución del sistema de frenos al conjunto de masas no suspendidas del vehículo,
y que contribuiría a introducir una mejora sustancial en su comportamiento
dinámico.
218
1.1.9 RESUMEN DEL PRESUPUESTO
1 Und. Sistema de frenos adaptado a un vehículo tipo monoplaza destinado a
participar en la competición Formula Student. Sus principales características son las
siguientes:
� Deceleración máxima permisible 1.6m/s².
� Fuerza máxima de accionamiento del pedal 200N.
� Doble circuito hidráulico independiente.
� Dos discos delanteros independientes externos de Ø248mm fabricados en
fundición gris, modelo CP2866-211G4.
� Un disco trasero montado sobre el diferencial de Ø248mm fabricado en
fundición gris, modelo CP2866-211G4.
� Tres pinzas de freno fijas de simple pistón de Ø48.3mm, modelo
CP3696-6E0, fabricadas en aleación de aluminio anodizado.
� Repartidor de frenada ajustable desde la posición del conductor, modelo
CP5500-9UNF.
� Mando regulador del repartidor de frenada modelo CP2905-8.
� Conjunto de pedal de freno realizado en aluminio modelo CP5500-7.
� Latiguillos flexibles de trenzado de alambre de acero inoxidable y resida
de Teflón T62. Código LP060100150 y Ø3.2 mm interior.
� Conducto rígido de aluminio y protección en poliamida 12 de Ø4 mm
interior.
219
� Líquido de frenos AP600 modelo CP3600.
� Dos Bombas de frenos modelo CP2623-91PRT115 de Ø17.8 mm pistón
y 115 mm longitud de vástago.
� Dos depósitos de fluido modelo CP4709-13 y 75cm³ de capacidad.
� Diversos adaptadores y conectores.
Denominación Código Cantidad Precio total Freno de disco sólido CP2866-211G4 3 283.83 Pinza de freno CP3696-6E0 3 413.40 Pastillas de freno ferodo 4003 FCP342C 2 cajas 94.28 Conjunto pedal CP5500-7 1 234.95 Bomba de freno CP2623-91PRT115 2 150.86 Depósitos de fluido CP4709-13 2 76.58 Repartido de frenada CP5500-9UNF 1 205.00 Regulador de frenada CP2905-8 1 77.97 Líquido freno AP600 CP3600 3 41.61 Cooper Gaskets KL44517 10 8.5 Tubería freno Dash-3 411-03 7m 69.72 90º Extended Neck Banjo A82-3D 3 50.07 90º Swept Female (Swivel) A86-3D 3 80.205 Double Banjo Bolts A49-3D 1 4.215 Single Banjo Bolts A43-3D 1 4.215 Male Flare 815-3HC 5 28.125 Socket A41-3D 2 7.89 Coated Aluminium Tube LP060100150 4m 21.86
Precio Neto total 1860.7 € Base IVA 16.0 % Importe IVA 297.71 € TOTAL 2158.41 €
Madrid 28 de junio de 2006
Jesús Rodríguez Ortega
220
1.1.10 BIBLIOGRAFÍA
[LIMP92] Rudolf Limpert, “Brake design and safety”, Society of Automotive
Engineers, 1992.
[CAST98] Miguel de Castro Vicente, “Transmisiones y bastidor”, colección 4
Nueva enciclopedia del automóvil, Ediciones CEAC, pp. 240-323,
Barcelona 1998
[POMP98] Jean Paul Pompon,”Manual del disco de freno” Ediciones CEAC,
Barcelona 1998
[WALK05] James Walter, “The Physics of Braking Systems”, Grassroots
Motorsports, StopTech LLC, 2005
[RUIZ05] Steve Ruiz, “Brake pedal setup and dual master cylinder installation
guide”, StopTech LLC, 2005
[ROAD05] “Manual técnico de las pastillas de freno” desarrollado por la empresa
Roadhouse, 2005
[CADT02] CAD Tech Ibérica Area de formación, “Manual CATIA V5”, 2002
221
[RODR90] F. Javier Rodríguez de Abajo, Víctor Álvarez Bengoa, “Curso de dibujo
geométrico y de croquización” Editorial Marfil, 1990.
[ALVA78] Claudio Alvarez, “Delineación industrial”, Ediciones Bruño-edebe,
1978.
[QUAD05] Revista Quad and Jet, “Catálogo 2005 edición especial” Luike
iberoamericana de revistas (Lider), Nº4, 2005
[RACE06] Revista Racercar engineering, “Artículo Give us a brake”, Vol 16, Nº
06, Junio 2006
[WILW06] Wilwood, “Product Catalogue”, 2006.
[LIST06] JLS James Lister & Sons Motorsport, “Product Catalogue”, 2006.
[APRA06] AP Racing, “2006 Product Catalogue”, Publication Ref: P15.011/2006.
1.2 . CÁLCULOS
ÍNDICE
ÍNDICE CÁLCULOS
1.2 CÁLCULOS................................................................................................222
1.2.1 CÁLCULO PAR DE FRENADA NEUMÁTICO-ASFALTO....................................222
1.2.1.1. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS RELATIVOS A LA
DISTRIBUCIÓN DE PESOS ESTÁTICOS DEL VEHÍCULO.............................222
1.2.1.2. CONSECUENCIAS DINÁMICAS EXPERIMENTADAS EN LA
DECELERACIÓN DE UN VEHÍCULO. ..............................................................223
1.2.1.3. EFECTO DE LA TRANSFERENCIA DE PESOS SOBRE LOS NEUMÁTICOS.....
................................................................................................................................225
1.2.1.4. CÁLCULO DEL BALANCE ÓPTIMO DE FRENADA.......................................227
1.2.2 CÁLCULO PAR DE FRENADO DISCO-PASTILLA ...............................................228
1.2.2.1. REPARTO DE FUERZAS EN EL PEDAL DE FRENO Y EFECTO DEL
DISTRIBUIDOR DE FRENADA. .........................................................................229
1.2.2.2. PRESIONES GENERADAS POR LAS BOMBAS DE FRENO...........................230
1.2.2.3. DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN EL INTERIOR DE CONDUCTOS.........231
1.2.2.4. FUERZAS LINEALES GENERADAS EN CADA PINZA DE FRENO. .............231
1.2.2.5. FUERZAS DE FRICCIÓN GENERADAS EN EL DISCO DE FRENO. .............232
1.2.2.6. PARES GENERADOS POR EL CONTACTO DISCO-PASTILLA ....................233
1.2.2.7. PARES Y FUERZAS TRANSMITIDAS A LOS NEUMÁTICOS. ......................234
1.2.2.8. DECELERACIÓN DEL VEHÍCULO....................................................................236
1.2.2.9. DISTANCIA DE FRENADO.................................................................................236
222
1.2 CÁLCULOS
1.2.1 CÁLCULO PAR DE FRENADA NEUMÁTICO-ASFALTO
1.2.1.1. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS RELATIVOS A LA
DISTRIBUCIÓN DE PESOS ESTÁTICOS DEL VEHÍCULO.
Bajo condiciones de aceleración nula, un vehículo posee una distribución de
pesos constante que se distribuye como un porcentaje establecido del total a las 4
ruedas del vehículo. En una vista lateral, la suma del peso de la rueda delantera
izquierda y derecha será igual al soportado por el eje delantero, y de igual forma
sucederá con el eje posterior. Si estos valores son conocidos, entonces podemos
rápidamente calcular la distribución estática de pesos en el vehículo:
� Donde Pd = Fuerza vertical del eje delantero (Peso)
� Donde Pt = Fuerza vertical del eje trasero (Peso)
� Donde P = Fuerza vertical total del vehículo (Peso total)
Distribución peso delantero = %17.52100230
120100 =⋅=⋅
P
Pd
Distribución peso trasero = %83.47100230
110100 =⋅=⋅
P
Pt
223
Si la distribución de pesos estática es conocida, entonces el cálculo de la posición
horizontal del centro de gravedad (CG) es simplemente función de la geometría del
vehículo:
mmWBP
PCG t
xd 52.7361540230
110, =⋅=×=
mmWBP
PCG d
xt 48.8031540230
120, =⋅=×=
� Donde CGd,x = Distancia desde el eje delantero al CG.
� Donde CGt,x = Distancia desde el eje trasero al CG.
� Donde WB = Distancia entre ejes (Batalla)
De estas relaciones es naturalmente demostrable que:
mm
WBCGCG xtxd
154048.80352.736
,,
=+
=+
1.2.1.2. CONSECUENCIAS DINÁMICAS EXPERIMENTADAS EN LA
DECELERACIÓN DE UN VEHÍCULO.
Siempre que un vehículo experimenta una deceleración, la fuerza efectiva
neta o peso ejercido en cada rueda cambiará.
224
Mientras que el peso total del vehículo permanece constante, la fuerza
ejercida sobre el eje delantero experimentará un incremento mientras que el eje
trasero decrecerá en la misma medida. Como podemos seguir en la siguiente
relación, dicha magnitud es función de la deceleración y geometría del vehículo:
NPWB
h
g
aTP cgv 45.5858.9230
1540
250
8.9
68.15 =⋅⋅
⋅
=×
×
=
� Donde TP = Peso absoluto transferido desde el eje trasero al delantero.
� Donde g = Aceleración de la gravedad
� Donde hCG = Distancia vertical del CG al suelo.
Para calcular la distribución real de fuerzas sobre los ejes delanteros y
traseros debemos seguir las siguientes expresiones:
225
NTPPP ddd 45.176145.5858.9120, =+⋅=+=
NTPPP tdt 55.49245.5858.9110, =−⋅=−=
� Donde Pd,d = Peso sufrido por el eje delantero durante la deceleración.
� Donde Pt,d = Peso sufrido por el eje trasero durante la deceleración.
De estas expresiones es sencillo comprobar que para una determinada
deceleración se cumple que:
PPP dtdd =+ ,,
225455.49245.1761 =+
1.2.1.3. EFECTO DE LA TRANSFERENCIA DE PESOS SOBRE LOS
NEUMÁTICOS.
Cuando un vehículo experimenta una transferencia de pesos, la capacidad de
frenada de cada eje se ve alterada, Así la máxima fuerza de frenada que un eje es
capaz de producir se ve modificada de la siguiente manera::
NPF ddf 32.281845.17616.1, =⋅=×= µ
NPF ttf 08.78855.4926.1, =⋅=×= µ
226
Como se puede comprobar en las expresiones anteriores, la transferencia de
pesos incrementa la capacidad de frenada del eje delantero mientras que disminuye la
del eje trasero.
Dese cuenta que este análisis asume que µ es constante durante la
deceleración.
De esta forma la fuerza total máxima de frenada vendrá determinada por la
suma de las fuerzas desarrolladas por el eje delantero y trasero del vehículo:
NFFF tfdf 4.360608.78832.2818,,max =+=+=
Basándonos en las leyes de Isaac Newton, si una fuerza es ejercida sobre un
cuerpo este experimenta una aceleración. Si esta aceleración se opone a la dirección
del movimiento se denomina deceleración. En el caso de nuestro vehículo que
experimenta una fuerza de frenada, la deceleración será igual al siguiente factor:
2max /68.15230
4.3606sm
m
Fa
v
v ===
� Donde av = deceleración del vehículo.
Así, el par de frenado de oposición al movimiento del vehículo se obtiene a
través del radio efectivo de los neumáticos:
227
: mNRFN ddfd ⋅=⋅⋅=⋅= − 122.6341022532.2818 3,
mNRFN ttft ⋅=⋅⋅=⋅= − 318.1771022508.788 3,
� Donde Rd = Radio efectivo del neumático delantero (brazo del momento)
� Donde Rt = Radio efectivo del neumático trasero (brazo del momento)
1.2.1.4. CÁLCULO DEL BALANCE ÓPTIMO DE FRENADA.
Para alcanzar el equilibrio óptimo de frenada, o alcanzar una eficacia del
100%, el cociente de fuerzas de frenado delanteras y traseras deberá ser igual al
cociente de fuerzas verticales delanteras y traseras. Bajo condiciones dinámicas, esto
implica que:
dt
ttren
dd
dtren
P
F
P
F
,
,
,
, =
55.492
08.788
45.1761
32.2818 =
En base a esta relación podemos llegar a la conclusión de que el cociente de
las fuerzas de frenada delanteras y traseras es un parámetro fijo basado en el
dimensionamiento de los componentes del sistema, la relación entre las fuerzas
verticales delanteras y traseras es una variable basada en la deceleración y geometría
del vehículo. Esto indica que la relación puede solo ser optimizada para una
determinada deceleración del vehículo y unas condiciones determinadas.
228
1.2.2 CÁLCULO PAR DE FRENADO DISCO-PASTILLA
Con el sistema de frenos adoptado y perfectamente definido, podemos pasar a
estudiar y calcular cuales son las fueras, momentos y presiones que se desencadenan a
lo largo de nuestro sistema de frenos hasta alcanzar el disco de freno, provocando así
un par de frenado, valor que no debe exceder el máximo esperado por el contacto
neumático asfalto como ya se ha comentado. Por tanto, basándonos en las
características de nuestro vehículo, y que son presentadas a continuación, obtendremos
el par de frenado disco-pastilla:
� Peso delantero: 120kg
� Peso trasero: 110kg
� Def disco: 208mm
� Dbd: 17.8mm
� Dp,b: 41.3mm
� µpad: 0.45
� µasfalto: 1.6
� Fe, p max: 204N
� Relación pedal: 4.8:1
� Altura CG: 250mm
� Batalla (WB): 1540mm
� Radio neumático: 225mm
� Repartidor de frenada: +28.3%
229
1.2.2.1. REPARTO DE FUERZAS EN EL PEDAL DE FRENO Y EFECTO
DEL DISTRIBUIDOR DE FRENADA.
El pedal de freno sirve para multiplicar la fuerza ejercida por el pie del
conductor. De la estática elemental podemos comprobar como el incremento de la
fuerza será igual a la fuerza aplicada por el conductor multiplicado por la relación del
pedal de freno:
NL
LFF peps 2.9798.4204
1
2,, =⋅=×=
Valor que será repartido a partes iguales a cada una de las bombas de freno si
el repartidor de frenada se encuentra en posición de equilibrio, en nuestro caso
particular debido al diseño del sistema debemos posicionar dicho repartidor de tal
forma que incremente en un 0.283 la fuerza ejercida sobre el sistema hidráulico
delantero.
( ) NF
F ps
drfs 15.6282
2.972)283.01(
21 ,
,, =⋅+=⋅+= α
( ) NF
F ps
trfs 04.3512
2.972)283.01(
21 ,
,, =⋅−=⋅−= α
230
1.2.2.2. DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES GENERADAS POR LAS
BOMBAS DE FRENO.
La principal responsabilidad de la bomba de freno es transformar la fuerza
aplicada por el conductor en el pedal de freno al sistema hidráulico en forma de
presión.
rfsbe FF ,, =
� Donde F,e,b = Fuerza a la entrada de la bomba.
� Donde Fs,rf =Fuerza a la salida del repartidor de frenada.
Si asumimos la condición de incompresibilidad de los líquidos y rigidez
infinita en los conductos hidráulicos, la presión generada por la bomba de freno será
igual a:
2,,
, /54.285.248
15.628mmN
A
FP
b
dbe
db ===
2,,
, /41.185.248
04.351mmN
A
FP
b
tbe
tb ===
� Donde Pb = Presión hidráulica generada por la bomba de freno.
� Donde Ab = Área efectiva del pistón de la bomba de freno.
231
1.2.2.3. DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN EL INTERIOR DE LOS
CONDUCTOS.
La principal responsabilidad del líquido de frenos, conductos y manguitos es
la de transmitir la presión hidráulica desde la bomba de freno a las pinzas de freno
localizadas en cada una de las ruedas del vehículo. Debemos decir que los conductos
utilizados en el sistema son de material flexible, a pesar de ello, de nuevo asumiendo
incompresibilidad del líquido e infinita rigidez de los conductos, en estas condiciones
la presión transmitida a las pinzas de freno será igual a:
bpistón PP =
2, /54.2 mmNP dpistón =
2, /41.1 mmNP tpistón =
� Donde Ppistón = Presión hidraúlica transmitida a la pinza de freno (caliper).
1.2.2.4. FUERZAS LINEALES GENERADAS EN CADA PINZA DE FRENO.
La principal función de la pinza de freno es transformar la presión hidráulica
transmitida a través de los conductos en una fuerza mecánica lineal.
232
2,, 64.339864.133954.21 NAPnF pistóndpistónpistonesdpinza =⋅⋅=⋅⋅=
NAPnF pistóntpistónpistonestpinza 82.188964.133941.11,, =⋅⋅=⋅⋅=
� Donde Fpinza = Fuerza lineal mecánica generada por la pinza de freno.
� Donde Apistón = Área efectiva del pistón de la cara de la pinza de freno
mencionada.
� Donde npistones = número de pistones que actúan sobre la pastilla.
1.2.2.5. FUERZAS DE FRICCIÓN COMO CONSECUENCIA DEL
CONTACTO DISCO-PASTILLA.
Su responsabilidad es generar una fuerza de fricción en oposición a la
rotación del disco de freno. Esta fuerza de fricción se relaciona con la fuerza de
mordaza creada por la pinza de freno de la siguiente forma:
NFF paddpinzadfricción 1521,7445.064.3398,, =⋅=⋅= µ
NFF padtpinzatfricción 850,4245.082.1889,, =⋅=⋅= µ
� Donde Ffriction = Fuerza de fricción generada por la oposición a la rotación del
disco de freno producido por las pastillas de freno.
233
� Donde µpad = Coeficiente de fricción entre las pastillas y el disco de freno.
A su vez la presión que ejerce la pastilla sobre el disco suponiendo que no
sufre deformación alguna durante el proceso sería la siguiente:
2,
, /93.674.22
74.1521cmN
A
FP
pad
dpinza
dpad ===
2,
, /96.374.22
42.850cmN
A
FP
pad
tpinza
tpad ===
1.2.2.6. PARES DE FRENADO GENERADOS POR EL CONTACTO DISCO-
PASTILLA.
Como hemos visto, el disco de freno constituye el principal disipador de calor
del sistema de frenos. Pero además una de sus principales responsabilidades es la de
generar un esfuerzo de torsión en función de la fuerza de fricción creada en las
superficie de las pastillas de freno. Este esfuerzo está relacionado con la fuerza de
fricción a través de la siguiente expresión:
NmRFN efdfriccióndfrenado 52.31620874.152122 ,, =⋅⋅=⋅⋅=
NmRFN eftfriccióntfrenado 88.17620842.85022 ,, =⋅⋅=⋅⋅=
234
� Donde Nfrenado = Esfuerzo de torsión o par generado por el disco de freno.
� Donde 2 responde a la utilización conjunta de dos pastillas en posición
opuesta.
� Donde Ref = Radio efectivo del disco. Distancia comprendida entre el centro
de rotación del disco al centro de presión de los pistones.
1.2.2.7. PARES Y FUERZAS TRANSMITIDAS A CADA UNO DE LOS
NEUMÁTICOS.
Debido a que el rotor está mecánicamente unido al hub y a la rueda, y
considerando que el neumático se encuentra rígidamente unido a está, el par será
constante a través del conjunto de elementos de rotación:
neumáticorueda NNN ==
� Donde Nneumático = Esfuerzo de rotación en el neumático.
� Donde Nrueda = Esfuerzo de rotación en la rueda.
Asumiendo que existe una adecuada tracción (fricción) entre el neumático y
la calzada que asegure una correcta frenada, el neumático desarrollará un esfuerzo de
oposición al esfuerzo de rotación generado previamente por la rueda. Dicho valor
será función de las características del neumático, pero la fuerza de reacción generada
como respuesta en la calzada será:
235
NR
NF
neumático
ddiscofrenado
dneumático 76.1406225.0
52.316,,
, ===
NR
NF
neumático
tdiscofrenado
tneumático 08.393225.0
88.176
2
1
2
1 ,,
, =⋅=⋅=
� Donde Fneumático = Fuerza de reacción entre el neumático y la calzada
(asumiendo que existe fricción suficiente para soportar la fuerza)
� Donde Rneumático = Radio efectivo del neumático (brazo del momento)
Hasta este punto nuestro análisis ha consistido en el estudio de un único
conjunto de frenos instalado en una única rueda; sin embargo, debido a que nuestro
vehículo posee un sistema de frenos en cada rueda, debemos considerar realmente
cuatro fuerzas de reacción del neumático sobre la calzada. Debido a esto, la fuerza
total de frenada se define como la suma de las cuatro fuerzas:
NFF TDTIDDIneumáticoDtotal 69.3599,,, ==∑
� Donde Ftotal = Fuerza total de reacción entre el vehículo y la calzada
(asumiendo una adecuada tracción)
236
1.2.2.8. DECELERACIÓN DEL VEHÍCULO.
Basándonos en las leyes de Isaac Newton, si una fuerza es ejercida sobre un
cuerpo este experimenta una aceleración. Si esta aceleración se opone a la dirección
del movimiento se denomina deceleración. En el caso de un vehículo que
experimenta una fuerza de frenada, la deceleración será igual al siguiente factor:
2/59.1230
69.3599sm
m
Fa
v
totalv ===
� Donde av = deceleración del vehículo.
1.2.2.9. DISTANCIA DE FRENADO.
Integrando la deceleración de un cuerpo en movimiento con respecto al
tiempo nos permite determinar su velocidad. Integrando de nuevo dicha expresión
podemos determinar su posición. Aplicando esta relación a un vehículo que
experimenta una deceleración linear, la distancia de frenada teórica de un vehículo en
movimiento puede ser calculada de la siguiente forma:
ma
vD
v
vf 64.24
59.12
77.27
2
22
=⋅
=⋅
=
� Donde SDv = Distancia de frenada
2. PLANOS
ÍNDICE PLANOS:
2.1 LISTA DE PLANOS 1
2.2 PLANOS 3
2.1. LISTADO DE PLANOS
1
2.1 LISTADO DE PLANOS
2.1.2 PLANOS DE CONJUNTO
� Nº 0 VISTAS 3D CATIA
Sin escala. DIN A2
� Nº 1 CONJUNTO SISTEMA DE FRENOS
Escala 1/10. DIN A2
2.1.3 PLANOS DE SUBCONJUNTO
� Nº 1.01 SUBCONJUNTO DISCO-PINZA DE FRENO
Escala 1:2. DIN-A3
� Nº 1.02 SUBCONJUNTO PEDAL DE FRENO
Escala 1:2. DIN-A3
� Nº 1.01.01 SUBCONJUNTO PINZA DE FRENO
Escala 1:2. DIN-A3
2
2.1.4 PLANOS DE DESPIECE
� Nº 1.02.01 PIEZA PEDAL DE FRENO
Escala 1:2. DIN-A4
� Nº 1.01.02 PIEZA DISCO DE FRENO
Escala 1:2. DIN-A3
� Nº 1.01.01.01 PIEZA CUERPO INTERNO PINZA DE FRENO
Escala 1:2. DIN-A3
� Nº 1.01.01.05 PIEZA CUERPO EXTERNO PINZA DE FRENO
Escala 1:2. DIN-A3
2.2. PLANOS DE CONJUNTO
1540516
437
437
994
1085.8
494
125
2.3 PLANOS DE SUBCONJUNTO
81
A
A
B
B
2.4. PLANOS DE DESPIECE
32H6
8H6
160
R105.9
21.3
132
R19
13
31
46.9
2R
33.5 25 20.5
2.51
14.61
A
A1 07.4
50
286.8
45
5 20
A
5 7.73
7.8
5.11
20
8.45
H68x
52
±0.25
2.75 ±0.25
81.24 ±0.25
10±0
.05
R
35.71
±0.25
146
90
30.5±0.05
R
B
A
A
248
±0.25
170
±0.25
131
±0.25
7 ±0.05
162
±0.25
1 ±0.05
167
±0.25
2.5 ±0.05
6 ±0.05
45
±0.25
A
9.5
R
44.48
53
16.46
3R
22
1 16.75
5.5
R
54.1
1
2.5
4.2R
A
A
10
42.9
15.5
17
29.65
9
A
135.
1
R
12.75
22.75
23
14.5
3 1.42
5R
144
62.5 5.75
11.5
R
52.4
22.1
36.75
63.5
23.14
B
B
5
1.5
10.8
38.57
14.5
3
92 6.42
19.3
9
6.85R
9.27
10.8
0 .5 1.5
2.5
2
1.5
1R
13.13
45.28
41.28H6
23.5
A
B
1
8
3.5
1 7.9
15
51.1
1
3R
16.46
1.75
R
29.5
R
A
A
63.5
52.4
36.75
22.1
31.42 62.5 5.75
14.5
23.14
23
22.75
135.1
R
12.75
5R
35.9
2
C
C
17
42.9
15.5
A
38.57
5
26.42
9
14.5
3
144
10.8
9.27
4R
6.85R
20.43
2
2.5
0.5
1.5
1R
1R
23.5
1.5
45.28
41.28H6
13.13
B
3.5
11
1
35.84
3. PLIEGO
ÍNDICE PLIEGO:
3.1 CONDICIONES TÉCNICAS Y PARTICULARES 1
3.2 CONDICIONES GENERALES Y ECONÓMICAS 5
3.1 . PLIEGO DE CONDICIONES
TÉCNICAS
1
3.1 CONDICIONES TÉCNICAS
3.1.1 GENERALIDADES
3.1.1.1 OBJETO DEL PLIEGO DE CONDICIONES
El presente Pliego tiene por objeto establecer las especificaciones mínimas
que deberá cumplir el sistema de frenos diseñado para cubrir las exigencias de
frenada de un determinado vehículo tipo Fórmula SAE.
3.1.1.2 PRESUPUESTO
El presupuesto global del proyecto será de DOS MIL QUINIENTOS
EUROS (2.500 €.). Esta cantidad incluye la unidad de las características definidas
en el presente Pliego de Condiciones Técnicas, los complementos adicionales
especificados, y la repercusión del impuesto sobre el valor añadido.
3.1.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
� El vehículo deberá estar equipados por un sistema de frenos que actúe en
las cuatro ruedas.
� El sistema debe ser accionado desde un solo mecanismo de control.
� Debe tener dos circuitos hidráulicos independientes de tal forma que si se
produjera una avería en cualquier punto del sistema la frenada estaría
2
asegurada en al menos dos de las cuatro ruedas.
� Cada circuito hidráulico debe tener su propio sistema de almacenamiento
de fluido, bien sea, por el empleo de depósitos independientes, o bien, por
el empleo de un único depósito con separación interna.
� Los sistemas de "freno por cable" están prohibidos.
� La posibilidad de utilizar un único elemento de freno que actúe sobre un
diferencial autoblocante. será aceptado.
� El sistema de frenado deberá ser protegido contra posibles daños que
pudieran producirse en averías eventuales o en colisiones de baja
importancia y gravedad.
� No se permitirá, bajo ningún concepto, la utilización en el sistema
hidráulico de conductos realizados en material plástico o sin blindaje de
protección.
� El sistema deberá ser lo más sencillo posible de tal forma que simplifique
al máximo las operaciones de mantenimiento que tendrán que ser
realizadas íntegramente por los integrantes del equipo Fórmula SAE 2006.
3
� El sistema debe ser lo más ligero posible de tal forma que contribuya a
reducir al máximo el peso del vehículo, mejorando así su comportamiento.
� El diámetro máximo de los elementos frenantes no podrá ser mayor que el
diámetro de la llanta, establecida en 13 pulgadas.
� Se aconseja la utilización de frenos de disco como alternativa a emplear en
el diseño del sistema..
� La máxima fuerza de accionamiento del sistema deberá estar comprendida
entre 175 y 220N para impedir provocar la fatiga del conductor durante la
competición.
� Se debe evitar el bloqueo de cualquiera de los dos ejes del vehículo bajo
condiciones normales de funcionamiento del sistema, y dado el caso,
deberá proveerse el bloqueo del eje delantero con anterioridad al trasero
por constituir la situación menos desfavorable.
� Se debe prever que las dimensiones del conjunto del pedal de freno
permitan su instalación dentro del habitáculo sin producir interferencias
con ningún otro elemento del vehículo. Así también se debe posibilitar la
opción de regular su colocación de tal forma que permita adaptarse a las
características de cada conductor.
4
� El sistema de frenos debe ser lo más robusto posible de tal forma que no
permita movimientos trasversales contrarios a su movimiento natural, en
definitiva no debe ser inestable.
� Las bombas de freno deben ser adecuadamente elegidas asegurando que la
potencia de su muelle de retorno permita retraer el pedal de freno hasta su
posición de equilibrio una vez eliminada la presión por parte del
conductor.
� Se deberá tener en cuenta que la batalla del vehículo está establecida en
1540 mm, la altura del CG en 250 mm, así como la distribución de pesos
será de 120 Kg. en el eje delantero y 110 Kg. en el trasero habiendo ya
incluido el peso del conductor, de tal forma que adaptemos los esfuerzos
de frenada a las exigencias marcadas en cada eje.
� La máxima deceleración admisible vendrá determinada por el compuesto
que elijamos como neumático, y así también, por las condiciones
metereológicas que afecten al estado del asfalto en cada momento.
3.2 . PLIEGO DE CONDICIONES
ECONÓMICAS Y
GENERALES
5
3.2 CONDICIONES ECONÓMICAS
3.2.1 ACEPTACIÓN DEL PEDIDO
Salvo Acuerdo explícito y escrito por ambas partes, no se aceptarán otras
condiciones de compra que las que se indican en el presupuesto, del que las
presentes condiciones generales forman parte integrante.
3.2.2 DEFINICIÓN DEL SUMINISTRO
Si a juicio del comprador, hay alguna indeterminación en el objeto del
presente pedido, lo deberá comunicar al fabricante, que es quien únicamente podrá
tomar decisiones al respecto.
3.2.3 PRECIOS
Los únicos recargos por impuestos y arbitrios sobre el precio son los relativos
a la aplicación del impuesto sobre el Valor Añadido (IVA) o impuesto General
Indirecto Canario, en su caso.
El fabricante tiene derecho a efectuar una revisión de los precios
presupuestados, si la aceptación del pedido se pretendiese efectuar con tres meses
posteriores a la emisión del presupuesto.
6
3.2.4 PLAZOS DE ENTREGA
Los plazos de entrega son los que consten en lo presupuestado, objeto de
pedido. En caso de incumplimiento total o parcial, el comprador tendrá derecho a
aplicar la penalidad por demora que crea oportuna siempre que se haga constar en
el pedido.
3.2.5 LUGAR DE ENTREGA DE LA MERCANCÍA
Si no se convino que le lugar de entrega de la mercancía sea el de su destino
final, esta será entregada sobre camión del cliente, en las instalaciones donde ha
sido elaborada.
3.2.6 EMBALAJES, TRANSPORTE Y SEGUROS
Todo tipo de embalajes, transporte y seguros aplicables a la mercancía serán
por cuenta del cliente, salvo que se acuerde explícitamente lo contrario en el
pedido.
7
3.2.7 GARANTIAS
La garantía tendrá vigencia de 12 meses a partir de la puesta en servicio del
sistema.
Todos los equipos y accesorios del pedido estarán garantizados contra todo
defecto de fabricación, diseño y materiales empleados. La garantía incluye la
sustitución de cualquier material, equipo o suministro defectuoso, por
funcionamiento incorrecto o avería sistemática.
El fabricante se compromete a sustituir en el menos tiempo posible las piezas
o elementos que se consideren necesarios para el buen funcionamiento del equipo.
3.2.8 JURISDICCIÓN
El pedido se regirá por la Ley española y cualquier diferencia que surja entre
las Partes con respecto a su interpretación, cumplimiento, ejecución o su
terminación parcial o total, se resolverá mediante arbitraje de derecho sujeto a la
Ley 36/1988 de 5 de Diciembre y disposiciones complementarias. Dicho arbitraje
se celebrará en Madrid.
8
3.2.9 ORDEN DE PRELACIÓN
El pedido se convierte en contrato con la aceptación por ambas partes,
quedando anulado todo tipo de documentación anterior a la que no se haga
referencia en el mismo.
4. PRESUPUESTO
ÍNDICE PRESUPUESTO:
4.1 MEDICIONES 1
4.2 PRECIOS UNITAREROS 2
4.3 SUMAS PARCIALES 3
4.4 PRESUPUESTO GENERAL 4
4.1. MEDICIONES
1
4.1 MEDICIONES
� Conjuntos Disco-Pinza de freno
Denominación Código Fabricante Cantidad Disco de freno sólido CP2866-211G4 AP Racing 3 Pinza de freno CP3696-6E0 AP Racing 3 Pastillas de freno ferodo 4003 FCP342C Ferodo 2 cajas
� Conjunto Pedal-Bomba
Denominación Código Fabricante Cantidad Conjunto pedal CP5500-7 AP Racing 1 Bomba de freno CP2623-91PRT115 AP Racing 2 Depósitos de fluido CP4709-13 AP Racing 2 Repartidor de frenada CP5500-9UNF AP Racing 1 Mando regulador de frenada CP2905-8 AP Racing 1
� Sistema hidráulico
Denominación Código Fabricante Cantidad Líquido freno AP600 CP3600 AP Racing 3 Cooper Gaskets KL44517 AP Racing 10 Tubería freno Dash-3 411-03 JLS 7m 90º Extended Neck Banjo A82-3D JLS 3 90º Swept Female (Swivel) A86-3D JLS 3 Double Banjo Bolts A49-3D JLS 1 Single Banjo Bolts A43-3D JLS 1 Male Flare 815-3HC JLS 5 Socket A41-3D JLS 2 Coated Aluminium Tube LP060100150 JLS 4m 37ª Flare Tube Sleeve 819-4D JLS 2 Jic (AN) Caps 37º Flare 820-4D JLS 2
1
4.1 MEDICIONES
� Conjuntos Disco-Pinza de freno
Denominación Código Fabricante Cantidad Disco de freno sólido CP2866-211G4 AP Racing 3 Pinza de freno CP3696-6E0 AP Racing 3 Pastillas de freno ferodo 4003 FCP342C Ferodo 2 cajas
� Conjunto Pedal-Bomba
Denominación Código Fabricante Cantidad Conjunto pedal CP5500-7 AP Racing 1 Bomba de freno CP2623-91PRT115 AP Racing 2 Depósitos de fluido CP4709-13 AP Racing 2 Repartidor de frenada CP5500-9UNF AP Racing 1 Mando regulador de frenada CP2905-8 AP Racing 1
� Sistema hidráulico
Denominación Código Fabricante Cantidad Líquido freno AP600 CP3600 AP Racing 3 Cooper Gaskets KL44517 AP Racing 10 Tubería freno Dash-3 411-03 JLS 7m 90º Extended Neck Banjo A82-3D JLS 3 90º Swept Female (Swivel) A86-3D JLS 3 Double Banjo Bolts A49-3D JLS 1 Single Banjo Bolts A43-3D JLS 1 Male Flare 815-3HC JLS 5 Socket A41-3D JLS 2 Coated Aluminium Tube LP060100150 JLS 4m 37ª Flare Tube Sleeve 819-4D JLS 2 Jic (AN) Caps 37º Flare 820-4D JLS 2
4.2. CUADRO DE PRECIOS
2
4.2 CUADRO DE PRECIOS
� Conjuntos Disco-Pinza de freno
Denominación Código Fabricante Precio (€) Freno de disco sólido CP2866-211G4 AP Racing 94.61 Pinza de freno CP3696-6E0 AP Racing 137.66 Pastillas de freno ferodo 4003 FCP342C Ferodo 47.14
� Conjunto Pedal-Bomba
Denominación Código Fabricante Precio (€) Conjunto pedal CP5500-7 AP Racing 234.95 Bomba de freno CP2623-91PRT115 AP Racing 75.43 Depósitos de fluido CP4709-13 AP Racing 38.29 Repartido de frenada CP5500-9UNF AP Racing 205.00 Regulador de frenada CP2905-8 AP Racing 77.97
� Sistema hidráulico
Denominación Código Fabricante Precio (€) Líquido freno AP600 CP3600 AP Racing 13.87 Cooper Gaskets KL44517 AP Racing 0.85 Tubería freno Dash-3 411-03 JLS 9.96 90º Extended Neck Banjo A82-3D JLS 16.69 90º Swept Female (Swivel) A86-3D JLS 27.735 Double Banjo Bolts A49-3D JLS 4.25 Single Banjo Bolts A43-3D JLS 4.25 Male Flare 815-3HC JLS 5.65 Socket A41-3D JLS 3.95 Coated Aluminium Tube LP060100150 JLS 5.45 37ª Flare Tube Sleeve 819-4D JLS 1.20 Jic (AN) Caps 37º Flare 820-4D JLS 2.55
4.3 . PRESUPUESTOS
PARCIALES
3
4.3 PRESUPUETOS PARCIALES
� Conjuntos Disco-Pinza de freno
Denominación Código Cantidad Precio total Freno de disco sólido CP2866-211G4 3 283.83 Pinza de freno CP3696-6E0 3 413.40 Pastillas de freno ferodo 4003 FCP342C 2 cajas 94.28
Precio Neto 791.51 € � Conjunto Pedal-Bomba
Denominación Código Cantidad Precio total Conjunto pedal CP5500-7 1 234.95 Bomba de freno CP2623-91PRT115 2 150.86 Depósitos de fluido CP4709-13 2 76.58 Repartido de frenada CP5500-9UNF 1 205.00 Regulador de frenada CP2905-8 1 77.97
Precio Neto 745.36 € � Sistema hidráulico
Denominación Código Cantidad Precio total Líquido freno AP600 CP3600 3 41.61 Cooper Gaskets KL44517 10 8.5 Tubería freno Dash-3 411-03 7m 69.72 90º Extended Neck Banjo A82-3D 3 50.07 90º Swept Female (Swivel) A86-3D 3 80.205 Double Banjo Bolts A49-3D 1 4.215 Single Banjo Bolts A43-3D 1 4.215 Male Flare 815-3HC 5 28.125 Socket A41-3D 2 7.89 Coated Aluminium Tube LP060100150 4m 21.86 37ª Flare Tube Sleeve 819-4D 2 2.37 Jic (AN) Caps 37º Flare 820-4D 2 5.05
Precio Neto 323.83 €
4.4. PRESUPUESTO GLOBAL
4
4.4 PRESUPUESTO GLOBAL
1 Und. Sistema de frenos adaptado a un vehículo tipo monoplaza destinado a
participar en la competición Formula Student. Sus principales características son las
siguientes:
� Deceleración máxima permisible 1.6m/s².
� Fuerza máxima de accionamiento del pedal 200N.
� Doble circuito hidráulico independiente.
� Dos discos delanteros independientes externos de Ø248mm fabricados
en fundición gris, modelo CP2866-211G4.
� Un disco trasero montado sobre el diferencial de Ø248mm fabricado
en fundición gris, modelo CP2866-211G4.
� Tres pinzas de freno fijas de simple pistón de Ø48.3mm, modelo
CP3696-6E0, fabricadas en aleación de aluminio anodizado.
� Repartidor de frenada ajustable desde la posición del conductor,
modelo CP5500-9UNF.
� Mando regulador del repartidor de frenada modelo CP2905-8.
� Conjunto de pedal de freno realizado en aluminio modelo CP5500-7.
� Latiguillos flexibles de trenzado de alambre de acero inoxidable y
resida de Teflón T62. Código LP060100150 y Ø3.2 mm interior.
� Conducto rígido de aluminio y protección en poliamida 12 de Ø4 mm
interior.
5
� Líquido de frenos AP600 modelo CP3600.
� Dos Bombas de frenos modelo CP2623-91PRT115 de Ø17.8 mm
pistón y 115 mm longitud de vástago.
� Dos depósitos de fluido modelo CP4709-13 y 75cm³ de capacidad.
� Diversos adaptadores y conectores.
Denominación Código Cantidad Precio total Freno de disco sólido CP2866-211G4 3 283.83 Pinza de freno CP3696-6E0 3 413.40 Pastillas de freno ferodo 4003 FCP342C 2 cajas 94.28 Conjunto pedal CP5500-7 1 234.95 Bomba de freno CP2623-91PRT115 2 150.86 Depósitos de fluido CP4709-13 2 76.58 Repartido de frenada CP5500-9UNF 1 205.00 Regulador de frenada CP2905-8 1 77.97 Líquido freno AP600 CP3600 3 41.61 Cooper Gaskets KL44517 10 8.5 Tubería freno Dash-3 411-03 7m 69.72 90º Extended Neck Banjo A82-3D 3 50.07 90º Swept Female (Swivel) A86-3D 3 80.205 Double Banjo Bolts A49-3D 1 4.215 Single Banjo Bolts A43-3D 1 4.215 Male Flare 815-3HC 5 28.125 Socket A41-3D 2 7.89 Coated Aluminium Tube LP060100150 4m 21.86
Precio Neto total 1860.7 € Base IVA 16.0 % Importe IVA 297.71 € TOTAL 2158.41 €
Madrid 28 de junio de 2006
Jesús Rodríguez Ortega
