Mapas mecánicos y dinámicos de frenos de disco en diferentes condiciones de funcionamiento

Abstract

Las condiciones de operación durante el proceso de frenado en un automóvil afectan el contacto tribológico entre la pastilla y el freno de disco, influyendo así en los tiempos y distancias de frenado y, de manera más significativa, en la seguridad del proceso de frenado. Este trabajo matemático tuvo como objetivo proporcionar una visualización general del comportamiento mecánico, dinámico y térmico del freno de disco bajo diferentes condiciones de operación a través de mapas 2D de la potencia disipada, el tiempo de frenado y la distancia de frenado de un freno de disco con una hoja de ventilación tipo N-38. Sin embargo, la energía disipada en el freno de disco en términos de temperatura se analizó considerando la ley de enfriamiento de Newton y cálculos matemáticos a través de teorías clásicas del comportamiento dinámico y mecánico de los frenos de disco. Para este propósito, la Metodología de Superficie de Respuesta (MSR) y el modelo de ajuste de Mínimos Cuadrados Ponderados por la Distancia (MMPD) consideraron diferentes condiciones de operación del freno de disco. Los resultados demuestran que los frenos de disco pueden utilizarse eficazmente en condiciones operativas severas, con una velocidad de 100 km/h y una temperatura ambiente de 27 °C, sin afectar la seguridad de los ocupantes ni del sistema de frenado ni de la pastilla. Para las diferentes condiciones evaluadas, la temperatura instantánea alcanza valores de 182,48 y 82,94 °C, donde el valor más alto se encontró para una desaceleración total de 100 km/h a 0, lo que representa una distancia total de frenado de alrededor de 44,20 a 114,96 m dependiendo del ángulo de inclinación (θ). Además, la disipación de energía en los frenos de disco depende en gran medida de la geometría del disco, las palas y la pastilla, el tipo de material, los parámetros y las condiciones de operación del vehículo, como se puede verificar con un cálculo matemático para validar la contribución de la eficacia del proceso de frenado durante su funcionamiento real.