ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN DISCO DE FRENO

ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN DISCO DE FRENO HIPERVENTILADO DE UN GO-KART

Gabriela Mayorga1, Edwin Ramos2

Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica / Ingeniería Automotriz, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-L

mgmayorga2@espe.edu.ec, erramos3@espe.edu.ec

Resumen

En este artículo se estudia el comportamiento termodinámico de los discos de freno debido al calor producido por la fricción ejercida entre los discos y las pastillas que actúan mediante un sistema hidráulico. Al ejercer las pastillas presión sobre la superficie de contacto del disco se genera la fuerza de frenado.

En los discos de freno cuando la fuerza de frenado es muy fuerte se acumula una gran cantidad de calor en un período corto de tiempo lo que causa variaciones de magnitudes de temperatura elevadas. Esta condición puede presentar inconvenientes en su funcionalidad y comprometer la seguridad del sistema. Por ello, en esta investigación se simulará el comportamiento de la temperatura entre la superficie del disco de freno ventilado de un gokart con el propósito de comparar los resultados teóricos matemáticos con los obtenidos en el análisis de elementos finitos con el software Solid Works versión estudiantil.

Palabras Claves

Discos de freno, Disipación de calor, Análisis Termodinámico.

Abstract        

In this article the thermodynamic behavior of the brake discs is studied due to the heat produced by the friction exerted between the discs and the pads that act through a hydraulic system. When the pressure pads are exerted on the contact surface of the disc, the braking force is generated.

In the brake discs when the braking force is very strong a large amount of heat accumulates in a short period of time which causes variations of high temperature magnitudes. This condition may have drawbacks in its functionality and compromise the security of the system. Therefore, in this investigation, the behavior of the temperature between the surface of the ventilated brake disc of a gokart will be simulated with the purpose of comparing the mathematical theoretical results with those obtained in the finite element analysis with the software Solid Works student version.

Keywords

        Brake discs, Heat dissipation, Thermodynamic analysis.

1. Introducción

El sistema de frenos es, sin duda, el componente más importante para la seguridad vial del automóvil, debido a que de este depende la detención total o parcial del vehículo, y en consecuencia la integridad de sus pasajeros. Generalmente el 70% de la energía cinética producida en el movimiento es absorbida por los frenos de disco delanteros y el restante por el freno trasero, que suele ser de tambor. Estos sistemas se fundamentan en la fricción para detener el movimiento del vehículo, teniendo como principio la presión hidráulica que empuja las pastillas de freno contra el disco de hierro fundido. En consecuencia, el comportamiento que produce este tipo de dispositivos, a través de la energía cinética, es crear un calor considerablemente alto durante el frenado, aumentando la temperatura por fricción; este calor se disipa rápidamente con el aire circundante por medio del fenómeno de convección (transferencia de calor que se produce entre masas a diferente temperatura). Los factores ambientales también son determinantes para que la etapa de transferencia de calor se produzca, y debido a estos comportamientos el proceso de corrosión se acelera rápidamente. Además, cuando la temperatura alcanza valores elevados aparece el fenómeno por radiación, que también ayuda a disipar la energía en forma de calor almacenada en el disco [1].

Entre el disco y la pastilla, el coeficiente de fricción debe ser relativamente alto, pero lo más importante que sea estable. Se debe mantener un nivel constante con independencia de la temperatura, la humedad, el tiempo, el grado de desgaste y corrosión, la presencia de polvo y chorros de agua desde la carretera, etc. Además de estos requisitos de seguridad, vienen los requisitos para una larga vida y un alto confort, es decir, ausencia de vibración, ruido y chirrido. La importancia técnica del sistema de fricción y sus desviaciones significativas de la mayoría de situaciones de tribología, son situaciones de contacto que motiva a un estudio sobre la naturaleza del contacto tribológico en frenos de automóviles [2].

Durante frenadas normales, relativamente suaves la fuerza de presión la almohadilla contra el disco es de aproximadamente 5 (kN), lo que resulta en un valor nominal presión en la superficie de la almohadilla justo por encima de 1,2 (MPa). En situaciones extremas, la presión podría ser cerca de 10 (MPa). Durante frenadas duras, la disipación de potencia en una pastilla de freno fácilmente excede de 30 kW. Estas altas densidades de energía como resultado de altas temperaturas de la superficie y por lo tanto ponen exigencias especiales en los materiales de fricción [3].

1. DESARROLLO

La termodinámica es la cantidad de transferencia de calor de un sistema a otro mientras que la transferencia de calor se ocupa de la velocidad con que ocurre este cambio.

La transferencia de calor se da desde un medio de temperatura más elevado hacia otro de menor temperatura cesando cuando los dos medios tienen la misma temperatura. La forma de transferir calor se da de tres formas: conducción (sucede en sólidos, líquidos y gases cuando se encuentran juntas), convección (se produce entre un sólido y un líquido o gas que estén adyacentes en movimiento) y radiación (e presenta en forma de ondas electromagnéticas debido a los cambios eléctricos de los átomos, la transmisión de la energía de efectúa a la velocidad de la luz y no necesita de un medio interpuesto) [4].

1. Análisis térmico en los discos

El proceso de transferencia de calor que ocurre en los elementos del freno, durante el proceso de frenado, tiene la particularidad de ser inestable o transitorio, es decir, los fenómenos térmicos varían con el tiempo y la posición en el elemento en Hcuestión.

Para determinar la temperatura en el proceso de frenado de un vehiculo, fue necesario identificar los distintos factores que están involucrados en este proceso

 tales como: las características de la calzada (calzada seca, mojada, con hielo, etc.) en donde se desplaza el automóvil; masa del vehiculo, asociado a un centro de gravedad; velocidad final que se desea conseguir con la frenada; factor de adherencia entre el neumático y la calzada; temperatura del medio en el cual se desplaza el vehiculo. Además fue necesario tener en cuenta las características físicas de los materiales (tales como: la conductividad térmica, calor especifico, densidad de los materiales, difusividad térmica) de los elementos que están involucrados en el rose, es decir el disco de freno y las pastillas de freno.

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