Diseño
y construcción de un sistema para medir desgaste en forros de frenos de dis=
co
Design and
construction of a wear-measuring system in disc brake linings
Jorge Luis
Zambrano Guadalupe.[1],
Mariana Elizabeth Villa Orozco.[2], Lui=
s Fernando
Buenaño Moyano[3]&
Juan Carlos Palacios Almache.[4]
Recibido: 13-02-2019 / Revisado: 05-0=
3-2019
/Aceptado: 25-03-2019/ Publicado: 10-04-2019
The project was headed to the study, design and construction of an
electronic control system to measure the wear on the linings of brake pads =
in a
racing car. An analysis of the problem that originates in brake discs when
suffering premature and irreparable damages due to the wear of warning syst=
em
that brake pads have incorporated, being these the causes of the problem. T=
he
selection and implementation of electronic components was done to solve the
problem with the brake discs, ensuring their performance, their respective
care, increasing the usable life of both the disc and the lining of the bra=
ke
pads and especially to ensure the physical integ=
rity
of the vehicle. The results of the tests were excellent, as they managed to
consume 15% more than the amount of lining that’s normally achieved with a
steel sheet (strip) and avoids damages in the brake discs surface. By the
calculations of wear it is determined that the l=
iners
do not affect in any way the incorporated, since similarly measures the wear
the same system suffers, ensuring the normal operation and the certainty th=
at
you can use any type of brake linings.
Key words: Liners, disc, break, wear, electronic.
Resumen.
Este proyect=
o se
encaminó al estudio, diseño y construcción de un sistema de control electró=
nico
para medir el desgaste en los forros de las pas=
tillas
de frenos en un automóvil de competición. Se realizó un análisis sobre el
problema que se origina en los discos de freno al sufrir daños prematuros e
irreparables debido a los sistemas de alerta que traen incorporados, siendo=
los
causantes del problema. Se realizó la selección e implementación de compone=
ntes
electrónicos para solucionar el problema con los discos de frenos, garantiz=
ando
su desempeño, su cuidado respectivo, el incremento de la vida útil tanto del
disco como del forro de las pastillas de freno y sobre todo velar por la
integridad del piloto del vehículo. Los resultados obtenidos en las pruebas
fueron excelentes, se logró consumir 15 % más cantidad de forros de lo que
normalmente se logra con la lámina de acero y evitar daños en la superficie=
de
los discos. Mediante los cálculos de desgaste se determina que los forros no
afectan al sistema incorporado ya que de igual manera mide el desgaste que
sufren los mismos, garantizando su normal funcionamiento y la certeza de po=
der
utilizar cualquier tipo de forros de frenos.
Palabras cla=
ve: Forros, disc=
o,
freno, desgaste, electrónico.
Introducción.
El
sistema de frenos está diseñado para detener el vehículo a voluntad del
conductor, mediante el funcionamiento de los diferentes elementos que lo
conforman, ayudado por un fluido para amplificar la presión ejercida por el
conductor, logrando detener al vehículo con el mínimo esfuerzo posible.
Cabe
mencionar que dentro de los sistemas convencionales de frenos de discos que
tiene un vehículo de competición, existen dos elementos primordiales los cu=
ales
se encargan de realizar la detención del vehículo mediante la fricción
existente entre ellos, siendo estos los forros de las pastillas y los disco=
s de
frenos.
Se
tiene presente que los elementos a sufrir desgaste son los forros de las
pastillas de frenos, quienes poseen un límite de desgaste para evitar daños=
en
la superficie de contacto de los discos de frenos.
Este
límite lo controla una lámina de acero (fleje), que traen adheridas las
pastillas de frenos a sus cuerpos, emitiendo una señal ruidosa al momento d=
e ponerse
en contacto con la superficie del disco de freno.
Algunos
automóviles de competición aún poseen dichos sistemas de alerta de desgaste,
pero gracias a la tecnología que día a día gana importancia en el mundo del
automovilismo se han instalado nuevos dispositivos electrónicos para mejora=
r la
seguridad del sistema de frenos de discos. Dando origen a los sensores de
desgaste, para que suplanten a las tradicionales láminas de acero que traen
incorporadas las pastillas de frenos, para medir el desgaste que sufren las
mismas.
En la actualidad los vehículos de competición poseen varios sistemas que alert= an del desgaste en los forros de las pastillas de = frenos siendo estos: láminas de acero, los cables conductores y los sensores de desgaste, tratando de mejorar día a día el cuidado de los discos de freno.<= o:p>
Después
de haber analizado todos estos sistemas ya incorporados en distintos vehícu=
los
de competición y haber estudiado las condiciones de funcionamiento de cada =
uno
de ellos, así como también las exigencias que los circuitos de competición
poseen, se implementara un sistema de control electrónico para medir el
desgaste de los forros de las pastillas de frenos.
<= o:p>
D=
esarrollo
Para
desarrollar el sistema de control de desgaste se aplicó el método sistémico=
, el
cual impone seguir una secuencia de pasos los cuales conllevaron a modelar =
el
sistema medi=
ante
la determinación de sus componentes, así como las relaciones entre ellos
formando su estructura y dinámica basadas en un orden establecido por regla=
s,
llegando a la absoluta comprensión de la situación.
La
secuencia de pasos que se estableció para desarrollar el sistema de control=
de
desgaste de los forros de las pastillas de freno es:
1. =
Medir
el desgaste de los forros, por medio de un sensor.
2. =
Convertir
la señal enviada por el sensor, por medio de una tarjeta electrónica.
3. =
Procesar
la información, por medio del módulo de control programado.
4. =
Entregar
la información del desgaste, por medio de los actuadores.
5. =
Verificar
y comprobar el desgaste producido en los forros=
.
Gráfico 1. Método sistémico aplicado para el
desarrollo del sistema
Esquema operativo de control de desgaste.
En
el siguiente diagrama de bloques se indica la secuencia operacional de trab=
ajo
para controlar el desgaste que se genera en los forros=
de las pastillas de frenos con cada frenada que realice el vehículo.
Gráfico 2. Esquema operativo de monitoreo=
Diseño del módulo de
control.
Para
diseñar el módulo de control, se estableció una secuencia de operación,
definiendo los parámetros de diseño y construcción, así como también la
selección de los distintos elementos que intervendrán en la elaboración del=
módulo
de control electrónico.
Gráfico 3. Diagrama de bloques de la
secuencia operacional
Programación del módu=
lo
de control electrónico.
La
programación del módulo de control electrónico se la realizó de acuerdo a l=
as
características técnicas y básicas de funcionamiento del sensor de posición=
de
la válvula EGR, utilizando leguaje de Arduino, mediante el software de
programación denominado Arduino/Genuino Uno en COM1.
El
sensor de posición de la válvula EGR, es la parte física más importante del
sistema de medición, esto debido a que las condiciones y características de
funcionamiento que este posee son las más apropiadas, teniendo en cuenta las
exigencias que el sistema de frenos de discos de un vehículo de competición
requiere, siendo estas: resistencia al funcionamiento a la temperatura de
trabajo, vibraciones, reacciones
químicas y los factores climáticos del medio, para los cuales este sensor es
capaz de soportar.
Para
la programación fue indispensable la determinación de los pines de conexión=
y
el análisis de los datos que provienen del sensor los cuales permitieron
plantear la ecuación matemática, en función del voltaje (x) con respecto al
desplazamiento (y) del vástago del sensor, ya que el voltaje resultante dep=
ende
directamente de la variación del desplazamiento que realiza el vástago.
Gráfico 4. Curva característica obtenida =
del
sensor EGR
La
ecuación resultante es la siguiente:
Esta
expresión, evalúa el comportamiento del voltaje provisto por el sensor,
resultado de la medición de deformación de la pastilla de freno en el vehíc=
ulo
producto de la medición del desplazamiento del vástago del sensor, solidari=
o al
desgaste del material de freno.
La
lógica de la programación está dada de tal forma de que un cumpla diagrama =
de
flujo que rija todo el proceso adecuado de medición ya en el vehículo de
competición, el cuál se puede observar en el gr=
áfico
5.
Gráfico 5. Diagrama de flujo de la programación
Fuente: Autor
Una
vez terminada la programación se procedió a la construcción del módulo de
control electrónico y al desarrollo de las partes y piezas que constituyen =
la
parte mecánica del sistema de control, entre ellas se encuentran:
Placa soporte.=
Esta placa sir=
ve
tanto de apoyo como de sujeción del sensor de posición a la mordaza de fren=
o.
Perno de sujeción.
Se construyó un perno el cual servirá de sujeción para la mordaza y también
como base de apoyo para el sensor de posición desde la cual podrá tomar las
diferentes lecturas sobre el desgaste que sufren las pastillas de freno.
Modificación de morda=
za. La modificació=
n a
la mordaza de freno se realizó de acuerdo al requerimiento del funcionamien=
to tanto
del sensor de posición como del accionamiento de la mordaza.
Para
la construcción de la unidad de control se seleccionaron los componentes
adecuados, procediendo luego a la instalación del cableado y conexiones en =
el
vehículo, así como de los componentes mecánicos del sistema.
En
cuanto a la afectación de la masa que se incorpora al mecanismo la masa
original del sistema del mecanismo de frenos delanteros sin el sistema es de
9,32 Kg mientras que con el sistema de control adaptado es de 9,983Kg, dand=
o una
diferencia de 0.663 Kg lo cual no afecta significativamente al desempeño del
sistema.
Resultados
Dado
que el módulo de control cuenta con una pantalla LCD y un buzzer
de alerta, este es capaz de monitorear el desgaste y alertar de valores
críticos de desgaste de pastillas.
Gráfico 6. Verificación de funcionamiento=
del
sistema
Fuente:
Autores
Los
resultados de medidas arrojados por el sistema, durante pruebas experimenta=
les
se listan en la tabla 1.
Tabla 1.
Medidas de desgaste en mm y valor porcentual que el módulo arroja.
|
Porcentaje de desgaste (%) |
Desgaste (mm) |
|
0% |
0 mm |
|
10% |
1 mm |
|
20% |
2 mm |
|
30% |
3 mm |
|
40% |
4 mm |
|
50% |
5 mm |
|
60% |
6 mm |
|
70% |
7 mm |
|
80% |
8 mm |
|
90% |
9 mm |
|
100% |
10 mm |
Una
vez instalado el sistema, se procedió a realizar pruebas del funcionamiento
utilizando pastillas de freno en diversas condiciones, dando el siguiente
resultado.
Tabla
2.
Resultados de las pruebas
|
Pastillas Nuevas |
||
|
Denominación |
Resultados |
Descripción |
|
Medición sensor de desgaste |
0 mm |
Totalmente cerrado. |
|
% de desgaste. |
0 % |
Pastillas nuevas |
|
Mensaje informativo LCD |
Desgaste |
Cantidad de desgaste existente<= o:p> |
|
Pastillas usadas y en condiciones de ser sustitu=
idas |
||
|
Sensor de Posición (apertura del
vástago). |
9 mm |
Alerta el desgaste. |
|
% de desgaste. |
85 % - 100% |
Pastillas al límite del cambio.=
|
|
Mensaje informativo LCD |
Cambio pastilla |
Cambio inmediato de pastillas.<= o:p> |
Discusión
La
implementación de este instrumento de medición de pastillas de freno para
vehículos de competición, en este caso para el caso del Volkswagen Polo en =
el
cual fue instalado, y de acuerdo a las comparaciones con otro tipo de
avisadores de desgaste, ha demostrado ser efectivo e indispensable en el mu=
ndo
competitivo.
Mientras
que dispositivos avisadores de desgaste causan daños a los discos de freno =
de
competición ya que al ser normalmente los de fleje los más usados, estos
arruinan los discos del vehículo además de que ellos solo dan una idea del
desgaste de estos ya, tomando en cuenta además que muchas veces el mecanismo
desaprovecha en parte todavía el material de fricción de la pastilla.
En
contraparte el dispositivo implementado presenta gráficamente y en porcenta=
je
el desgaste que las pastillas van teniendo a lo largo de su período de vida
útil, previniendo daños al disco de freno ya que estos no son invasivos
respecto al funcionamiento del sistema de frenos.
Los
datos experimentales de acuerdo a las pruebas realizadas en nueve carreras,
demostró porcentajes de error de medición de no más del 10%, el cual no es =
muy
apreciable ya que hay que considerar variables tales como temperatura de
funcionamiento y el contexto operacional en el cual se está desarrollando la
válida.
Además, en los valores críticos de desga=
ste la
exactitud del sistema es alta e ideal ya que es el momento más crítico en el
cual el equipo de carreras desea saber para cambiar las pastillas.
Es
importante destacar que luego de las nueve carreras se logró usar un juego =
de
discos de frenos, normalmente se suelen utilizar hasta un juego de discos en
tres carreras, además de haber utilizado eficazmente el material de fricción
hasta que el sistema indicaba la alerta de cambio.
La
utilización de este sistema en el equipo de rally en el que se implemento f=
ue exitoso ya que se consiguió un 66.67% en ahorro en cos=
tos de
mantenimiento gracias al no tener que usar demasiados pares de discos de fr=
eno.
Tabla
3.
Análisis Costo beneficio
|
Número =
de
Carreras |
Número =
de
Juegos de discos de freno |
Sistema=
de
alerta de pastillas |
Costo |
% Gasto=
|
|
9 |
3 |
Convencional |
2400 |
66,67% |
|
9 |
1 |
Sistema de Control Electrónico |
1200 |
33,33% |
<= o:p>
C=
onclusiones.
· =
Mediante
el diseño y construcción del sistema de control electrónico, se controló el
desgaste que sufren los forros de las pastillas de frenos, para realizar la
sustitución correspondiente, cuando ya han alcanzado su límite máximo de
desgaste, establecido por la programación del módulo de control
electrónico.
· =
Se
solucionó el problema que existía con los antiguos elementos que alertaban
sobre el desgaste de los forros de las pastillas, los cuales provocaban dañ=
os
en la superficie de los discos de frenos.
· =
Mediante
el análisis de costo beneficio realizado, se comprobó que, al instalar el
sistema de control electrónico de desgaste, se obtiene un ahorro del 66,67%=
en
el costo de mantenimiento del sistema de frenos.
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http://cienciadigital.org/revistacienciadigita=
l2/index.php/CienciaDigital/article/view/424/968
=
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=
Vol.
3, N°2, p. 435-446, abril - junio, 201