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TKART magazine Técnica | Los secretos del disco de freno
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LOS SECRETOS DEL DISCO DE FRENO

TKART Staff
16 Febrero 2018
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Siendo el principal responsable del frenado de un kart en movimiento, el disco de freno es un componente cuyo concepto  fundamental es sencillo, pero que, al día de hoy, se estudia hasta en el más mínimo detalle y se elabora con características que son el resultado de tecnologías y concepciones diversas.
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En nuestros días, cuando se “disco de freno”, se piensa en un concentrado de tecnología, realizado con materiales de vanguardia y siguiendo proyectos y simulaciones por ordenador. Todo esto es cierto, y sin embargo esta pieza tan moderna esconde un origen muy antiguo, que según la leyenda se remonta incluso hasta hace unos miles de años. Se narra, en efecto, que la primera aplicación del disco de freno fue en un torno vertical utilizado para moldear vasijas y constituido, precisamente, por un disco inferior de gran tamaño, movido y frenado con las plantas de los pies del hombre. Leyendas, supuestamente, pero cualquiera que sea su origen efectivo, el disco de freno sigue siendo, todavía hoy, el sistema más sencillo y eficaz para disipar la energía cinética de un vehículo
en movimiento (seguramente más eficiente que el sistema de “tambor”).
Tampoco el kart, por tanto, puede prescindir de este componente, que se monta en el eje posterior y también, en los vehículos de las clases de marchas, en las dos ruedas delanteras. Naturalmente, para llevar a cabo la acción de frenado, sobre el disco han de actuar las pastillas y la pinza, que a su vez está dirigida por una bomba hidráulica accionada mediante la presión del pie del piloto en el pedal de freno.
La energía cinética del kart en movimiento, calculada según la fórmula mostrada aquí arriba, es la que ha de ser disipada en forma de fricción de contacto entre las pastillas y el disco (es decir, siendo transformada en calor) para detener el kart.
LA ENERGÍA CINÉTICA DE UN KART DERIVA DE LA MASA TOTAL DEL VEHÍCULO (PILOTO + KART COMPLETO) Y DE LA VELOCIDAD AL CUADRADO
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Ecin= ½ mv<SUP>2</SUP>
Ejemplo: m=180 Kg; v=120 km/h (33.33 m/seg). Ecin = 1/2*180*33.33*33.33 = 100000 (Joules) aprox.
BANDA DE FRENADO
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Disco perforado: hay que tener cuidado con las perforaciones en el arrabio porque, con el tiempo, pueden producirse grietas entre un agujero y otro
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Disco ranurado: los trabajos en la banda de frenado tienen la función de reavivar las pastillas y evacuar los gases producidos durante un frenado intenso (presencia del Fading, que hace disminuir el coeficiente de fricción a temperaturas elevadas)
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Disco fresado
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Disco “de margarita”: esta elaboración del disco de freno tiene también la ventaja de disminuir su peso final
ALETAS
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Las aletas internas, además de ventilar el disco cuando este gira, le proporcionan un aligerado adicional (¡todo lo que gira ha de ser lo más ligero posible!)
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Aletas (teniendo en cuenta la sección) rectas, inclinadas, “helicoidales” o a forma de “travesaños”
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Aletas (teniendo en cuenta la sección) rectas, inclinadas, “helicoidales” o a forma de “travesaños”
SIMULACIÓN FEM
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La técnica del “Finite Element Method” crea una malla de puntos del modelo del disco simulando el tipo de material. A este se le aplican después, virtualmente, todas las vinculaciones, las condiciones y las solicitaciones causadas por la frenada entre el disco y la pastilla
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El mismo procedimiento se aplica a la simulación de las condiciones de un pastilla bajo esfuerzo
El coeficiente de fricción (la fuerza aplicada en el disco y los materiales de acoplamiento disco-pastillas) varía en función de la velocidad de deslizamiento y disminuye según se vaya aplicando la presión. El calor y la fricción someten el sistema a esfuerzo y llevan al desgaste tanto de las pastillas como del disco mismo, llegando incluso a causar, a veces, deformaciones permanentes en las dos piezas. Para evitar inconvenientes, es indispensable el mantenimiento. Empezando por comprobar que disco esté recto, lo cual se lleva a cabo colocando un comparador en las bandas de frenado: haciendo girar el disco, la oscilación debe ser menor de 0,1 mm, de otra forma, hay que sustituirlo (se desaconseja la rectificación en cuanto que se corre el riesgo de reducir demasiado el espesor, cuya valor mínimo suele estar indicado en el disco).
Para contrarrestrar estos esfuerzos, al diseñar el disco y las pastillas hay que poner una atención especial en las geometrías, los espesores y los materiales. Por lo que se refiere a estos últimos, el más utilizado para la realización de los discos es la fundición (gris modular o esferoidal, con una dureza en torno a los 250 HB;  o bien blanca, mucho más dura, pero frágil). En determinados casos, se puede recurrir también a fundiciones especiales, por ejemplo la esferoidal de tipo “GJS600”, cuya resistencia mecánica a la tracción es típica del acero (unos 600 N/mm2). Otro material indicado para los discos de kart es el acero inox de la familia “AISI 400”, que puede ser temperado para alcanzar una dureza de unos 50 HRC. El acero inox combina bien con las pastillas sinterizadas (las de cobre, etc.), mientras que para la fundición son más indicadas las pastillas de material orgánico (tradicionales, de color negro).
Otro parámetro determinante para la elección del disco es la banda de frenado, considerada tanto en su forma como en su amplitud. La banda de frenado puede tener orificios, ranuras, varios fresados o, de nuevo, forma de “margarita”.
Para disipar en mayor medida el calor del frenado se recurre a discos ventilados. Estos se obtienen por fundición, mediante un proceso que supone la interposición de un macho, convenientemente diseñado, de arena y resina (para hacerlo más sólido en los desplazamientos del proceso). Ello vacía el disco en su interior, creando unas aletas que pueden presentar varias conformaciones. El aire aspirado hacia el interior y procedente de los lados es movido y expulsado gracias al efecto de “hélice” radial creado por las aletas internas durante el giro. Hay que hacer hincapié en que la superficie de una banda de frenado puede superar los 600 °C de temperatura cuando trabaja. Un disco de carbono de F1 puede superar los 1000 °C. En el karting, para
contener los costes, el reglamento prohíbe el uso de estos materiales (hay que pensar que el proceso de fabricación de un disco acabado de carbono puede durar meses). El reglamento prohíbe también materiales especiales como los carbocerámicos.
En pasado, se han testado y empleado además discos de aluminio con inserciones de cerámica, molibdeno u otros, obtenidos con procesos flame spraying o plasma spraying. Se apreciaban los discos de este tipo por su notable ligereza y por la reducción al mínimo del movimiento giroscópico.
El disco es un elemento sometido a mucho esfuerzo, sea por el calor que por los empujes de la pinza, que pueden no ser perfectamente equilibrados. Por esto, puede llegar a deformarse de manera permanente. Sabemos que el fenómeno ha empezado a producirse cuando notamos una coloración azulada en las pistas. Otra característica de casi todos los discos usados en el kart es la de ser flotantes.
La fuerza aplicada al disco y los materiales de acoplamiento entre disco y pastillas describen el coeficiente de fricción. De manera indicativa, el valor gira en torno a 0,4 (el del neumático respecto al terreno es cerca de 0,8)
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FLOTACIÓN
El método de flotación más utilizado es el que usa trinquetes circulares de centrado y de conexión, que consienten un leve juego axial
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