Para garantizar
la seguridad de los automovilistas, investigadores del Instituto Politécnico Nacional (IPN) construyen discos de freno con un diseño geométrico interno que
permite una ventilación más eficiente que previene deformaciones,
agrietamientos térmicos, fracturas y deterioro o falla prematura.
Se trata de un proyecto de
investigación que coordina la catedrática e investigadora de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), Unidad Azcapotzalco, Guadalupe Juliana Gutiérrez Paredes, con el
apoyo de los estudiantes de las maestrías en Ingeniería en Manufactura y en
Ciencias en Termofluidos, César Jiménez García y Miguel Ángel Ordaz Flores.
Gutiérrez Paredes explicó que la
idea de realizar un nuevo concepto de diseño geométrico interno de los discos,
surgió luego de realizar pruebas en banco dinamométrico asistidas por una
cámara infrarroja en discos de freno convencionales de autos de servicio rudo
como patrullas.
Se observó que al frenar en
condiciones súbitas, los componentes de los discos alcanzaron temperaturas de
más de 800 grados centígrados, lo cual provoca deformaciones, fracturas,
fisuras, manchas, desgaste o la falla
total antes de concluir su vida útil.
La
investigadora politécnica indicó que el promedio de vida de los disco es de 10
años; sin embargo, hay empresas que introducen materiales de muy baja calidad y
prácticamente registran fallas desde los 5 mil kilómetros, es decir, menos de
un año de vida.
“Es
un problema muy severo que hay que analizar y resolver. Nos percatamos que el
diseño de las balatas de los automóviles no es el adecuado por los materiales
de fricción y representan un mayor
desgaste al disco. Por ello analizamos y seleccionamos algunos materiales que
ayuden a controlar la eficacia del roce y procuren la mayor compatibilidad con
el material del disco para evitar la generación del estrés termomecánico o
inestabilidad termoelástica”, apuntó.
Dijo
que para incrementar su durabilidad, los discos deben ser fabricados con más y
mejores elementos de aleación como níquel, cobre, cromo y molibdeno, entre
otros aleantes. “En México la mayoría de
las empresas que fabrican discos son transnacionales, sin embargo, también
existen pequeños fabricantes nacionales a quienes podríamos ayudar para que
incorporen la tecnología generada en el IPN”, señaló.
Refirió
que a simple vista los daños no son apreciados, pero los discos se distorsionan
térmicamente y eso provoca vibraciones en el sistema de frenos, que es el
padecimiento más común del sistema al frenar. “Si a un auto patrulla se le suma
el peso adicional de los tumba-burros
que normalmente les incorporan, el deterioro de los frenos se agrava al momento
del frenado”, agregó.
Mencionó
que como parte de otro proyecto de investigación, diseñaron materiales más
tecnológicos (hierro gris más aleado) para la fabricación de discos de freno y
con esos materiales se ha abatido el daño por la temperatura al momento del
frenado súbito, ya que sólo ascendió a 350 o 400 grados centígrados de acuerdo
con las pruebas de termografía infrarroja que se practicaron.
La
investigadora de la ESIME Azcapotzalco señaló que mediante el nuevo diseño
geométrico se busca disipar la temperatura lo más rápido y eficientemente
posible. “La energía mecánica se transforma en energía calorífica y por ello
nos enfocamos a lograr que la superficie del disco disperse lo más pronto
posible el calor y evitar así la generación de daños severos”, expuso.
Para
experimentar la funcionalidad del nuevo diseño del disco de freno y evaluar la
parte de resistencia aerodinámica, elaboraron un prototipo en acrílico que fue
probado bajo las técnicas de velocimetría específicas en modelos de agua y
viento, es decir, una vez que el prototipo se sumerge en el líquido se
incorporan al fluido trazadores (pequeñas cuentas fluorescentes) a las que se
rastrea con un sistema de láser e imágenes producidas por una cámara rápida
para evaluar el potencial de ventilación del disco.
Destacó
que el análisis de la trayectoria de los trazadores permite determinar si el
régimen del sistema es efectuado en un flujo laminar o turbulento. Cuando el
régimen de flujo es turbulento, el medio de enfriamiento se entrampa, estanca y
se concentra en determinadas zonas del disco, lo que impide la disipación del
calor de manera eficiente y provoca daños sobre el componente.
Con
ese estudio comprobaron que el diseño de la nueva geometría de las aletas o
pilares de los discos propicia un flujo laminar, ya que se disipa rápida y
eficientemente el aire y con ello se beneficia la integridad del componente.
César
Jiménez García y Miguel Ángel Ordaz Flores recalcaron que los discos de freno
son componentes altamente críticos en el automóvil, por lo que modificar su
geometría interna fue una tarea complicada y, para llegar al prototipo final,
realizaron múltiples diseños que fueron evaluados por modelación y simulación.
Asimismo,
realizaron múltiples pruebas de velocimetría y de transferencia de calor,
evaluaron la forma óptima para evitar el estancamiento del aire y una vez
obtenida la geometría óptima hicieron cambios de ángulos a cada uno de los
pilares y establecieron el número adecuado de cada uno de ellos para tener el
mejor flujo de aire en el disco. “Toda esa información se integrará en un
reporte final y estará disponible para alguna empresa mexicana que se interese
por la tecnología desarrollada en el IPN”, indicaron.
Fuente: Comunicación Social
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