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Simulación termomecánica del proceso de frenado mediante disco

ETSI Caminos, Canales y Puertos

Grado en Ingeniería de Materiales

Proyecto de Fin de Grado. Curso 2014-2015

Introducción y objetivos

Resultados

Autor: Rodrigo Muñoz Haro | Directores: Álvaro Ridruejo y Juan Carlos García Orden

Métodos

(a) Mapa de temperatura a t = 8s. (b) Evolución de la temperatura de un punto en la superficie del disco (azul) y en el interior (verde). (c) Temperatura en una sección media del disco que incluye las pastillas a t= 8 s. (d) Perfil de temperatura a lo largo de la línea A-A’ para distintos tiempos. La aplicación del freno cesa cuando t = 7s.

El correcto funcionamiento de los frenos de un vehículo es fundamental para proteger a sus ocupantes. El frenado un proceso complejo, con un fuerte acoplamiento termomecánico, en el que las pastillas rozan con el disco en rotación, de tal modo que la energía cinética se disipa en forma de calor. La fiabilidad del frenado depende de las temperaturas alcanzadas en los components y de la rapidez de su enfriamiento. El objetivo del proyecto es simular fielmente un proceso de frenado con enfriamiento para dos tipos de disco: uno macizo y otro ventilado.

Conclusiones

Disco estudiado: diseño Brembo para los modelos Ford Focus y Ford C-MAX (2004).

Ciclo de frenado estudiado: 1. Rotación inicial del disco a 72,5 rad/s (90 km/h). 2. Aplicación de 1 kN de fuerza a las pastillas (7s). Estudio de las tensiones y deformaciones, generación y transmisión de calor y del enfriamiento por radiación y convección. 3. Rotación libre (2,5s), mismo estudio.

Método numérico: método de los elementos finitos en el programa ABAQUS. Tipo de elementos:C3D4T, con acoplamiento completo mecánico-térmico. Nº de elementos | nodos:24442 | 5962 (disco macizo) || 39430 | 9916 (ventilado). 2970 | 819 (cada pastilla). Integrador temporal implícito. Algoritmo de contacto mediante penalización. Coef. de fricción dependiente de la temperatura: 0,532 si T< 100ºC, máximo (0,58) a 200ºC y mínimo (0,40) a 400ºC. Todo el trabajo de fricción se converte en calor. Coef. de película (convección): 51 W/(m²K). Emisividad (radiación): 0,31.

2) Disco ventilado

1) Disco macizo

• El análisis mecánico revela que la única concentración de tensiones relevante se produce en los huecos de los tornillos de union a la llanta. En cualquier caso, las tensiones permanecen lejos del límite elástico del material.
• El calor solo se genera en los contactos pastilla-disco. En el breve tiempo que dura el frenado, se da un incremento moderado de la temperatura en el disco debido a su considerable masa.. El calor se difunde desde la superficie al interior, incluso cuando la superficie empieza a enfriarse. La convección es el principal mecanismo de disipación de calor en el disco.
• La inferior masa del disco ventilado, junto con su mucha mayor superficie, hacen que el intercambio de calor con el exterior sea mucho más rápido que en el disco macizo.