RESUMEN DE EJECUCIÓN

Los sistemas de frenos son críticos para la operación segura de un vehículo. El sistema de frenado es una parte esencial del diseño de un vehículo que debe verificarse para garantizar su fiabilidad, veracidad y rendimiento, especialmente en condiciones extremas. El sobrecalentamiento puede causar una disminución en el rendimiento del disco de freno o incluso una falla completa: los dos presentan riesgos inaceptables para los conductores, pasajeros y otras personas cercanas.

Tradicionalmente, las pruebas de prototipos de vehículos evalúan la efectividad de los mecanismos de enfriamiento de los frenos. El enfriamiento de los frenos depende del flujo de aire dirigido desde otros aspectos de la geometría de un vehículo: los complejos sistemas del área de las ruedas y el diseño de la carrocería, incluidos los conductos de enfriamiento de los frenos. Lo que significa que, para cuando un prototipo de vehículo completo esté listo para la prueba física, a menudo es demasiado tarde en el ciclo de vida del producto para realizar de manera rápida y rentable cambios de diseño económicos que el recalentamiento en el sistema de frenado probablemente requerirá. Además, los resultados de estos procedimientos de prueba pueden ser incompletos o poco confiables: pueden verse afectados por los propios dispositivos de medición, que pueden generar un informe insuficiente o excesivo. Los ingenieros solo tienen una visión limitada de lo que está sucediendo, por lo que es difícil identificar las causas de los problemas térmicos que pueden detectar.

Otras presiones sobre los equipos de ingeniería introducen una serie compleja e interrelacionada de objetivos de diseño que requieren métodos de ingeniería concurrentes para abordar. La proliferación de modelos en el mercado actual presenta más variantes de diseño que deben verificarse para el rendimiento de su sistema de frenado. La economía de combustible y las regulaciones de emisiones limitan los objetivos de diseño del vehículo, como la elevación aerodinámica, el arrastre y los pesos y materiales de los frenos – todo lo cual impacta el diseño y la refrigeración de los frenos. Y las pruebas de prototipos no pueden dar cuenta de muchas de las condiciones operativas del mundo real en las que los conductores se encuentran todos los días – como remojo térmico prolongado, extremos ambientales, golpes de viento, suciedad y rocío de agua de la carretera e incluso polvo de los frenos.

La evaluación temprana y colaborativa del diseño digital completo de un vehículo – incluido su rendimiento de enfriamiento de los frenos como un objetivo de diseño clave- se realiza mejor desde el principio durante el desarrollo del producto como parte de un enfoque a nivel de sistemas que evalúa simultáneamente objetivos como la forma aerodinámica y los dispositivos, el ducto de enfriamient0 del freno, diseño del sistema de ruedas, elevación y arrastre, y más. La simulación digital con el paquete SIMULIA PowerFLOW aplica una metodología patentada, basada en la física y completamente validada para evolucionar la geometría 3D para medir con precisión el rendimiento térmico del sistema de frenos de un vehículo, identificar posibles problemas y sus causas fundamentales, y enfocarse en mejoras de diseño relacionadas antes de un físico costoso El prototipo se produce alguna vez. Permite la evaluación concurrente de otros objetivos de rendimiento, a menudo competitivos, en los sistemas de un vehículo para que los ingenieros puedan identificar rápidamente las compensaciones y justificar las decisiones de diseño críticas para mejorar el rendimiento del sistema de frenos. Las soluciones SIMULIA PowerFLOW y PowerTHERM han sido ampliamente validadas y aplicadas con éxito a muchos casos de uso de clientes, incluidos los seis detallados aquí.

LA IMPORTANCIA DEL ENFRIAMIENTO DEL FRENO

La durabilidad, el rendimiento y la confiabilidad son fundamentales para el sistema de frenado de un vehículo en el que los conductores, pasajeros y otras personas cercanas confían todos los días para su seguridad. Desde la conducción diaria hasta condiciones extremas, la seguridad es primordial: los frenos deben funcionar cuando son necesarios, pase lo que pase. Es por eso que comprender el rendimiento térmico de un sistema de frenado es tan importante en todo el diseño y desarrollo del vehículo. El sobrecalentamiento disminuye la durabilidad y confiabilidad del sistema de frenos: provoca problemas como el alto desgaste de las pastillas, que requiere el reemplazo frecuente de las pastillas de freno; ebullición del líquido de frenos, lo que reduce el rendimiento del freno; e incluso el agrietamiento del freno y la falla operativa resultante de las altas tensiones térmicas.

Si bien las tensiones térmicas en los discos de freno se comprenden bien a temperaturas de funcionamiento relativamente bajas, las temperaturas más altas y más críticas se generan con frecuencia por tensiones ambientales o condiciones de conducción extremas, como sucesivos eventos de frenado. Estas cargas térmicas deben estudiarse y controlarse con más cuidado en todo el diseño del vehículo, ya que afectan de manera adversa el rendimiento del sistema de frenos en mayor medida. El funcionamiento continuo de los discos de freno a temperaturas excesivas como las que generan estas condiciones adversas puede provocar puntos calientes y variaciones en el grosor del disco (DTV) que pueden provocar grietas térmicas, vibraciones, desvanecimiento del freno, desgaste y una menor eficacia de frenado.

LAS LIMITACIONES DE LAS PRUEBAS FÍSICAS

Dado que el sobrecalentamiento es una amenaza para el rendimiento de los frenos, el diseño de los sistemas de enfriamiento de los frenos es una de las principales preocupaciones durante el desarrollo de vehículos nuevos. Las pruebas de rendimiento del sistema de frenos requieren tradicionalmente un prototipo físico y un tiempo extenso en la pista o en el túnel de viento. En estas pruebas, el disco de freno se calienta frenando a través de ciclos únicos o múltiples a una temperatura alta. Se mide el tiempo de enfriamiento posterior. Si el nivel de temperatura máxima excede el rango permitido o la velocidad de enfriamiento no es suficiente, los cambios aerodinámicos son la opción principal para mejorar el rendimiento de enfriamiento.

Además, los discos de freno generalmente se prueban en bancos de prueba, que no son representativos del vehículo real. Esto se debe a que el tiempo de enfriamiento de un disco de freno -una medida importante utilizada para evaluar su confiabilidad y durabilidad- está fuertemente influenciado por el flujo de aire hacia los frenos. Esto es difícil de replicar en un banco de pruebas porque las decisiones de diseño en todo el sistema de ruedas y el chasis del vehículo lo afectan. Como resultado, para ser estudiado fielmente, debe evaluarse en contexto con la geometría completa y lista para producción que ya está en su lugar.

Pero las pruebas físicas se pueden hacer solo tarde en el diseño, cuando existe un prototipo. Y una prueba física con limitaciones de precisión conocidas no puede proporcionar visibilidad de las fuerzas invisibles del flujo de aire y el calor que trabajan juntas para impactar el éxito del enfriamiento de los frenos. Solo la simulación puede hacer eso.

Medición precisa de los extremos térmicos

Las pruebas físicas rigurosas y exhaustivas y la medición del rendimiento de enfriamiento de los frenos normalmente requieren el uso de un prototipo de vehículo en una pista o en un túnel de viento con el fin de alcanzar las temperaturas extremas y las condiciones de conducción que producirían una tensión extrema en los mecanismos de enfriamiento de los frenos para probar su rendimiento. Las pruebas físicas no solo son costosas -ya que dependen de costosos equipos de prueba, costosas construcciones de prototipos en etapas tempranas y muchas horas de túnel de viento y tiempo de pista- a menudo no es confiable. Desafortunadamente, este costo se gasta en gran medida en prototipos que ni siquiera pueden pasar las pruebas a las que están sometidos.

Además, la precisión de esas pruebas puede ser sospechosa. La precisión de las mediciones de temperatura durante las pruebas depende en gran medida de las condiciones del túnel de viento o de la pista y de los procedimientos de medición de la temperatura del disco.

Las pruebas experimentales del sistema de frenado del vehículo ofrecen información limitada sobre las temperaturas en lugares clave en las superficies giratorias del disco de freno, y estas mediciones por sí solas son insuficientes para entender la causa raíz del aumento de la temperatura durante la prueba. Otras dificultades de medición incluyen grandes predicciones insuficientes o sobre-predicción de la temperatura del disco de freno debido al uso de fricciones en las termopares. En otras palabras: el propio mecanismo de sensación puede balancear los resultados de la prueba.

Evaluación del papel del flujo de aire

El sistema de frenos funciona en un entorno con un flujo turbulento extremadamente complejo, con interacción entre la parte inferior de la carrocería, los flujos inferiores, el flujo de aire a través de los conductos de enfriamiento de los frenos y las ruedas giratorias. Visualizar y comprender este flujo complejo en detalle es esencial para evaluar cualquier ajuste necesario en la geometría del sistema de frenos, pero esto es prácticamente imposible de hacer con cualquier tipo de prueba física.

Para entender la causa del aumento de la temperatura de los frenos, los diseñadores de frenos necesitan tener acceso a más información, como velocidades de aire, coeficientes de transferencia de calor y flujo de calor en varias partes de freno; sin embargo, es posible que las mediciones de temperatura en la superficie del disco de freno no representen la temperatura general del disco debido a los gradientes de temperatura presentes en los rotores del disco de freno. Además, los aumentos en el flujo de aire de refrigeración debido a los cambios en el diseño de las paletas curvadas del disco de freno son extremadamente difíciles de medir en las condiciones de funcionamiento del vehículo. Los modelos empíricos de transferencia de calor no se pueden utilizar para predecir la temperatura en cada parada de freno, ya que la distribución del flujo sobre los frenos es única para una geometría de vehículo determinada por delante del sistema de frenos, y esa distribución es de naturaleza transitoria. Esta restricción también influye en la transferencia de calor convectiva a través de cambios en la estructura de la capa de contorno.

Recrear condiciones de funcionamiento del mundo real es en gran medida imposible utilizando pruebas físicas por sí solas. Una amplia gama de condiciones ambientales que son extremadamente difíciles de recrear durante la prueba son experimentadas todos los días por los conductores , y sus frenos deben funcionar de forma fiable durante todos y cada uno. Los extremos de temperatura como el remojo térmico, el viento de las condiciones climáticas o el tráfico, las carreteras sucias y polvorientas, el rociado de agua por las inclemencias del tiempo o los neumáticos de otro vehículo, e incluso el comportamiento del polvo de los frenos pueden afectar dramáticamente el rendimiento, y las variaciones en las condiciones son difíciles de recrear fielmente durante las pruebas tradicionales.

EL CASO PARA LA EVALUACIÓN ANTERIOR

Incluso cuando las pruebas físicas descubren problemas con el sistema de frenado, en este punto en el desarrollo del vehículo el diseño del hardware que influye en la refrigeración de los frenos -que debe estar lo suficientemente cerca de su diseño final para ser producido en forma de prototipo– también es, paradójicamente, demasiado maduro para aceptar mejoras de diseño importantes sin la introducción de tiempos y costos de desarrollo adicionales significativos.

Los fallos descubiertos en esta etapa tardía en el diseño y desarrollo de productos tienen que soportar estos costosos retrasos, o requieren correcciones que podrían agregar costos y peso de piezas, lo que puede comprometer otros aspectos del rendimiento de un vehículo.

Con un número cada vez mayor de modelos de vehículos ofrecidos hoy en día por los fabricantes de equipos originales, la necesidad de probar y validar los sistemas de refrigeración de frenos de cada variante de diseño en diferentes modelos introduce una tarea desalentadora para cualquier fabricante. La forma en que los paquetes de frenos interactuarán con las decisiones de diseño que pueden variar ligeramente según el modelo del vehículo puede introducir una enorme carga en las pruebas, lo que complica el problema del descubrimiento de fallos en etapas tardías y la cronología o los contratiempos presupuestarios

Conciliar objetivos de diseño competidores

Un enfoque temprano a nivel de sistema para el diseño de refrigeración de frenos es clave. Sobre todo porque muchos objetivos de diseño de vehículos fuera del sistema de frenado pueden impactar -o verse afectados- por las decisiones de diseño de refrigeración de frenos: la introducción de objetivos de diseño competidores que deben considerarse simultáneamente para ser resueltos. Con un renovado énfasis regulatorio en todo el mundo en las emisiones de los vehículos, las mejoras de eficiencia aerodinámica y las restricciones de peso para mejorar la gama de vehículos electrónicos y reducir las emisiones de los trenes motrices tradicionales e híbridos están ganando mayor atención. Tanto el peso como la aerodinámica pueden verse dramáticamente afectados por el diseño de sistemas de refrigeración de frenos. La aerodinámica del vehículo afecta a la refrigeración de los frenos debido a que gran parte del flujo de aire de refrigeración dirigido hacia los frenos resulta de decisiones de diseño aerodinámico, incluida la forma del vehículo y los dispositivos aerodinámicos. Pero los dispositivos de enfriamiento de frenos como los conductos de freno pueden aumentar la resistencia y disminuir la eficiencia de combustible de un vehículo, creando la necesidad de diseños de refrigeración de frenos más eficientes.

Integrar diseño de frenos y aerodinámica

Una disminución del 1% en la resistencia al vehículo tiene tanto efecto en la reducción de las emisiones de CO2 como en la reducción del peso del vehículo de 7-8 kg, por lo que los sistemas eficientes de refrigeración de frenos son tan esenciales. Y si se tiene en cuenta que los rotores de freno son alrededor de 21 libras por rueda para un sedán grande, los sistemas de frenado son un objetivo principal para las reducciones de peso para mejorar la eficiencia del vehículo. La reducción de peso se logra reduciendo el tamaño de los frenos y cambiando los materiales del rotor; pero las necesidades de refrigeración de los frenos más ligeros deben ser estudiadas a fondo cuando se realizan estos cambios. Mientras que los frenos de peso más ligeros pueden mejorar los problemas acústicos y de polvo junto con la reducción de emisiones, estos sistemas en realidad requieren un mayor flujo de aire de refrigeración porque la capacidad de calor del freno se reduce proporcionalmente con su reducción de masa. Si estos frenos más ligeros no se compensan con un mayor enfriamiento, su eficacia, especialmente para descensos largos y conducción de rendimiento, se verá comprometida por el desvanecimiento del freno. Mientras tanto, el material más ligero, como la cerámica de carburo de carbono/silicio, es más sensible a la contaminación del agua superficial. De hecho, no es inaudito que el coeficiente de fricción disminuya en más de un 80% cuando está mojado1, lo que resulta en un aumento proporcional de la distancia de frenado. Asegurar que estos materiales de frenado de peso más ligero permanezcan secos y frescos introduce un nuevo desafío de diseño para los equipos de ingeniería, ya que la refrigeración de los frenos generalmente se incrementa al reducir el tamaño del escudo de polvo del freno y el aire de conductos hacia el rotor del freno, sin embargo, es probable que estos dos cambios aumenten la humectación de los frenos.

DISEÑO EFECTIVO DEL ENFRIAMIENTO DEL FRENO

La solución ideal para el diseño del enfriamiento de frenos es evaluar el rendimiento del sistema de frenos al principio del ciclo de vida del producto -antes de que se construya un prototipo- aplicando la tecnología de simulación basada en la física a los datos CAD 3D que ya están en desarrollo en todos los equipos de ingeniería de productos. Debe ofrecer física de alta fidelidad para representar con precisión los transitorios térmicos bajo los cuales operan los frenos, incluidas las condiciones del mundo real como el remojo térmico, los extremos de temperatura resultantes del clima y los agotadores ciclos de aceleración y frenado pesados -conocidos como ciclos de conducción- con el fin de recrear fielmente incluso las experiencias más rigurosas y del mundo real que los vehículos pueden sufrir. Además, debe ser capaz de aplicar a la simulación todas las diversas condiciones climáticas y de carretera que los sistemas de frenado del mundo real experimentan todos los días -desde la suciedad, el agua y el hielo hasta incluso las partículas de polvo de freno en sí mismas- lo que garantiza que los frenos funcionen sin importar el clima.

CASO PRÁCTICO 1: SIMULACIÓN DE CONDICIONES EXTREMAS

En una simulación del ciclo de trabajo de aproximadamente 20 minutos para un sistema de frenos de disco automotriz, que consta de veinticinco frenos consecutivos seguidos de un proceso de enfriamiento, los resultados se compararon con los datos experimentales obtenidos en experimentos de carretera. Las simulaciones de la estructura del flujo de aire y el comportamiento térmico en torno a un coche de pasajeros (vehículo utilitario deportivo de tamaño mediano) se realizaron con detalles de geometría a diferentes velocidades de vehículos y flujos de aire. Los efectos de conducción, radiación y convección fueron tenidos en cuenta mediante una simulación de acoplamiento automatizada entre el flujo y los solucionadores térmicos.

2S. Jelic, S. Meyland, W. Jansen y A. Alajbegovic. “Un enfoque acoplado para la simulación del ciclo de trabajo de frenos.” Vehículos de bajo carbono, MIRA International Vehicle Aerodynamics Conference, 8; 171-182

 

Un enfoque temprano e integrado de los sistemas

Para cumplir múltiples objetivos, a veces competidores, para el rendimiento del vehículo -incluidos los requisitos de elevación y arrastre aerodinámicos, peso de los frenos y refrigeración de los frenos, entre muchos otros- la evaluación de la geometría 3D completa a medida que evoluciona permite a los ingenieros ver los efectos de sus opciones de diseño en todos estos objetivos simultáneamente, lo que es especialmente importante ya que buscan un diseño final que maximice el rendimiento de los frenos sin sacrificar otras dimensiones críticas como el peso del vehículo y la economía de combustible.

Teniendo en cuenta el diseño del sistema en su conjunto mientras se realizan cambios en muchas características de forma, diseño de componentes y materiales que pueden afectar el rendimiento de los frenos es fundamental porque una mejor elección para la durabilidad de los frenos, la fiabilidad y, en última instancia, la seguridad del vehículo pueden requerir cambios en otros sistemas relacionados. Una representación temprana, detallada y altamente visual de estas interacciones críticas -respaldada por la física de alta fidelidad que permite la visualización y medición de la temperatura, el flujo de aire y los transitorios térmicos- puede ayudar a varios equipos de ingeniería a comparar las diferencias entre las opciones de diseño y justificar los cambios necesarios en tantos sistemas de vehículos interrelacionados. El aire de refrigeración en el que se basan los frenos para mantener un rendimiento óptimo se caracteriza por un flujo complejo e inestable que interactúa con la geometría 3D finamente detallada del diseño del sistema de frenado y se ve afectado por otras características como el diseño exterior, los conductos de aire e incluso las selecciones de ruedas y llantas. Una metodología digital basada en la geometría 3D del vehículo a medida que evoluciona a lo largo del diseño y desarrollo permite a los ingenieros térmicos simular y analizar el impacto de cada una de estas opciones de diseño y sus complejas interacciones en el enfriamiento de los frenos, el rendimiento y la seguridad.

Usando geometría 3D completa, las simulaciones pueden evaluar fielmente los efectos térmicos en discos de freno, almohadillas e incluso el calentamiento fluido y la vaporización potencial en condiciones complejas como remojo térmico, frenado continuo y aceleración (ciclos/trabajos de conducción), e incluso condiciones ambientales incluyendo viento, suciedad, aerosol de neumáticos y polvo de freno. Diferentes opciones de geometría e incluso de materiales se pueden probar digitalmente antes del costoso proceso de creación de prototipos, para evaluar diferentes pesos de freno y para garantizar que cada variante de modelo en la cartera de productos de un fabricante -incluidas las variaciones de forma y dispositivo, así como las combinaciones opcionales de llantas y neumáticos y su impacto durante la rotación en el flujo de aire de enfriamiento a los frenos- se pueden verificar para garantizar que no afecten negativamente al rendimiento y la seguridad de los frenos.

Los beneficios de la simulación térmica

Los discos de freno de la simulación térmica se calientan muy rápidamente, y su temperatura es una función de la compleja interacción entre la conducción, la radiación y la refrigeración convectiva al aire circundante. Cualquier simulación debe ser capaz de predecir con precisión esta interacción de una manera fácil de usar. Además, el tiempo de reutilización tan importante es, por definición, un problema transitorio que ocurre en una escala de tiempo más larga de lo que la mayoría de las herramientas de simulación de fluidos pueden manejar.

CASO PRÁCTICO 2: PREDECIR CON PRECISIÓN EL TIEMPO DE ENFRIAMIENTO

Una métrica importante en el proceso de diseño de frenos del vehículo, el tiempo de enfriamiento de un disco de freno influye fuertemente en la durabilidad y fiabilidad de los frenos. Sin embargo, el tiempo de enfriamiento del freno es una función de muchos factores del vehículo y del chasis, lo que hace que sea lento y costoso evaluar y optimizar en las pruebas de hardware. En este estudio, se evaluó un enfoque alternativo a las pruebas de hardware para evaluar el tiempo de reutilización del diseño de frenos mediante la implementación de una metodología basada en simulación CFD (Dinámica de fluidos computacional) en SIMULIA PowerFLOW y PowerTHERM. Los casos de simulación se compararon con los datos de prueba y se observó una buena concordancia entre los datos de prueba y los resultados de simulación en una amplia gama de parámetros de diseño. El estudio demostró que PowerFLOW y PowerTHERM acoplados pueden predecir con precisión, para un vehículo de producción, el tiempo de enfriamiento del disco de freno en una amplia gama de parámetros de diseño. Los tiempos de enfriamiento calculados a partir de simulaciones coinciden con los datos de prueba en un promedio del 2.5%. Las curvas de enfriamiento mostraron una buena coincidencia también. En términos de acelerar el proceso de diseño, se determinó que el tiempo de respuesta es lo suficientemente rápido como para impactar el proceso de diseño, al tiempo que incorpora todos los detalles de los componentes empaquetados en un vehículo real y evaluados en condiciones de carretera para proporcionar datos de rendimiento del mundo real de forma fiel y precisa e informar mejores decisiones de diseño desde el principio durante el desarrollo del vehículo.

3 3D. Mukutmoni, S. Jelic, J. Han y M. Haffey. “Papel de la simulación numérica precisa del enfriamiento del freno en el proceso de diseño del freno”, SAE Int. J. Passeng. Coches – Mech. Syst. 5(4):2012

 

 

Las soluciones PowerFLOW y PowerTHERM de SIMULIA predicen con precisión el rendimiento de los frenos térmicos en condiciones de prueba extremas aprovechando la geometría CAD 3D durante la fase de diseño inicial. La física única, inherentemente transitoria basada en Lattice Boltzmann de PowerFLOW, permite simulaciones que predicen con precisión las condiciones transitorias del mundo real incluso en la geometría giratoria más compleja. PowerTHERM es un solucionador de conducción y radiación totalmente acoplado y altamente preciso.

La combinación de PowerFLOW y PowerTHERM proporciona un análisis térmico completo, incluidos los tres modos de transferencia de calor: radiación, conducción y convección; flujos transitorios complejos, incluido el modelo de pared turbulenta inestable preciso para la predicción de transferencia de calor; y geometría compleja, como la geometría finamente detallada alrededor de los frenos, neumáticos y otras formas y dispositivos de vehículos cercanos que pueden afectar dramáticamente el campo de flujo inestable alrededor de los frenos durante el funcionamiento del vehículo.

Las soluciones SIMULIA PowerFLOW permiten la predicción y visualización precisas de los campos de temperatura, flujo de aire y de temperatura para los sistemas de frenado. Representa fielmente la aerodinámica del vehículo -que es fundamental para comprender las trayectorias de flujo de enfriamiento que afectan al sistema de frenado- y ofrece una simulación de flujo inestable, capacidades de llanta y disco giratorias realistas junto con neumáticos con banda de rodadura verdaderamente giratorias e incluso partículas que representan suciedad, agua, hielo y polvo de freno, todos los cuales son críticos para una simulación de alta fidelidad del funcionamiento del vehículo en condiciones reales.

CASO PRÁCTICO 3: ELIMINACIÓN DE LA SOBREPREDICCIÓN

Bentley y el equipo de PowerFLOW presentaron un método de simulación para los ciclos de trabajo de freno con corrección de desvanecimiento de freno. La carga térmica de discos de freno se entiende bien a temperaturas de funcionamiento relativamente bajas, por lo que el modelado del rendimiento térmico del disco a bajas temperaturas también se entiende relativamente bien. Sin embargo, a temperaturas más críticas, la carga térmica puede afectar negativamente al rendimiento de frenado, lo que provoca un desvanecimiento del freno. La simulación aprovechó el modelado térmico avanzado junto con pruebas de vehículos dedicadas para establecer condiciones límite a temperaturas de frenado más altas. El rendimiento térmico específico de cada freno se probó a temperatura elevada. Estos datos de rendimiento térmico se utilizaron entonces para refinar el modelo de simulación térmica. Para validar el modelo, se ejecutó una prueba de ciclo de desvanecimiento de 15. El modelo tiene en cuenta el cálculo de conducción sólida a través del disco, el análisis de campo de flujo convectivo y la característica de rendimiento térmico del sistema de frenos como se ha descrito anteriormente. Los resultados de la simulación se compararon con los resultados de las pruebas del vehículo, mostrando que los métodos de simulación predicen las temperaturas del disco de freno utilizando un método de corrección de desvanecimiento de freno para un ciclo de trabajo de quince paradas. Sin la corrección de desvanecimiento del freno, las temperaturas pronosticadas se sobrepredicen.4 K.

Bhambare, M. Haffey y S. Jelic. “Simulación del ciclo de trabajo del freno para el diseño térmico del sistema de frenado del vehículo”, SAE Technical Paper 2013-36-0015, 2013.

La interpretación visual de las condiciones térmicas y los campos de flujo -a través de degradados de color contra geometría 3D, renderizaciones fotorrealistas o incluso animaciones de lapso de tiempo- permite a los ingenieros identificar rápidamente posibles problemas antes de integrarse en prototipos físicos, identificar y corregir las causas de las raíces y realizar posibles cambios de diseño y mejoras recomendadas por los resultados del análisis para eliminar los problemas a tiempo, mientras que la geometría del vehículo todavía está en desarrollo. El tiempo de respuesta rápido para la configuración del modelo, la simulación, la visualización y la modificación del diseño permite a los ingenieros realizar rápidamente cambios de diseño en la línea de base y evaluar las mejoras en el rendimiento de los frenos digitalmente.

CASO PRÁCTICO 4: SIMULACIÓN DEL ENFRIAMIENTO DEL TAMBOR DE FRENO DEL CAMIÓN

Los camiones pueden llevar una carga pesada y, al aplicar los frenos, por ejemplo, durante una ruta de descenso de montaña o una parada abrupta, las temperaturas de los frenos pueden aumentar significativamente. Las temperaturas elevadas en la región del tambor de freno pueden reducir la eficiencia de frenado, o incluso pueden hacer que el sistema de frenos falle, se incendie o sufra daños. Por lo tanto, el diseño del tambor de freno del camión debe ser capaz de transferir calor fuera del sistema por convección, conducción y/o radiación. Los tres modos de transferencia de calor juegan un papel importante, ya que el tambor de freno de los camiones no están muy expuestos al flujo de aire externo, que difiere significativamente de los frenos de disco de los coches de pasajeros. Este complejo problema de transferencia de calor no es fácil de entender. Los métodos numéricos proporcionan información mediante la visualización de los diferentes modos de transferencia de calor. Los métodos numéricos utilizados en este caso simulan la transferencia de calor transitoria de un tiempo de reutilización del sistema de freno de la caja del camión a una velocidad de conducción constante. El solucionador basado en Boltzmann de celosía CFD 3D de PowerFLOW calculó la convección un acoplamiento bidireccional entre una radiación y un cálculo de conducción. La simulación incluyó una rotación realista de las ruedas y utilizó elementos sólidos 3D para la conducción. Los resultados de la simulación se compararon con los resultados de las pruebas experimentales, que se realizaron en el túnel de viento térmico Tongji en Shanghai. Debido a la zona de salida de la boquilla suficientemente grande, este túnel de viento puede proporcionar datos experimentales realistas para los camiones. Los resultados obtenidos de la simulación se comparan fielmente con los datos experimentales. Como se muestra en las figuras siguientes, el método de simulación predijo el enfriamiento de la temperatura del disco de freno. La simulación funcionó bien con el enfoque de punto medio de HTC bajo condiciones de conducción de baja convección. 5

5 S. Sun, G. Liao, Q. Fu, K. Lu et al. “Un enfoque acoplado al enfriamiento del freno de tambor de camión”, SAE Technical Paper 2015-012901, 2015

CASO PRÁCTICO 5: SIMULACIÓN DE LA ACUMULACÓN DE POLVO DE FRENO

Para estudiar cómo la nube de partículas calentadas expulsadas del disco de freno y las pastillas al aplicar los frenos, comúnmente conocido como polvo de freno, puede arrastrarse al flujo alrededor de las ruedas y depositarse en las superficies para impactar el rendimiento del vehículo, JLR y el equipo de PowerFLOW se embarcó en una simulación de este fenómeno en un modelo CFD del Jaguar S Type. Hay algunas otras formas de obtener datos de manera realista de la suciedad de las ruedas debido al polvo de los frenos. Las condiciones ambientales y los patrones de uso de frenos son muy diferentes y dificultan la generalización de los resultados durante el uso. Y los experimentos en pistas de prueba de manera similar no pueden aislar el polvo de los frenos de otros desechos. Las capacidades clave para esta simulación incluyeron la capacidad de investigar simultáneamente el enfriamiento de los frenos, el arrastre del sistema de las ruedas y la acumulación de polvo de los frenos, al tiempo que explican los efectos realistas de la rotación, el flujo y las partículas de las ruedas. El estudio investigó tres enfoques diferentes para tener en cuenta la rotación de la rueda: aplicar una condición de límite de velocidad de rotación (VBC), marco de referencia móvil (MRF) o una malla deslizante (rotación) (RM). También examinó dos técnicas de simulación para modelar la propagación del polvo de freno a través del campo de flujo: seguimiento de partículas lagrangianas (ALPT) promediado en el tiempo y seguimiento de partículas lagrangianas transitorias (TLPT). En comparación con un experimento de laboratorio simplificado, se demostró que la combinación de malla giratoria (rueda) y el seguimiento transitorio de partículas de Lagrangian (RM / TLP) muestra un patrón de suciedad en la rueda que se acerca más se asemeja a los datos experimentales. Esta metodología se aplicó a un modelo CFD aerodinámico de automóvil completo, integrado dentro del conjunto de herramientas de gestión térmica / aerodinámica del vehículo junto con información sobre el mecanismo de suciedad del polvo del freno: la liberación de partículas de polvo de la superficie de freno. Las conclusiones relacionaron cómo las estructuras de flujo generadas por una rueda aisladamente diferían de las observadas con la rueda instalada en un arco de rueda. Se determinó que las estructuras de flujo aparentemente responsables del transporte de polvo se generan por la rotación de los radios, lo que hace que sea probable que las ruedas con diseños de radios bluff sean más vulnerables a la suciedad, mientras que los radios con un perfil más aerodinámico pueden reducir la susceptibilidad a la suciedad.6

6A. Gaylard, D. Lynch, J. Amodeo, R. Amunugama. “La simulación de la acumulación de polvo de freno”. VIII Congreso Internacional de MIRA sobre Aerodinámica de Vehículos.

CONCLUSIÓN

Cuando la seguridad está en juego, comprender y abordar claramente todas las fuerzas que pueden afectar dramáticamente a la refrigeración de los frenos -como las condiciones térmicas, las fuerzas aerodinámicas y la geometría de rotación- no puede depender únicamente de las pruebas de prototipos físicos, que carecen de la integridad, precisión, visibilidad y perspicacia procesable al principio de la etapa de diseño que la simulación digital puede ofrecer. Al aplicar condiciones reales a los datos de diseño 3D mediante una simulación térmica y aerodinámica precisa basada en la física, las soluciones SIMULIA PowerFLOW proporcionan una visión de etapa de diseño rápida, integrada y temprana en el rendimiento del sistema de frenos, lo que garantiza que los diseños de refrigeración de frenos cumplan sus objetivos de fiabilidad, seguridad y entrega oportuna.

CASO PRÁCTICO 6: MEJORANDO EL DISEÑO DEL FRENO PARA UN COCHE DE CARRERAS GT3

La aceleración y desaceleración constantes de la conducción en pista genera un calor excesivo, que debe ser absorbido por los frenos. Para evitar los riesgos de seguridad de la pérdida de la efectividad del frenado debido al sobrecalentamiento, los frenos deben diseñarse con enfriamiento convectivo para ayudar al enfriamiento por radiación y conducción que ocurre naturalmente en los frenos, pero sin aumentar el arrastre o el peso del disco. El enfriamiento del freno en la pista difiere significativamente de las pruebas del ciclo de trabajo, ya que los ciclos de trabajo aplican exactamente el mismo patrón de frenado y aceleración para el mismo período de tiempo con cada ciclo. Pero en la pista, la velocidad del vehículo cambia continuamente a medida que cambia la aceleración y la desaceleración. La simulación durante el diseño inicial permite a los ingenieros visualizar el complejo flujo de aire dentro y alrededor del disco de freno, les ayuda a modificar el diseño para optimizar el flujo de aire de enfriamiento y puede conducir a temperaturas más bajas del sistema de frenos que permiten al conductor superar los límites aún más durante las carreras. Este enfoque ayuda a garantizar que no se arrastre agregado a través de cambios de diseño ineficientes, al tiempo que ofrece información sobre las temperaturas de funcionamiento reales que podrían conducir a mejoras adicionales, como oportunidades para reducir aún más el peso del disco de freno si se demuestra que el enfriamiento es muy efectivo. Este estudio de un vehículo tipo GT3 comparó los resultados de la simulación con los resultados experimentales en una pista de carreras. La prueba continuó hasta que las temperaturas del disco de freno alcanzaron una condición estable (la temperatura no aumentó más después de cada vuelta). Al aprovechar la geometría giratoria real y el complejo modelo 3D, las condiciones se simularon en las soluciones PowerFLOW y PowerTHERM de SIMULIA. Se encontró una estrecha correlación entre los datos experimentales y de simulación. Además, la simulación temprana de la etapa de diseño permitió a los ingenieros encontrar una mejora en el diseño para reducir la temperatura del aceite externo y mejorar el enfriamiento del lado externo de la pinza. 7

7 W. Hunt, A. Price, S. Jelic, V. Staelens, M. Saif Ul-Hasnain. “Un enfoque de simulación acoplada para el enfriamiento de los frenos de pista de carrera para un auto de carrera GT3”. 10ª Conferencia FKFS. 29-30 de septiembre de 2015. Stuttgart.