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DISCO DE FRENO TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN MECÁNICA

ALEXANDER SATRÚSTEGUI LOPETEGUI ALBERTO PÉREZ FERNÁNDEZ JAIME ECHAPARE LEZAUN DANIEL JIMÉNEZ CARRILLO

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN 2. MATERIALES 3. PROCESO DE FABRICACIÓN 4. DISEÑO

Introducción Los frenos de los coches pueden ser de dos tipos principalmente, frenos de tambor, este tipo de frenos fueron inventados por Louis Renault en 1902 y son los más antiguos de los dos, consisten en un tambor que gira al mismo tiempo que las ruedas. Dentro de este tambor hay un par de zapatas que en el momento de la frenada son presionadas contra el tambor produciendo fricción y provocando que se detenga el vehículo.

Estos frenos de tambor tenían muchos problemas, puesto que no podían disipar con facilidad el calor producido por la fricción entre el tambor y las zapatas. Otro inconveniente fue que había que ajustar regularmente las zapatas hasta que en los años 50 se inventó un sistema automático con el que ya no era necesario ajustar las zapatas continuamente.

Entre los años 60 y 70 se fue gradualmente dejando de fabricar coches con frenos de tambor en el eje delantero y comenzaron a aparecer los frenos de disco.

Los frenos de disco presentan una gran ventaja frente a los frenos de tambor ya que disipan mucho mejor el calor producido por la fricción.

Los frenos de discos pueden ser de diferentes materiales, cerámicos, de fundición, de materiales compuestos… Consisten en un disco al cual se le realizan unos agujeros estratégicos para disipar el calor, este disco gira solidario con el eje de las ruedas y en este caso hay unas pinzas que cuando se presiona el pedal de frenado estas se aprietan contra el disco produciendo una gran fricción, lo que provoca la frenada del vehículo.

En este trabajo vamos explicar los diferentes diseños que hay dentro de los frenos de discos, los materiales de los que se hacen estos frenos y por último su proceso de producción.

Las partes de un disco de freno son:

MATERIALES: En los discos de frenos se buscan por un lado materiales que sean capaces que trabajar a altas temperaturas sin perder sus propiedades, puesto que la fuerza de frenado se traduce en grandes cantidades de calor, y por otro lado materiales que sean duros para así poder aguatar el mayor número de ciclos posibles.

Los frenos de coches pueden estar compuestos de diferentes materiales como:  Discos de frenos cerámicos: Están compuestos de carburo de silicio un material muy resistente a la abrasión (tiene un punto de fusión de 1700º, más que suficiente para este tipo de aplicaciones) y extremadamente duro. Estas características son ideales para este tipo de frenos ya que por su naturaleza necesitan ser duros para aumentar los ciclos de vida necesarios y ser capaces disipar la energía de frenado a través de energía calorífica. También están entrelazados con fibras de carbono las cuales absorben las tensiones que le llega a los frenos.

Poseen un 50% menos de peso frente a los frenos convencionales, una duración de hasta 300.000 Km y frenan de 100 Km/h a 0 Km/h en 3m.

 Discos de frenos de fundición gris nodular de grafito laminar: Tiene un porcentaje de hierro alto entre el 92-93%, además del hierro tiene otros componentes como el silicio y el manganeso que garantizan una alta calidad de frenado. El silicio le aporta la dureza necesaria para no desgastarse y alargar su vida útil y el manganeso mezclado con el hierro provocan una aleación inoxidable.

 Discos en materiales compuestos en matriz de carbono: Este tipo de discos son muy caros y no podrían usarse en los coches convencionales, solo se usan en coches de fórmula 1, aviones,… que tienen unas exigencias de frenado mucho mayores. Están compuestos de una matriz de carbono reforzada con fibra de carbono, estos discos se denominan discos carbono-carbono. Este es un compuesto mucho más resistente a las altas temperaturas por lo que mantiene mucho mejor sus propiedades a muy altas temperaturas, llega a los 700ºC sin variar sus propiedades e incluso a picos de 850ºC en frenadas fuertes, y es también más ligero y resistente que los discos de freno convencionales de fundición o cerámicos.

 Discos de freno 911 Turbo. Están hechos de compuesto de Carbono en una base Cerámica para darle la resistencia a las altas temperaturas que operan. Los discos son de color negro (por el carbono) y cerámica como compuesto base, por eso a medida que se desgastan se desprende un polvo negro. Las pastillas que usan estos discos son también de carbo-cerámica o de carbono. La principal ventaja de estos frenos es su bajísimo peso, su altísimo poder de frenado y su gran poder estructural que evita roturas, grietas y fallas a altas temperaturas. Pueden detener un vehículo

de 320 Km/h a 0 km/h en menos de 30 metros. Nos se usan mucho debido a su alto coste.

Ya que la dureza es una de las propiedades que se busca en los materiales que componen los frenos de disco, debido a que constantemente están rozando contra las pastillas de freno y esto produciría un desgaste considerable en los discos si estos no tuviesen un alto grado de dureza. Hemos realizado un ensayo de dureza Vickers para los frenos de disco cerámicos (carburo de silicio) y para los discos de acero inoxidable. Este tipo de ensayo consiste en medir la sección que deja una prensa cuando introduce una punta de diamante (se suelen usar diamantes sintéticos ya que son más baratos y tienen mejores propiedades que los diamantes naturales) en forma de pirámide cuadrada sobre el material del que se desea conocer la dureza durante un corto periodo de tiempo de 10-15s. A partir de la sección medida sacamos el diámetro medio que deja la huella y mediante unas formulas se obtiene la dureza vickers. Ensayo del carburo de silicio: En este ensayo vamos a aplicar una fuerza de prensado de 10 Kp sobre una lámina de carburo de silicio durante 15s y luego la retiraremos.

Al bajar la prensa y retirarla nos queda una superficie de 3.45 x mm2. Con este dato sacamos el diámetro medio de la huella: S=

d=

d=0.08mm

Conocido el diámetro podemos sacar la dureza Vickers con la siguiente formula: Hv=1.854x =2900 Kp/mm2. Donde: S= superficie de la huella en mm2 d=diámetro medio en mm. P=fuerza de prensado en Kp.

Ensayo de acero inoxidable: Vamos a usar una fuerza de prensado de 30 Kp sobre una lámina de acero inoxidable durante 15s y luego la retiraremos y mediremos la superficie de la huella: La superficie de la huella nos da S=0.168mm2 ahora a partir de la superficie vamos a sacar el diámetro medio con la siguiente formula: S=

d=

d=0.0.558mm

Como podemos observar ya vamos viendo indicaciones de que el acero es menos duro que el carburo de silicio, ya que primeramente en el acero nos da una huella más grande que en el SiC, lo que indica que la punta de diamante ha podido penetrar más en este material que en el SiC. Ahora vamos a sacar la dureza vickers de la misma manera que antes:

Hv=1.854x =180 Kp/mm2. Donde: S= superficie de la huella en mm2 d=diámetro medio en mm. P=fuerza de prensado en Kp. Como podemos observar el carburo de silicio es un material más duro que el acero inoxidable, aunque al ser más duro es también más frágil, por lo que dependiendo de la situación usamos un material u otro para fabricar los discos. Aunque la dureza no es la única condición para la elección del material de freno también entran en juego la capacidad para disipar el calor y la fragilidad.

PROCESO MATERIALES

La materia prima utilizada en la fabricación de discos de freno procede de latas de refrescos o de conservas de la fabricación inicial. Otras materias proceden de acero de carrocería que sobra de las fabricas de automoción.

Estas provienen en forma de cubo porque es más fácil su manipulación. Y aparte se reutiliza el material sobrante en nuestro proceso. Para transportar el material al horno se utiliza un imán capaz de soportar 700 kg.

FUNDICIÓN

Introducimos en un horno de inducción las materias primas más aditivos (grafito, ferrosilicio, ferrotitanio y cobre) para dotar al material de mejores propiedades. Dicho horno tiene una capacidad de 20 toneladas y tarda en fundir todo el material alrededor de 45 minutos hasta conseguir una temperatura de 1500 ºC.

Aproximadamente a los 10 minutos de fundición comienza a separarse el material metálico del no metálico de las materias primas, que flota en la superficie. A esto le llamamos escoria, la cual se retira mediante una grúa y unas pinzas.

A través de unos recipientes se lleva el líquido del horno a la zona de moldeo.

MACHO

Para el moldeo del líquido se necesita la fabricación del macho. Este sirve para intercalarlo entre los moldes y que cree unos huecos que faciliten su

ventilación. Va en el interior de un molde como si fuera el relleno de un Sandwich (molde exterior, macho, molde exterior).

Es un disco de ventilado ya que una vez echado el hierro, las zonas vacías del macho se rellenan dejando unas ventanas por las que pasa el aire. Las ventanas se forman con las paletas que contiene el macho. El macho está formado una base de arena a la que se añaden resinas y aditivos. Una máquina llena unas huellas con la forma del macho y le introduce un gas para endurecer dicha arena. A continuación se le da un recubrimiento refractario con una pintura con base de agua. El manipulador lo deja en la cinta del horno y ahí a unos 100ºC para que desaparezca la humedad de la pintura. A continuación la introducimos en le transportador de machos y se iría a la línea de moldeo. hacemos un disco ventilado para que dure mas ya que para atravesarlo el aire del frenado se refrigere.

MOLDE

El molde se hace con arena negra formado con varias sustancias. Una de ellas es la bentonita que hace que se peguen los granos de arena, necesaria para moldear el molde y que tenga forma.

Se pone en contacto con unas placas modelo que hacen la forma que queremos que obtenga el disco.

El macho hay que meterlo en el moldeo.

En la línea de moldeo se hacen los moldes. La arena llega a las placas que tiene grabadas la forma del disco, se cierran y dejan esa forma en la arena.

Se hacen los moldes de dos en dos. De este proceso sale un bloque rectangular de arena con las hendiduras por donde entrará el hierro, que tomará la forma del disco de freno.

SOLIDIFICACIÓN

Se echa el caldo dosificando molde a molde el hierro en cada unidad y esperamos a que solidifique obteniendo las piezas.

A continuación las piezas van avanzando por una cinta a la vez que se van enfriando. Llegan a una bandeja vibrante que lo transporta a un cilindro que contiene otra bandeja vibrante en espiral para alargar la línea de enfriamiento.

En este proceso el molde ha perdido la forma y la arena se separa del hierro por la vibración. Separamos el hierro útil del que no es útil.

MECANIZADO

Este proceso consiste en eliminar material de aquellas partes del disco que son más importantes. Se arranca material hasta acabar la pieza. La pieza inicial es de unos 10-11 kg de la cual eliminaremos unos 2 kg. La pieza se coloca en un cabezal que puede estar girando a unas 3000 revoluciones. Con plaquitas de material cerámico muy duro se quita material y se va puliendo la pieza. Hacemos mecanizado más fino en las zonas del disco mas críticas como pueden ser las pastillas de freno o donde se va apoyar el disco dentro del vehículo.

Se taladran los agujeros gracias a los cuales se montan dentro del vehículo. A continuación verificamos si el tamaño y la posición de los agujeros están bien realizados. Hay que tener en cuenta a la hora de la fabricación que cada disco es específico para cada vehículo dependiendo de la potencia y el peso del coche.

Dentro del mecanizado el último paso es equilibrar la pieza. Se verifica donde hay mas material y lo eliminamos igualándolo. Este paso se realiza en una máquina la cual se encarga de calcular si la pieza está equilibrada y en caso de que no lo esté la equilibra con una presa quitándole material.

PINTURA

En algunos casos el cliente pide que se pinte la pieza, además de agregarle propiedades anticorrosivas para que no quede rojizo el disco. Cada 12 segundos se pinta un disco, pintando únicamente el borde exterior y el borde interior dejando sin pintar el centro ya que se trata del espacio para las pastillas de freno, las cuales levantarían la pintura. Por último un robot coge los discos y pintados y los introduce a un horno para su secado y así obtener el producto final.

DISEÑO: Los discos de freno, como ya se ha comentado con anterioridad, son la herramienta con la cual interactúan las pastillas para frenar la máquina o vehículo en el que dichos discos han sido instalados, ya que éstos giran solidarios a las ruedas de los vehículos o al rotor de algunas máquinas. El rozamiento entre los discos y las pastillas es lo que produce la transformación de energía; de cinética a calorífica provocando así la reducción de la velocidad. El disco no solo es la herramienta, que junto con las pastillas nos proporcionan este cambio de energía. El disco elegido debe tener ciertas características en su diseño que le permitan disipar toda esa cantidad de energía rápidamente a la atmosfera, evitando así que el sistema PastillasDiscos no opere a temperaturas muy elevadas evitando así un colapso del sistema. Si bien es cierto que el diseño de unos discos a otros puede variar, su geometría por lo común es siempre la misma; un cilindro al que agarran las pastillas para producir la transformación de energía. Con el paso de los años se han ido añadiendo nuevas geometrías que acompañan al cilindro principal para mejorar la disipación del calor producido. Las partes de las que se componen la mayoría de los discos de freno de hoy día son:  La pista: Es la superficie dónde se produce la fricción que da como resultado el la transformación de energías, y diseñada para que se dé la mayor parte disipación del calor, llegando a ser como mínimo del valor de unos 250 W/cm2 , pero en geometrías que cuentan con ventilación interior este valor aumenta de manera considerable llegando a los 700W/cm2.

 La fijación: En la parte central del disco existe un agujero (taladro) en el que se aloja el buje, que por detrás incorpora unos chaflanes que ayudan al apoyo de la mangueta para que la fijación del disco sea perfecta. Alrededor del taladro donde se aloja el buje existen una serie de taladros menores que permite el paso de los pernos para el anclaje de las ruedas.  La campana: Es el cilindro que une la banda con el sistema de fijación que lleve el disco.  Filtro Térmico: Es un canal mecanizado que separa la pista de la fijación, que ayuda a reducir el calor que pasa de la pista a la campana.

El principio de funcionamiento de los frenos como ya hemos visto anteriormente se basa en que la energía cinética que lleva el vehículo debe de disiparse en forma de calor. Este calor se acumula principalmente en los discos, pero como es lógico éstos no pueden almacenarlo de manera infinita, por tanto la disipación a la atmosfera debe realizarse de manera eficiente. La forma más sencilla de lograrlo es que una corriente de aire atraviese el disco, funcionando así como un intercambiador de calor y ayudando a la disipación de calor de la superficie del disco.

Aquí entran en juego el filtro térmico y demás que ayudan a distribuir de manera uniforme el aire que procede de la atmosfera por todo el disco.

El disco ventilado es la composición de dos pistas separadas por aletas en su interior. Estas aletas garantizan la cohesión del disco permitiendo el paso de aire por su interior. Gracias a estas aletas, el enfriamiento del disco no solo se produce en la superficie exterior del disco sino que además se produce su enfriamiento por el interior. Otra de las mejoras a la reducción de calor que consigue la campana del disco es una ranura en forma de canal situada justo en la conexión entre la pista y la campana, es lo que antes hemos denominado el filtro térmico. Al reducirse la sección por la que pasa el calor el gradiente térmico aumenta, dando así una diferencia de temperaturas mayor entre la campana y el disco, en lo que se traduce como menos temperatura en la campana del disco.

A continuación os dejo los planos del freno de disco que hemos elaborado:

PLANOS