Definición y puesta a punto de una metodología multidisciplinar de diseño y desarrollo de discos de freno de fundición para automoción

Laburpena

El sistema de frenado es un dispositivo, si bien simple en su funcionamiento, complejo en su diseño y análisis, por los distintos fenómenos físicos que se pueden encontrar de forma simultánea durante su uso (fricción, desgaste, calor, esfuerzos mecánicos, conducción, convección, radiación, diversos materiales, etc.). El sistema de frenado de un automóvil debe satisfacer un complejo conjunto de requerimientos, debiendo trabajar de forma segura y predecible en cualquier circunstancia. Además, en su diseño, es necesario considerar diferentes aspectos (geometría, peso, material, temperatura de trabajo, resistencia al agrietamiento, deformación, colada, problemas acústicos y vibratorios, etc.). En general las metodologías de diseño usadas hasta ahora realizan en muchos casos una serie de simplificaciones muy drásticas, unos planteamientos muy simples, generalmente por falta de medios o de visión global, o bien se quedan en la resolución de una pequeña parte de la problemática del funcionamiento de los discos de freno, lo que puede desembocar en unos estudios poco estrictos o con poca validez práctica. Toda metodología de trabajo que pretenda tener éxito debe incorporar una etapa definida como correlación o validación de resultados, la cual consiste fundamentalmente en abordar en paralelo un determinado problema, tanto mediante el cálculo como la experimentación, y comparar finalmente los resultados obtenidos por un método y por otro. Desde el punto de vista particular del componente del automóvil objetivo de este trabajo, el disco de freno, cualquier nuevo diseño deberá ser validado bien en banco de ensayos, bien en vehículo. Así pues, ambos modos de estudio, simulación y experimentación, deben estar incorporados en la metodología de diseño de discos de freno. Las herramientas de cálculo por si solas no son totalmente fiables si no van acompañadas de una correcta validación. Así pues, es necesario para esta etapa, dispositivos de ensayos en los que reproducir las condiciones que se han obtenido en el modelo virtual implementado en el software de cálculo. El método adecuado de trabajo será aquel en el que para un determinado problema se plantea un modelo virtual del mismo, implementándolo en un software de cálculo, en el cual se tiene el modelo correctamente caracterizado, imponiendo las condiciones de contorno que se den en dicho problema, similares a las que se dan en el problema a resolver o al que se puede ensayar. Así pues, el diseño correcto de un disco de freno lleva implícito el empleo de una serie de conocimientos de amplio espectro técnico, pues se deben abarcar una serie de disciplinas muy variadas, en las que se requiere un conocimiento muy avanzado. Además, todas estas disciplinas deben estar interrelacionadas entre sí, pues las decisiones a tomar en cada una de ellas afectan a las demás. De este modo, todas las disciplinas deben contemplarse de forma conjunta en el diseño de los discos de freno, sin olvidarse de la importancia de ninguna de ellas. Hasta ahora, no se ha realizado un estudio multidisciplinar completo para el diseño y desarrollo de los discos de freno desde los diversos puntos de vista que desde aquí consideramos cómo imprescindibles. Pero no sólo no se ha identificado este hecho, sino que además, en lo que se refiere a un estudio detallado del comportamiento termo-mecánico y fluidodinámico los estudios son en general, bien parciales, o bien independientes entre sí, lo que no permiten desarrollar el estudio completo. Por estos motivos, con la realización de este trabajo de investigación, se pretende desarrollar una metodología fiable y multidisciplinar de diseño y desarrollo de discos de freno, basada tanto en cálculos asistidos por ordenador (fluido-dinámicos y termomecánicos), como en experimentación.