Frenos Disco Ceramicos

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

INDUSTRI INJINERUEN GOIMAILAKO ESKOLA

UNIVERSIDAD DE NAVARRA - NAFARROAKO UNIBERTSITATEA

TRABAJO DE TRANSPORTES

FRENOS DE DISCO CERÁMICOS

Telmo Chávarri Lezama 69049

Iñaki Ciáurriz Munárriz 69020

Luis Martín-Hidalgo 72510

Trabajo de Transportes Frenos de disco cerámicos

? ? Agradecimientos: Los autores agradecen la colaboración del Centro Tecnológico de Materiales INASMET, especialmente Nerea Anacabe y María Jesús Jurado, por toda la ayuda prestada para la realización de este trabajo.

1. FRENOS DE DISCO .........................................................................................2

1.1. MECÁNICA Y FUNCIONAMIENTO.........................................................2

Mecanismos que componen el sistema .................................................................2

Características mas relevantes..............................................................................2

Posibilidades constructivas ..................................................................................3

1.2. MATERIALES UTILIZADOS......................................................................4

Materiales Orgánicos ...........................................................................................4

Materiales Metálicos............................................................................................4

Materiales cerámicos: carbono - carbono .............................................................5

2. COMPOSITES CARBONO – CARBONO (C/C) ............................................6

2.1. ESTRUCTURA DE LOS C/C .......................................................................6

Constituyentes de los materiales C/C: ..................................................................6

2.2. PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS C/C............................................7

2.3. ETAPAS PARA LA FABRICACIÓN DE C/C´s...........................................9

2.4. MÉTODOS DE FABRICACIÓN ................................................................10

Deposición / infiltración química en fase vapor ( CVD / CVI )...........................10

Impregnación líquida .........................................................................................10

Prensado en caliente (Hot-Press)........................................................................11

2.5. PROTECCIÓN ANTI-OXIDACIÓN ..........................................................12

3. FRENOS DE DISCO C/C................................................................................13

3.1. AVIACIÓN.................................................................................................13

Historia..............................................................................................................13

Esquema del freno de disco de un avión.............................................................13

Ventajas funcionales ..........................................................................................14

3.2. LA FÓRMULA 1 ........................................................................................15

Historia..............................................................................................................15

Problemas térmicos............................................................................................16

Diseño de discos y pastillas................................................................................18

Desgaste de los frenos........................................................................................19

Fabricantes ........................................................................................................20

3.3. VEHÍCULOS COMERCIALES..................................................................21


2

1. FRENOS DE DISCO

1.1. MECÁNICA Y FUNCIONAMIENTO

El elemento principal en este sistema de freno es un disco que gira solidario a

la rueda y por lo tanto a la misma velocidad que esta. Durante su giro, una parte el

mismo desliza por el interior de una pinza fija al chasis dentro de la cual existe un

juego de pastillas. Cuando el conductor trata de frenar, las pastillas se accionan por

medio de unos pistones que actúan en dirección perpendicular al disco y que al

rozarlo inicia la frenada del vehículo.

Mecanismos que componen el sistema

En primer lugar tenemos el disco montado sobre una pareja de cojinetes sobre

la mangueta. Esta pieza se halla solidaria a la misma llanta del vehículo, de modo que

gira al mismo tiempo que lo hace la rueda. En lo que se refiere a la parte estática

tenemos, además de la misma mangueta, la palanca porta freno a la cual se encuentra

fijada la pinza del freno .

Cuando se recibe presión del sistema hidráulico, se desplazan los pistones y

presionan sobre las pastillas, de modo que estas presionan el disco que gira y así se

consigue el frenado de la rueda. Cuando el pistón deja de recibir presión, es el mismo

disco el que separa las pastillas, de forma que el disco y la rueda vuelven a girar sin

oposición.

Características mas relevantes

Además de la sencillez mecánica, una de las cualidades mas importantes del

freno de disco es su alta capacidad para evacuar el calor generado durante la frenada.

Los frenos de disco disipan mucho mejor el calor hacia los demás elementos que lo

sostienen y sobre todo hacia el aire; esta es la principal ventaja que tienen sobre los

frenos de tambor. Como dato orientativo, para una frenada en la que se alcanzaran los

540ºC, los neumáticos no llegarían a los 100ºC y en el resto de elementos, la

temperatura no superaría los 60ºC . En cambio en unos frenos tambor no se disiparía

tanto y la temperatura a la que podrían llegar a los neumáticos estaría cercana a los

250ºC y de 170ºC en los demás elementos en contacto.


3

Los frenos de disco poseen una geometría que favorece la refrigeración pero

son mas vulnerables a la contaminación por agentes externos, como polvo, barro o

agua.

Posibilidades constructivas

Actualmente, las tres posibilidades constructivas que se utilizan en la

construcción de frenos de disco son:

- Pinzas y cilindros fijos (fig a): es la forma actualmente más utilizada.

- Pinzas y cilindro móvil (fig b)

- Pinza móvil y cilindro fijo (fig c)

Fotografía: Detalle de un freno de disco convencional para Porsche. 1:pinza de freno, que contiene a los

pistones y las pastillas. 2: disco de acero convencional (cast iron)


4

1.2. MATERIALES UTILIZADOS

La fricción y el desgaste de los frenos de disco dependen de los siguientes

factores:

- Diseño.

- Materiales utilizados, tanto en el disco como en las pastillas de freno.

- Temperatura de funcionamiento.

- Presión aplicada.

- Velocidad de rozamiento entre elementos.

El comportamiento a desgaste y fricción de los materiales utilizados en los

frenos es bastante complejo. Se utilizan materiales de fricción heterogéneos y

anisótropos para evitar inestabilidades termoelásticas debido a las altas temperaturas

de funcionamiento. Existen tres clases de materiales de fricción:

Materiales Orgánicos

Compuestos de fibra de asbestos de crisolita y una mezcla de aditivos. Estos

materiales presentan un desgaste menor que otros lo que los hace más baratos. En el

mercado se encuentra en la actualidad tres subclases de estos materiales de fricción:

- Con asbestos: son perjudiciales para la salud y apenas se fabrican.

- Sin asbestos, que usan una gran variedad de fibras reforzantes,

normalmente fibras de vidrio, metálicas y kevlar.

- Semi-metálicos: tienen una composición determinada donde, alrededor de

un 65% es hierro, 10-25% es lana de fibras y ,el resto, polvo de hierro.

Materiales Metálicos

Son compuestos a base de hierro y cobre con aditivos inorgánicos para

mejorar las propiedades. Han sido creados para aplicaciones que requieran una gran

potencia de frenado, como camiones de transportes pesado. Otro material muy

importante es el hierro fundido (cast iron), con el que se fabrican la mayoría de los

discos de freno de los turismos actuales.


5

Materiales cerámicos: carbono - carbono

Han sido creados para su uso en elementos rozantes de frenos para

aplicaciones militares y aeronáuticas.

Se ha extendido su uso últimamente en coches de carreras y donde no importa

tanto los costes de los elementos utilizados. De éstos vamos a tratar a continuación.


6

2. COMPOSITES CARBONO – CARBONO (C/C)

2.1. ESTRUCTURA DE LOS C/C

Los composites carbono-carbono, denominados C/C o CFRC (en inglés

Carbon Fibre Reinforced Carbon) son materiales formados por una matriz de carbono

o grafito en la que se embeben fibras de carbono o grafito de refuerzo. Así

combinamos la alta resistencia al esfuerzo de las fibras de carbono con la resistencia a

la temperatura y a agentes químicos que posee la matriz de carbono.

Constituyentes de los materiales C/C:

? ? Fibras de carbono:

Las fibras de carbono son la principal fibra de refuerzo de los materiales

compuestos. Se obtienen por procesos de degradación térmica a partir de materiales

orgánicos, normalmente poliacrilonitrilo (PAN). Las fibras pueden estar orientadas de

forma unidireccional, en 2-D o en 3-D dependiendo de las características que

queremos que posea nuestro material. Una buena alineación y direccionalidad de las

fibras de la matriz evita zonas de sobretensiones y mejora las propiedades

direccionales del material.

? ? Matriz de carbono:

La matriz de carbono se obtiene a partir de compuestos orgánicos, llamados

precursores, que se introducen entre las fibras de carbono y se someten a un triple

proceso de degradación térmica –pirólisis, carbonización y grafitización - por el que

se reducen a carbono (grafito).

Los materiales utilizados en la formación de la matriz son diferentes en

función de las características deseadas del material. La combinación de diferentes

precursores y el control de los diferentes tratamientos térmicos hace que se puedan

obtener una amplia gama de compuestos carbono-carbono.


7

2.2. PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS C/C

Los composites C/C tienen unas propiedades especiales, debido, en gran

medida a la introducción de las fibras de carbono en una matriz de carbono. Las

propiedades estructurales de los C/C´s están generalmente controladas por las

propiedades, fracción en volumen y disposición geométrica de las fibras.

Fotografía: Detalle de un composite C/C ampliado. Se pueden observar las fibras unidireccionales

embebidas en la matriz de carbono.

Podemos destacar las siguientes propiedades de los composites C/C:

1. Baja densidad: La densidad de estos materiales está entre 1400-2000

kg/m3. En general, a mayor densidad obtenida, mayor es la resistencia y la

rigidez de los C/C´s. Frente a las de materiales metálicos y aleaciones

convencionales como el aluminio, titanio, o acero: 2700, 4500 y 7200

kg/m3 respectivamente se observa que se consiguen grandes reducciones

de peso para los elementos estructurales.

2. Alta resistencia y rigidez: Además, la resistencia aumenta con la

temperatura. Mientras que el aluminio funde a 580ºC y el acero a 1400ºC,

los C/C´s aumentan su resistencia y rigidez hasta cerca de los 2000ºC y,

aunque empiezan a declinar a partir de los 2200ºC, soportan temperaturas

de hasta 3300ºC. Por ello es uno de los materiales más resistentes al

choque térmico.


8

Diagrama de variación de la resistencia con la temperatura para diferentes materiales estructurales.

3. Bajo coeficiente de expansión térmico: de hecho, es negativo para

temperaturas inferiores a 500ºC.

4. Buena resistencia a fatiga y a fluencia: estos materiales tienen un límite a

fatiga análogo al del acero. Se puede predecir un límite de fatiga infinito

para un 45-50% de la resistencia a tracción estática.

5. Baja fragilidad: comparada con otros materiales cerámicos es muy

resistente a la fractura.

6. Alta conductividad térmica: que decrece al aumentar la temperatura. Las

fibras de carbono son mejores conductores del calor que la matriz por lo

que un composite 2-D conduce el calor en los planos paralelos a las fibras

pero aísla la transmisión en sentido perpendicular a éstas .

7. Resistencia a la oxidación: Uno de los mayores inconvenientes en su

utilización es que estos materiales se oxidan fácilmente a partir de los 450-

500ºC .


9

2.3. ETAPAS PARA LA FABRICACIÓN DE C/C´s

En la fabricación de C/C´s podemos distinguir cinco etapas:

1. Formación de la preforma: primeramente se crea la estructura

multidireccional disponiendo las fibras según la ordenación direccional

establecida en función de las aplicaciones y solicitaciones finales del

material.

2. Infiltración: Se introduce el precursor en la preforma. Es muy importante

controlar la calidad de la materia prima que dará forma a la matriz. Los

materiales utilizados suelen ser sólidos (polvos de grafito), líquidos (resinas

o breas) o hidrocarburos gaseosos.

3. Carbonización: Las preformas, una vez que han sido infiltradas, se someten

a un proceso de carbonización en el que se forma la matriz de carbono por

reducción del precursor. Este proceso se lleva a cabo en atmósfera inerte a

unas temperaturas de entre 600 y 1100ºC.

4. Grafitización: Esta operación es opcional y se realiza en aquellos casos en

los que se desea que la matriz de los C/C´s se transforme en grafito. Este

proceso se realiza en un horno con atmósfera inerte mediante el

calentamiento del material a velocidad controlada y temperaturas superiores

a 2500ºC.

5. Densificación: Debido a la degradación del precursor al formar la matriz, se

produce una pérdida de volumen que trae consigo la formación de poros y

grietas que deben ser llenados para mejorar las propiedades mecánicas del

material. Para ello se repiten los procesos de infiltración, carbonización y

grafitización hasta obtener la densidad adecuada en el material.


10

2.4. MÉTODOS DE FABRICACIÓN

En la actualidad se utilizan tres procesos para fabricación de composites

carbono-carbono:

Deposición / infiltración química en fase vapor ( CVD / CVI )

Se procede depositando químicamente la matriz dentro de una preforma

porosa a partir de hidrocarburos gaseosos como metano, propano o benceno.

La preforma se coloca en un horno de tal forma que las fibras alcanzan una

temperatura mantenida superior a la de descomposición del hidrocarburo gaseoso,

normalmente entre 800 y 2000ºC. Los reactivos gaseosos se hacen fluir penetrando

en los poros de la preforma. Estos gases, al descomponerse por la acción de la

temperatura depositan una capa sólida en las superficies de las fibras de carbono. Al

continuarse el proceso de deposición, las fibras aumentan de volumen hasta que los

revestimientos de las fibras se unen manteniendo las fibras juntas y eliminando los

poros interiores.

Impregnación líquida

Es el primer método que se utilizó para la fabricación de composites C/C. Se

caracteriza por ser un proceso realmente lento que puede durar desde varios días hasta

un mes.

En este método, la matriz de carbono se introduce en la preforma mediante la

impregnación de las fibras con un material orgánico es estado líquido y la

carbonización del compuesto resultante en atmósfera inerte.

El precursor de la matriz utilizado tiene que tener un alto contenido en

carbono, para evitar grandes pérdidas de volumen durante la carbonización y una

viscosidad baja para que se pueda introducir entre los poros de la preforma.

Los compuestos orgánicos utilizados para la impregnación suelen ser resinas o

breas. La utilización de breas requiere la aplicación de latas presiones en el proceso de

impregnación debido a que la mayor viscosidad de las breas disminuye la penetración

en los poros de la preforma.


11

Además, la cantidad de carbono depositado tras la carbonización aumenta con

la presión aplicada durante la impregnación (desde un 50% a presión atmosférica

hasta cerca del 85% a 70 MPa).

Prensado en caliente (Hot-Press)

Este proceso es el más innovador y se dirige hacia una reducción del tiempo

de fabricación y de la complejidad del proceso.

En el proceso se utilizan polvos de coque, brea o resina que se introducen en

un molde termoplástico junto con las fibras de carbono. Después, se prensa en caliente

a unos 700ºC, lo que produce la pirólisis de la estructura, y se realizan tratamientos

térmicos secundarios en atmósfera inerte con lo que se consigue un material muy

bueno mecánicamente, con una disposición homogénea de las fibras y en un tiempo

relativamente rápido.


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2.5. PROTECCIÓN ANTI-OXIDACIÓN

Aunque los materiales CFRC pueden soportar temperaturas más elevadas que

ningún otro material (cerca de 3300ºC en vacío o atmósferas inertes) son muy

susceptibles a la oxidación a temperaturas superiores a 500ºC en atmósferas con

presencia de oxígeno. De hecho, el carbono arde a 593ºC.

La oxidación se produce por la formación de CO y CO2 lo que supone la

pérdida de parte del carbono estructural, aumentando la porosidad y, como

consecuencia, debilitando el material.

Es interesante evitar estos procesos de oxidación ya que las aplicaciones más

importantes de estos materiales son a altas temperaturas. Para ello se han desarrollado

tres métodos de protección anti-oxidación:

1. Recubrimientos: se utilizan recubrimientos exteriores como barrera

primaria frente a la oxidación. Los materiales utilizados suelen ser

normalmente SiC (carburo de silicio) y, a veces, Si3N4 (nitruro de silicio).

Estos materiales, en atmósferas oxidantes y altas temperaturas, forman una

capa delgada de vidrio de sílice que es impermeable al paso del oxígeno y

resistente a la oxidación. El problema es que la expansión térmica de esta

capa difiere de la de la matriz de carbono y por ello se generan grietas en el

recubrimiento.

2. Sellantes vítreos: impiden que el oxígeno alcance la matriz a través de las

grietas generadas en el recubrimiento. Son compuestos químicamente

compatibles con el carbono y el recubrimiento exterior. Normalmente se

utilizan compuestos de boro.

3. Inhibidores de la matriz: se introducen elementos en la matriz que actúan

como captadores de oxígeno. Los materiales empleados se basan en

compuestos de Boro (B) y Zirconio (Zr).


13

3. FRENOS DE DISCO C/C.

3.1. AVIACIÓN

Este es el campo de utilización más fuerte actualmente. Alrededor del 63% del

volumen de los composites carbono-carbono son utilizadas en frenos para aviones,

tanto comerciales como militares.

Historia

Fueron desarrollados por primera vez por Super Temp Division of Goodrich

Inc. en los Estados Unidos, siendo Dunlop la primera que los montó en aviones de uso

regular, en el Concorde más exactamente, en 1974. En el momento de su implantación

el coste oscilaba alrededor de £550 /kg. Dado su alto coste económico, su uso era

exclusivo de aviones supersónicos y aviones militares de última generación.

Actualmente el coste se ha reducido a menos de una cuarta parte, y es utilizado en

prácticamente todos los aviones comerciales.

Esquema del freno de disco de un avión

Aunque el principio de funcionamiento es el mismo, estos frenos poseen una

arquitectura especial para producir un mayor par de frenado.

Si comparamos el caso de un coche, cada rueda tiene que frenar

aproximadamente unos 400 kg., suponiendo un coche de unos 1300 kg. En el caso del

Concorde, un avión relativamente ligero, de 111 ton a peso máximo de aterrizaje,

cada rueda debe frenar unos 13875 kg. y disipar por lo tanto mucha más energía.

Para solucionar este problema se opta por una geometría de varios discos, de

los cuales un número de ellos son rotores, y el resto están unidos al eje de la rueda.

Como se aprecia en la figura siguiente, la pastilla utilizada en los frenos de

automóviles es suprimida, y el frenado se consigue haciendo rozar los distintos discos

entre sí. De esta forma tenemos 11 discos rozando entre sí, lo que proporciona mucho

más par de frenado.


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Figura 1 Esquema del freno de un Concorde SST. En ella se pueden apreciar los discos rotores (Carbon

rotor) y los fijos (Carbon stator). También se detalla el sistema de accionamiento hidráulico.

Ventajas funcionales

Estos frenos deben proporcionar el par de frenado necesario para parar

completamente un avión (20-30 seg.), servir como sumidero del calor generado por el

rozamiento de los discos al frenar, alrededor de cientos de mega julios (MJ) , y

también servir de elemento estructural. El rozamiento entre los discos hace que se

calienten a una temperatura de 500ºC, llegando hasta los 2000ºC en la superficies

rozantes.

En consecuencia, el material usado debe tener una alta resistencia al choque

térmico, lo que hace de los composites C/C una muy buena opción dada su alta

conductividad térmica y su bajo coeficiente de expansión térmico. Comparándolo con

el acero, el C/C tiene una capacidad térmica 2.5 veces mayor, y una mayor dureza a

altas temperaturas del orden del doble.


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Además del ahorro de peso de 450 kg., el resultado es una mayor vida útil. Si

observamos el caso de un Airbus A320, éste puede realizar 2500 aterrizajes con unos

discos C/C antes de tener que ser sustituidos, frente a 1500 con unos de acero.

También hay que señalar que en una prueba realizada con un avión militar

sobre la distancia de frenado, éste paró en 20 seg. y 770 m utilizando discos C/C

cuando comparado con discos de berilio, tardó 27 seg. y 1040 m. Este ahorro de peso

y la mayor vida útil de este tipo de frenos supuso un ahorro en las compañías aéreas

propietarias del Concorde de unas £500 por cada kilo (de diferencia con los de acero)

y año.

Figura 2. Fotografía de un freno de aviación montado en una rueda de un Boeing 757 fabricado por SEP.

3.2. LA FÓRMULA 1

Historia

Este fue el primer campo de aplicación, dentro de la automoción, en el que

aparecieron los discos de aleaciones C/C. Fueron montados por primera vez a

principios de la década de los años 80 en un monoplaza de la escudería Brabham.

Actualmente estos frenos son utilizados universalmente en todo tipo de vehículos de

carreras.

A diferencia de los frenos de aviación comentados anteriormente, los frenos de

un monoplaza de Formula 1 son una evolución de los frenos basados en acero a los

cuales han sustituido. Se utiliza un sistema hidráulico para el accionamiento de las

pastillas contra los discos.


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Problemas térmicos

El principal problema que nos encontramos al montar unos frenos de disco

C/C en un Formula 1 es mantener una temperatura en los discos correcta. Para ello es

necesario dimensionar correctamente el tamaño de los conductos de ventilación y el

diámetro de los discos. Cada disco necesita aproximadamente unos conductos de una

sección de 70cm2.

Figura 3. Monoplaza equipado con discos c/c de la escudería Ferrari.

Para evitar problemas de expansión térmica, es necesario montar el disco

sobre un cubo flotante. Se permite de esta forma dilataciones del disco en sentido

radial. Estos cubos están fabricados de superaleaciones de titanio (por ejemplo,

aleación 2618) con un tratamiento superficial para mejorar su comportamiento a altas

temperaturas.

En las figuras siguientes se puede apreciar la explosión de un freno de este

tipo y su montaje junto a los elementos auxiliares.


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Figura 4. Explosión del sistema de freno c/c de un Formula 1. 1 cubo del disco. 2 Tornillo de sujeción del

cubo. 3 Tuerca de sujeción de la rueda. 4 Perno de sujeción del disco. 5 Arandela de retención. 6 Guía del perno. 7

Arandela. 8 Disco c/c. 9 Tuerca. 10 Eje de la rueda.

Figura 5. Configuración de frenos y elementos auxiliares de ventilación (Brake duct) en un Formula 1

Los discos deben funcionar en un rango de temperaturas de masa de 400-

600ºC. Si caemos de este margen de temperaturas, los discos pierden efectividad por

que baja su coeficiente de rozamiento. Por el contrario, si los calentamos demasiado

se puede producir una excesiva oxidación del material.


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De esta forma se vuelve crucial que el piloto caliente los frenos en la vuelta de

calentamiento, llegando al rango de temperaturas indicado, realizando frenadas fuertes

y firmes. Dichas frenadas no deben realizarse en aceleraciones por que esto podría

producir el "glazing" de los discos y las pastillas causado por la ausencia de polvo de

carbono en las superficies rozantes. En las paradas en Boxes la temperatura debe

mantener por encima de 350ºC. La temperatura de los discos es controlada en todo

momento por unos pirómetros ópticos.

Como ya hemos dicho, la refrigeración de los discos juega un papel importante

en el correcto funcionamiento del freno, y en que la temperatura de los discos no

supere los 600ºC. El diseño de los conductos de ventilación se realiza con estudios

aerodinámicos del vehículo en el túnel de viento. Los elementos auxiliares de

refrigeración se sitúan en el lugar en el que el flujo de aire es mayor.

Diseño de discos y pastillas

Dado que se trata de un composite, se muestra de gran relevancia la

disposición de las fibras y su orientación. La orientación de las fibras está

determinada por el flujo de calor y las necesidades estructurales. En la figura 6 se

pueden apreciar la disposición de las fibras siguiendo las siguientes directrices:

- Evacuar el calor lejos de las superficies de fricción y dentro del cuerpo del

disco.

- Evacuar el calor radialmente.

- Soportar concentraciones de tensión en los anclajes.

- Minimizar los efectos sobre el anclaje.

Figura 6. Direcciones de las fibras: 1 normal a la superficie de fricción (conducción del calor). 2

radialmente a la superficie (conducción del calor). 3 alrededor de los anclajes (resistencia). 4 a 45º (resistencia).


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Como ya se ha mencionado antes, los conductos de ventilación deben ser del

tamaño suficiente para que no se produzca un sobre calentamiento en condiciones de

uso.

Desgaste de los frenos

El desgaste de los frenos es medido regularmente por los ingenieros del

equipo. Estas medidas se realizan con un micrómetro de una precisión de una

centésima de milímetro en la zona central de desgaste tanto del disco como de la

pastilla.

Figura 7. Puntos de medida para calcular el desgaste de frenos c/c.

Para calcular el desgaste de los discos y de las pastillas se utilizan las

siguientes fórmulas:

???

?

???

?

?

?

??

2)T - (T

T

XD W

T - T D

fi

fi

D ? Máximo desgaste de las pastillas y de los discos tanto en el eje delantero

como trasero.

TI ? Grosor inicial.

Tf ? Grosor final.

X ? Número de vueltas recorridas por el vehículo.

W ? Desgaste por específico por vuelta.

T ? Grosor medio del elemento del freno.


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De esta forma el potencial de un nuevo elemento rozante puede ser

determinado por las curvas proporcionadas por el fabricante. Se muestra a

continuación un ejemplo.

Figura 8. Ejemplo de desgaste de un freno proporcionado por el fabricante (AP Racing)

Fabricantes

Actualmente hay dos fabricantes que suministran a los equipos de Formula 1:

SEP y Hitco. Ambos producen los discos a partir del material que sobra al fabricar

discos para frenos de aviones. Para ser más concreto, se utiliza el material que se

retira para encajar el disco en el eje de la rueda. A pesar de que se trata del mismo

material, las características de los dos fabricantes son totalmente diferentes.

Los discos fabricados por Hitco se calientan rápidamente, y funcionan muy

bien durante las primeras vueltas al circuito. Según pasa el tiempo, frenar se vuelve

más complicado, siendo bastante reducido el desgaste de los frenos. Hitco utiliza en

sistema de fabricación basado únicamente en la impregnación de las fibras de carbono

en una resina fenólica. El calentamiento se produce tan rápido porque el disco está

fabricado con fibras en 2-D, de esta forma la superficie se calienta muy rápido,


21

mientras que el núcleo apenas se ha calentado. Por otro lado la superficie completa del

disco alcanza una temperatura de funcionamiento rápidamente.

Por otro lado SEP los fabrica combinando la impregnación con el CVD. Estos

discos tardan más tiempo en calentarse, pero una vez calientes, varían muy poco su

rendimiento aunque su desgaste es mayor. En ambos casos nos encontramos el

problema de que si los discos son sobrecalentados se vuelven esponjosos. Al contrario

que en el caso anterior, ahora si tenemos conducción del calor perpendicular a la

superficie rozante, y de esta forma se elimina más calor lo que hace que calentar el

disco resulte más complicado.

3.3. VEHÍCULOS COMERCIALES

La presencia en el mercado de este tipo de frenos es prácticamente nula. Solo

hay dos fabricantes que hayan anunciado el uso de frenos de disco C/C en coches de

serie: Porche con el 911 Turbo en el 2001 y Mercedes-Benz con el SLR en el 2002.

De esta forma, Porche será el primer fabricante del mundo en montar discos

C/C en un coche de serie. El nombre comercial que utilizará este fabricante será

PCCB (Porche Ceramic Composite Brake), y será una opción en el nuevo 911 Turbo.

Además de todas las ventajas ya señaladas en el apartado sobre la Formula 1,

que dado el tipo de coche en el que se van a montar este dispositivo son perfectamente

aplicables, el fabricante también menciona la ventaja que aporta el PCCB en frenadas

a baja velocidad, donde no es necesario aplicar una fuerte presión sobre el pedal del

freno ya que obtenemos la máxima potencia de frenado sin necesidad de ningún tipo

de asistencia mecánica o esfuerzo. En condiciones de trabajo con un nivel de

humedad alto, o con las pastillas y los frenos mojados, el PCCB no absorbe la

humedad como hacen las configuraciones tradicionales. Esta mejora bajo condiciones

de funcionamiento en mojado se debe también a la presencia de orificios de

ventilación cruzados.


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Figura 9. Discos c/c del Porsche 911 Turbo. Se aprecia que además de los orificios tradicionales de ventilación, el

fabricante introduce aquí unos adicionales perpendiculares a la superficie.

Haciendo un estudio general de las características deseables para un disco de

freno montado en un automóvil de serie nos encontramos con que su gran capacidad

de absorción de energía, su poco peso específico, y el hecho de que no contenga

elementos nocivos para la salud humana, como es el caso de los asbestos, hace pensar

que este material se impondrá en el mercado. Las características deseables para los

discos y pastillas de un vehículo de serie son:

- Un coeficiente de fricción constante e independiente de la temperatura. Es

muy importante que tener un buen coeficiente de fricción a bajas temperaturas,

y funcionar correctamente a altas sin fallar.

- Un bajo desgaste con un coeficiente de rozamiento de entre 0.3 y 0.4.

- Una baja corrosión, especialmente entre el disco y la pastilla, cosa que

ocurre en los discos de acero.

- Un bajo ruido.

- Ser químicamente inertes.


23

Figura 10. Ensayos realizados sobre patillas de freno c/c.

Como se puede ver en la tabla, los valores conseguidos cumplen con los

requisitos establecidos, destacando el último caso en el que el máximo coeficiente de

rozamiento es de 0.54.

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