Análisis Técnico – Frenos

Los frenos están diseñados para reducir la velocidad de un objeto, en este caso un vehículo, aunque probablemente no de la forma que la mayoría considera. El error común es que las pinzas de freno aprieten contra el tambor o el disco de freno y la presión que se ejerce al comprimirse es lo que frena.

Los frenos, esencialmente, son un mecanismo para cambiar el tipo de energía. Es decir, cuando viajas a una velocidad, el vehículo tiene energía cinética. Cuando se aplica el freno, las pastillas o zapats que presionan contra el tambor o el rotor, convierten la energía cinética en energía térmica a través de la fricción. El enfriamiento de estos frenos disipa el calor, y como consecuencia, el vehículo se ralentiza.

Todo esto tiene relación con la primera ley de la termodinámica, a veces conocida como la Ley de Conservación de la Energía. Dicha ley establece que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma.

En el caso de los frenos, ésta se pasa de energía cinética a térmica.

Debido a la configuración de las pastillas de freno y el rotor en un freno de disco, la ubicación y la fuerza angular del punto de contacto donde se genera la fricción también origina un momento mecánico que genera resistencia al movimiento del giro del rotor.

Por ejemplo, una persona que conduzca un trayecto largo con un coche en descenso, probablemente esté familiarizada con el desvanecimiento de los frenos, o lo que es lo mismo, el suceso que ocurre cuando los frenos se calientan demasiado.

Para quien no esté entrando en materia, por la primera ley de la termodinámica, cuando se desciende una carretera, los frenos del vehículo se empiezan a calentar y esto afecta a su rendimiento. Si se continúa bajando por este camino, los tambores o discos y pastillas de freno se mantendrán calientes sin opotunidad alguna de enfriarse. Por lo que la vez que se intente frenar, los componentes de los frenos estarán tan calientes que ya no se puede producir, ni absorber más calor.

disk-vs-drum-brake

Freno de disco vs freno de tambor.

En cada pastilla de freno está el material que hace fricción, junto con un tipo de resina. Una vez que estas pastillas se calientan en exceso, la resina comienza a vaporizarse formando gas.

Este gas tiene que ir a algún lugar, porque no puede estar entre las pastillas y el rotor, por lo que forma una capa delgada entre estos dos intentando escapar. El resultado es muy similar al aquaplanning cuando se va demasiado rápido en lluvia; las pastillas pierden contacto con el rotor, reduciendo así la cantidad de fricción. Se trata de una pérdida de frenos.

A medida que los componentes de los frenos se enfríen, su capacidad para absorber calor regresa. Si las pastillas se enfrían significa que tienen mayor oportunidad de calentarse de nuevo antes de que la resina se vaporice, y por tanto, la próxima vez que se utilicen los frenos, operarán correctamente.

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Este tipo de desfallecimiento de los frenos era más común en coches antiguos. Los coches modernos tienden a producir menos desgasificación de los compuestos de las pastillas de freno, pero todavía siguen sufriéndolo – siempre por el mismo motivo.

Con unas pastillas de freno nuevas, donde la mencionada desgasificación no es todavía un problema, las pastillas transfieren el calor a las pinzas debido a que los rotores ya están demasiado calientes y el líquido de frenos ha empezado a hervir como consecuencia – con su correspondiente burbujeo.

El aire se puede comprimir, el líquido de frenos no, por lo que pisar el pedal del freno no tiene efecto alguno – aunque logres pisar a fondo el pedal.

Esto sucede porque en este momento se intenta comprimir las burbujas de gas, en lugar de que las pastillas presionen los rotores. Los frenos desfallecen de nuevo.

¿Cómo solucionan los ingenieros esto? En los coches antiguos, al gas producido por la resina se le da un sitio al que ir. A los más modernos, se encuentra una manera de enfriar los rotores eficazmente. De cualquier manera siempre se termina con aperturas, ranuras o discos de freno ventilados.

Aunque añadir ranuras en la superficie reduce el calor específico del rotor, el efecto que tiene es insignificante, ya que los rotores no se calentarán ni se enfriarán ni mejor ni peor.

f1-2015-brakes

No obstante, al pisar el pedal con fuerza una vez que el sistema esté caliente y la resina se está vaporizando, las ranuras dan un sitio al que ir al gas, por lo que las pastillas seguirán en contacto con el rotor, permitiendo la fricción y por tanto, frenar.

¿Cómo funcionan rotores más grandes en un coche de competición? Los coches y motos de competición tienen rotores más grandes – el motivo está relacionado con el calor y la fricción, evidentemente.

Un rotor más grande significa que contiene más material y, por ende, mayor calor absorbido. Más material, significa que existe un área de superfcicie más grande, por lo que las pastillas pueden generar más fricción, traduciéndose en una mayor disipación de calor. Además de todo esto, rotores más grandes implican unas pastillas de freno que hacen contacto más lejos del eje de rotación. Esto ofrece grandes ventajas mecánicas en términos de resistencia al giro del propio rotor, explicando que con rotores más grandes, mayor energía de frenada.

Yendo un paso más allá, los rotores de carbono o de cerámica, como los que se encuentran en Ferraris de alta gama, Porsches, McLarens o en monoplazas de Fórmula 1, son incluso mejores en transferencia de calor.

Comprender todo el proceso de conversión de energía es crítico para entender cómo y por qué los frenos hacen lo que hacen y por qué están diseñados como son.

En Fórmula 1, se podrán observar grandes conductos dentro de la rueda apuntando al frente. Esto no más que para conducir el aire a los discos de freno y enfriarlos, ya que en una carrera de Fórmula 1, los frenos se usan cada pocos segundos de forma brutal y pasan mucho tiempo intentando mantenerse a la temperatura óptima. Sin esta ayuda, los frenos funcionarían durante las primeras pocas curvas, para posteriormente desvanecerse volviéndose inútiles a mitad de una sola vuelta.

Otra de las razones para estos conductos, es debido a que los rotores trabajan a unas temperaturas de entre 800-1000ºC, por lo que sin ventilación adicional el calor se verá transferido a las ruedas y los neumáticos tendrán un efecto negativo en al estabilidad del metal y el caucho.

Un apunte importante sobre los rotores perforados antes de comenzar a hablar sobre los frenos en Fórmula 1: estos rotores se encuentran normalmente en coches de competición. Esta perforación debilita a los rotores resultando típicamente en roturas de estos elementos. En los coches de competición esto no es un problema, ya que los frenos se cambian después de cada carrera o cada fin de semana. No obstante, en un coche de calle, esto puede terminar convirtiéndose en una insuficiente del rotor de freno – que no es lo deseado.

Los discos de freno son, en orden de magnitud, mejores deteniendo un coche que los frenos de tambor – por este motivo se encuentran frenos de disco en la parte delantera de los coches y motos de hoy en día.

Los vehículos deportivos con una mayor velocidad, necesitarán mejores frenos que aminoren su velocidad, por lo que también encontraremos frenos de disco en la parte posterior del mismo.

Los discos de freno en un Fórmula 1 consiste en un rotor y una pinza en cada rueda. Los rotores compuestos de carbono-carbono – introducidos por el equipo Brabham en 1976 – se utilizan en lugar del acero o el hierro fundido por sus propiedades de rozamiento superiores, térmicas y anti-deformación, así como un importante ahorro de peso. De forma extraña, los discos cerámicos no se han visto nunca en competición.

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La reglamentación técnica limita el diámetro y grosor de los discos, pero no hay mayores restricciones en esta zona del coche.

Estos frenos están diseñados y fabricados para operar a temperaturas extremas de hasta 1000 grados centígrados. No obstante, los discos de carbono operan correctamente entre los 300 y 800 grados. Por debajo de ello, los frenos no funcionan; mientras que por encima sufren un desgaste dramático con el aumento de la temperatura.

Los monoplazas de Fórmula 1, y de hecho todos los coches de carreras, tienen dos circuitos de freno independienes – uno delantero y otro trasero – que se unen en el pedal de freno. Un pivote sobre el pedal aporta una carga que se distribuye a las bombas de freno, de acuerdo con la posición del pivote en la barra que une el pedal a los pistones de la bomba de freno.

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El balance de frenos o la distribución de los frenos es controlado desde el cockpit, mediante los botones del volante.

Un equilibrio más fuerte en la parte delantera hace que el tren delantero se hunda más que el tren trasero, lo que significa un mayor peso a las ruedas delanteras. Además de tener mayor potencia de frenado, dotará al coche de un mejor contacto de los neumáticos con el asfalto lo que permitirá que el bólido gire con mayor facilidad en curva mientras se frena.

Un equilibrio de los frenos trasero más fuerte hará que las ruedas traseras se bloqueen ligeramente – depende de la fuerza de este balance – cuando la transferencia de peso de realiace hacia atrás, lo que puede causar algo de sobreviraje.

No es una mala cosa si se quiere inducir algo de sobreviraje en coches subviradores muy pesados. Demasiado balance de frenos hacia delante y las ruedas delanteras se bloquearán, lo que causará gran subviraje, lo que no es bueno. Demasiado balance hacia detrás puede producir que se bloqueen demasiado las ruedas traseras – demasiado sobreviraje – hasta llegar a un trompo.

Cualquier configuración tiene su causa y su efecto. Demasiado o insuficiente en un setup provocará efectos indeseados. Demasiado balance delantero y las ruedas se bloquearán originando subviraje. Insuficiente, y el monoplaza no se detendrá lo bastante rápido, forzando que el coche siga su camino hacia delante.

Un coche de Fórmula 1 medio puede decelerar de 100-0km/h en apenas 17 metros, comparado con un Porsche 911 Turbo de 2007 que lo hace en 31,4 metros.

Cuando se frena a velocidades altas, la resistencia aerodinámica – drag – permite una deceleración tremenda: entre 3,5 y 4G – 44,1 metros a 49m/s2 – y hasta los 5.5G en circuitos como Monza. Esto, indudablemente contrasta con los 1-1,5G que se soportan en los mejores coches deportivos. Un monoplaza de Fórmula 1 puede frenar de 200-0km/h en tan sólo 2,9 segundos en 65 metros.

Actualmente existen 3 compañías que fabrican estos sistemas de frenos. Hitco con sede en EEUU (forma pare del SGL Carbon Group), Brembo en Italia y Carbone Industrie (parte de Messier Bugatti) en Francia. Mientras Hitco fabrica su propio carbono-carbono, Brembo lo adquiere de Honeywell y Carbone Industrie de Messier Bugatti.

Los frenos de Fórmula 1 tienen un diámetro de 278mm y un máximo de 28mm de espesor. Las pastillas de freno de carbono-carbono son accionados por pinzas de entre 4-6 pistones opuestos proporcionados por AP Racing o Brembo. Las pinzas son de aleación de aluminio y pistones de titanio. La normativa limita el módulo del material de la pinza para prevenir el uso de materiales exóticos o de alta rigidez. Los pistones de titanio ahorran peso, pero también tienen una baja conductividad térmica, lo que reduce el flujo de calor en el líquido de frenos.

La fabricación del material de fricción de los frenos comienza con una fibra básica que es empleado en la producción de la tela de la fibra de carbono – del realizado el chasis de competición, es decir, PAN (poliacrilonitrilo).

Sin embargo, es un proceso realizado de manera totalmente distinta, que pasa a través de una deposición de carbono y etapas de oxidación a alta temperatura que dura varias semanas y transforman su estructura molecular, dando como resultado un material que, además de ofrecer un peso mucho más bajo en relación con los frenos de metal, proporciona una mayor durabilidad y una mayor capacidad térmica.

No obstante, este beneficio requiere un coste importante y un largo desarrollo que es necesario para ofrecer una refrigeración suficiente en los discos, pastillas, pinzas y otras partes vecinas antes de que el uso de los frenos de carbono se conviertan en útiles.

El material del disco y su pastilla varía de acuerdo a su fabricante. También se configura dependiendo de las características de cada circuito e incluso para cada piloto. A esto hay que sumar que para cada trazado, las propiedades de refrigeración varían de una a otra.

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En Melbourne o Hungaroring, por ejemplo, podemos ver perforaciones de alta densidad en todo el disco, ya que son circuitos duros con los frenos, por lo que las pastillas también se perforan en un intento de mantener frescos todo el sistema de frenos.

Los frenos y las pastillas se desgastan de igual forma, así que la brecha que hay de pocos milímetros en la superficie del disco y sus perforaciones es todo el desgaste que estas piezas podrán ver antes de fallar catastróficamente.

Como el desgaste aumenta con la temperatura, hay sensores que se utilizan para medir la temperatura de la superficie del disco, además de medir el interior y exterior de las pastillas.

Para monitorizar todas estas funciones en los frenos, se conectarán un array de sensores instalados en cada parte y conectados a la centralita electrónica (ECU) principal. En lugar de cablear sobre todo esto cruzando las suspensiones aumentando el cableado en el coche, hay un ‘hub’ colocado en la parte superior que recoge todas las señales y las pasa a la ECU a través de un solo cable.

Esta unidad de interfaz hub (HIU) es una parte común suministrada por McLaren Electronic Systems a todos los equipos. Esta HIU tiene entradas de los sensores de desgaste de las pastillas y temperatura del disco antes mencionados, así como un sensor de velocidad de rotación – dos en caso de que uno falle – y una célula de carga que mide las fuerzas de las barras push o pull en el caso de la suspensión.

Algunos datos interesantes:

  • 4 segundos aproximadamente es la cantidad de tiempo que le toma a un coche de Fórmula 1 pasar de 300km/h a una parada completa.
  • A 200 km / h, un coche de Fórmula Uno necesita sólo 2,9 segundos para detenerse por completo, en tan solo 65 metros.
  • A 100 km / h, estos valores son menores de la mitad: 1,4 segundos y 17 metros.
  • Bajo estos períodos de frenado tan fuertes, un piloto se somete a una deceleración horizontal de cerca de 5,2G.
  • El disco de freno está hecho de material compuesto de carbono-carbono y la temperatura de trabajo es de más de 1000ºC durante la frenada.
  • En Albert Park, durante la frenada de la segunda curva, un Fórmula 1 puede desarrollar 4,6G de carga y una potencia de 1855kW.

Jarno Trulli comentó en su día que: “El uso de los frenos de fibra de carbono requiere algo de tiempo para acostumbrarse a ellos. De hecho, durante los primeros milisegundos después de presionar el pedal del freno, sientes como si nada estuviera sucediendo”.

Este retraso se debe a la cantidad de tiempo que requiere el disco y la pinza para alcanzar la temperatura óptima de funcionamiento, aumentando 100ºC cada décima de segundo durante el primer medio segundo, hasta alcanzar los 1200ºC. Después de este periodo, la deceleración es inmediata y brutal.

Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google

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