Centro de Investigación y Desarrollo en Mecánica
Optimización del diseño en discos de freno para vehículos de competición.
Martinez Krahmer, D.;Maceira, G; Paredes, A.; Elvira G.
1º Parte: Análisis de Mecánica de los Fluídos
INTRODUCCION: La capacidad de disipar calor de un disco de freno con canales de ventilación, depende de la geometría de los canales, ya que según esta sea, puede favorecer o entorpecer el flujo de aire desde el diámetro interior d1 del disco, al diámetro exterior d2. La finalidad de este trabajo consiste en establecer un método gráfico-numérico que permita, dados unos datos primarios del diseño del disco ( Los diámetros d1 y d2), obtener un canal con una geometría adecuada que favorezca la circulación del aire en la dirección indicada.
DESARROLLO: Para realizar este estudio, se partió de la “Teoría de los hilos de corriente de una dimensión” y de las ecuaciones que rigen la circulación del fluido (Bernoullí para corrientes relativas y continuidad a través de los canales). Se designa como estado con subíndice 1 a aquel con que el fluído ingresa al canal y con subíndice 2 a aquel con que sale del mismo. Para facilitar la circulación del aire y como resultado de la forma de los canales (figura 1), se debe producir una caída de presión desde la entrada (p1) hacia la salida (p2) del disco. Este efecto se logra según sea el ángulo del álabe a la entrada (1), en combinación con el ángulo del álabe a la salida (2). Mediante un método gráfico-numérico que con datos que se obtienen de un CAD y se ingresan a una planilla de cálculo, se determinó un 2 máximo para que se verifique sea p1>p2; observando que el valor de 2 máximo es muy poco sensible a los cambios de d1. Teniendo en cuenta consideraciones respecto del diseño de los alabes y la influencia de la velocidad del automóvil podemos decir que: Definida una geometría d1 y d2 cualesquiera, toda vez que el 2 de diseño sea menor que el 2 máximo, estaremos en condiciones de asegurar p1 > p2. Se analizó también como varía la forma del canal, cuando se alteran los ángulos 1 y 2, con el objeto de lograr p1>p2, de donde se observa: A medida que aumenta el ángulo 1, el canal se hace cada vez más ancho y su longitud disminuye. A medida que aumenta 1, aumenta la diferencia de presión p1 p2. Estas conclusiones suponen que los alabes son infinitamente delgados; el espesor origina una disminución de las secciones libres para el flujo; en consecuencia, los alabes reales constituyen para la corriente de aire un estrechamiento en la entrada y un ensanchamiento a la salida del mismo, modificando las velocidades a la entrada y a la salida (estado1). Como resultado de aceptar el hecho que el disco posee un número finito de alabes ´z´, conjuntamente con la influencia del espesor de los alabes se propone una geometría contenida en la tabla adjunta que cumple la totalidad de las pautas propuestas y explicadas.
Parámetro
Denominación
Valor
.d1 (mm)
Diámetro a la entrada del flujo 250
.d2 (mm)
Diámetro a la salida del flujo
330
.b1 y b2 (mm) Anchos del canal a la entrada y salida 19
b0 (°)
Angulo del alabe antes de entrar 60
b3 (°)
Angulo del alabe después de salir 15
.zop
Número óptimo de alabes
27
.t1 (mm) Separación de alabes a la entrada 29.1
.t2 (mm)
Separación de alabes a la salida 38.4
.s1 y s2 (mm) b’1 (°)
b ’2 máx. (°) b’1 diseño (°) b’2 diseño (°)
dp (kg/m2)
Espes or promedio del alabe Angulo corregido a la entrada
Angulo máximo a la salida Angulo a la entrada de diseño Angulo a la salida de diseño
Salto de presión
4 56.16 11.14
56 10 2.7
2º Parte: Análisis de su Evolución Térmica
INTRODUCCIÓN El mejoramiento del diseño de este componente mecánico requiere, fundamentalmente, el análisis de: 1.- Geometría del canal de ventilación (Análisis de los fluidos). 2.- Disipación del calor generado durante el frenado. 3.- Tensiones térmicas y mecánicas. 4.- Peso En este trabajo se aborda el análisis de la evolución térmica del freno a partir del ingreso de calor originado por la fricción de las pastillas de freno. En base a las características del aire circulante (evaluado en 1ra parte: ANALISIS DE MECANICA DE LOS FLUIDOS ) se definieron las propiedades convectivas del componente. Se simuló un patrón de frenado para conocer las temperaturas alcanzadas en los mismos. Con estos resultados y en una tercera etapa se evaluará las tensiones de naturaleza térmica que se desarrollan en el freno.
ANÁLISIS TERMICO: (Simulación Computacional) Una severa distorsión térmica en un freno puede comprometer su comportamiento (desgaste prematuro, fisuración y vibraciones). En base a la geometría obtenida en la 1ra parte, se avanzó en conocer la evolución térmica del conjunto mediante simulación computacional (Método de los Elementos Finitos), mediante el programa COSMOS/M. En las figuras 2 y 3 se observan el freno (parcial) y la malla de elementos finitos analizada. Como estado de carga se propuso el calor generado durante sucesivas frenadas. Para esto, se aplicaron cuatro ciclos de calor (3 seg. c/u) cada 12 segundos, en las superficies expuestas a la acción de las pastillas de freno. El flujo calórico aplicado fue de 1.0E6 Watt/m2 y se partió de una configuración térmica inicial de 25oC. (Valvano T.et al). En las figuras 4 y 5 se puede ver la distribución de temperaturas en el componente para el instante de tiempo 60 seg. Para conocer la evolución en el tiempo de la temperatura en 4 puntos característicos del conjunto se representó su historia en el gráfico adjunto. Las tres primeras curvas de mayor temperatura alcanzada corresponden a 3 puntos de igual coordenada radial. La primera y segunda corresponden a puntos localizados en el disco interior y exterior respectivamente y la siguiente corresponde a un punto medio del alabe propiamente dicho. La cuarta curva describe lo sucedido en un punto alejado de la zona de alabes. Con estos valores de temperaturas se realizará, en una etapa posterior, la evaluación de deformaciones y esfuerzos de origen térmico para así determinar si comprometen la integridad estructural y buen funcionamiento del conjunto.
250
200
15 0
10 0
50
0
0
20
40
60
80
10 0
T ie m p o ( se g . )
Ver+/-
