determinación de frecuencias del fenómeno de vibración en frenos alejandro gallego cardona ...

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DETERMINACIÓN DE FRECUENCIAS DEL FENÓMENO DE VIBRACIÓN EN
FRENOS

ALEJANDRO GALLEGO CARDONA

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
PEREIRA
2014
DETERMINACIÓN DE FRECUENCIAS DEL FENÓMENO DE VIBRACIÓN EN
FRENOS

ALEJANDRO GALLEGO CARDONA

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

D.Sc JOSÉ IGNACIO HUERTAS CARDOZO
Ph.D JUAN ESTEBAN TIBAQUIRÁ GIRALDO

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
PEREIRA
2014
Nota de Aceptación

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Firma del presidente del jurado

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Firma del jurado

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Firma del jurado

Pereira, Mayo de 2014
DEDICATORIAS

Este trabajo está dedicado a mi familia en general, particularmente a mis padres,
Carlos Humberto Gallego Villegas y Elizabeth Cardona Segura, por su dedicación
y esfuerzo inagotable en mi proceso de formación académica y personal. A mi
hermano Tomás Gallego Cardona, quien es mi mayor motivación para crecer
profesionalmente.
A mi abuela Gloria Segura, mis tías Adriana y Patricia Cardona Segura, y Omar
Félix Ocampo por su apoyo permanente.
También lo dedico a mi novia Alejandra Gutiérrez Correa, quien ha sido la persona
que me ha brindado la fuerza necesaria para culminar este proceso de pregrado y
me ha brindado su apoyo incondicional en todos los ámbitos de la vida.
AGRADECIMIENTOS

Agradezco al Centro de Investigación en Mecatrónica Automotriz – CIMA, del
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Toluca,
especialmente al doctor José Ignacio Huertas Cardozo, por la oportunidad que me
brindó para llevar a cabo mi proceso de práctica empresarial en el centro de
investigación. También al ingeniero Juan David Uribe Posada y a la maestra
Natalia Navarrete Alzate por el tiempo dedicado al proyecto y en general a todos
mis compañeros del CIMA.
A mis compañeros de estancia Ricardo Salazar Ramírez, María Paula Pérez
Peña, Natalia Daza Pulido, Lina Tabares y Katherine Chávez Vieda, por todas las
experiencias personales y académicas compartidas y a la señora Raquel Figueroa
por la hospitalidad brindada en su hogar.
Al doctor Juan Esteban Tibaquirá Giraldo, a los maestros Luis Felipe Quirama
Londoño, Sebastián Ospina Castro, y a mis compañeros de carrera Andrés Areiza
Martínez y Laura Betancur Santana por su acompañamiento durante el proceso de
pasantía internacional.
CONTENIDO:
1. RESUMEN .................................................................................................... 23
2. INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 12
3. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA..................................................................... 13
4. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 14
5. ANTECEDENTES ......................................................................................... 15
5.1 MARCO REFERENCIAL .......................................................................................... 15
5.1.1 Estado del arte................................................................................................................ 15
5.2 MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 21
5.2.1 Sistema de frenos de disco. ........................................................................................... 21
5.2.2 Disco o rotor de freno. .................................................................................................... 24
5.2.2.1 Principio de funcionamiento de los discos de freno. ............................................................. 25
5.2.2.2 Materiales de fabricación de discos...................................................................................... 26
5.2.2.3 Geometría del disco de freno. .............................................................................................. 26
5.2.3 Pastillas o balatas de freno. ............................................................................................ 27
5.2.4 Pinza o mordaza de freno. .............................................................................................. 28
5.2.5 Líquido de frenos. ........................................................................................................... 29
5.2.6 Bomba de freno o cilindro principal................................................................................. 29
5.2.7 Servofreno. ..................................................................................................................... 30
5.2.8 Brazo axial de la dirección. ............................................................................................. 31
5.3 MARCO CONCEPTUAL ........................................................................................... 32
5.3.1 Fallas en los elementos del sistema de frenos. .............................................................. 32
5.3.1.1 Alabeo en los discos. ........................................................................................................... 33
5.3.1.2 Corrosión de discos. ............................................................................................................ 33
5.3.1.3 Discos agrietados. ............................................................................................................... 34
5.3.1.4 Discos rayados. ................................................................................................................... 35
5.3.1.5 Porosidades en la superficie de fricción del disco. ................................................................ 36
5.3.1.6 Discos quemados. ............................................................................................................... 36
5.3.1.7 Desgaste desigual en la superficie de fricción. ..................................................................... 38
5.3.1.8 Discos vitrificados. ............................................................................................................... 38
5.3.1.9 Depósitos de material de fricción en los discos. ................................................................... 39
5.3.1.10 Cristalización de las pastillas. ............................................................................................ 40
5.3.2 Brake Judder. ................................................................................................................. 40
5.3.2.1 Hot Judder. .......................................................................................................................... 41
5.3.2.2 Cold Judder. ........................................................................................................................ 42
5.3.2.3 Brake Squeal. ...................................................................................................................... 42
6. DISEÑO METODOLÓGICO .......................................................................... 43
6.1 METODOLOGÍA ....................................................................................................... 43
6.2 FASES DEL PROYECTO ......................................................................................... 44
6.2.1 Sistema de frenos, componentes y mecanismos............................................................ 44
6.2.2 Fenómeno de vibración en frenos brake judder. ............................................................ 45
6.2.2.1 Trabajo previo a la elaboración del proyecto. ....................................................................... 46
6.2.2.1.1 diseño de dinamómetro. ............................................................................................... 46
6.2.3 Pruebas estáticas de frenado. ........................................................................................ 54
6.2.4 Medición de los elementos de fricción del sistema. ........................................................ 55
6.2.5 Pruebas dinámicas de frenado. ...................................................................................... 55
6.3 METODOLOGÍAS ESPECÍFICAS............................................................................ 56
6.3.3 Metodología para las pruebas estáticas de frenado. ...................................................... 56
6.3.3.1 Vehículo de pruebas ............................................................................................................ 56
6.3.3.2 Instrumentos utilizados. ....................................................................................................... 57
6.3.3.2.1 Transductor de presión. ............................................................................................... 57
6.3.3.2.2 Tarjeta de adquisición de datos DAQ. .......................................................................... 58
6.3.3.3 Controlador de aceleración. ................................................................................................. 59
6.3.3.4 Medición de presión de frenado. .......................................................................................... 62
6.3.3.4.1 Instalación eléctrica del transductor de presión ............................................................. 63
6.3.3.4.2 Instalación hidráulica del transductor de presión. .......................................................... 67
6.3.3.4.3 Instalación mecánica para el control de frenado. .......................................................... 69
6.3.3.5 Realización de pruebas estáticas de frenado. ...................................................................... 71
6.3.4 Medición de los elementos de fricción del sistema de frenos. ........................................ 73
6.3.4.1 Matrices para disco.............................................................................................................. 73
6.3.4.1.1 Matriz de papel. ........................................................................................................... 74
6.3.4.1.2 Matriz metálica. ............................................................................................................ 75
6.3.4.1.3 Matriz universal. ........................................................................................................... 76
6.3.4.2 Instrumento utilizado para las mediciones de discos. ........................................................... 76
6.3.4.3 Medición de discos con matriz. ............................................................................................ 77
6.3.4.4 Medición de discos sin matriz. ............................................................................................. 79
6.3.4.5 Matrices para pastillas. ........................................................................................................ 81
6.3.4.5.1 Matriz maquinada......................................................................................................... 81
6.3.4.5.2 Matriz de puntos. ......................................................................................................... 82
6.3.4.6 Instrumento utilizado para las mediciones de pastillas.......................................................... 83
6.3.4.7 Medición de pastillas con matriz........................................................................................... 84
6.3.4.8 Medición de pastillas sin matriz. ........................................................................................... 84
6.3.4.9 Medición de la temperatura del disco de freno. .................................................................... 85
6.3.5 Metodología para las pruebas dinámicas de frenado. .................................................... 88
6.3.5.1 Vehículos de pruebas .......................................................................................................... 88
6.3.5.1.1 Nissan Sentra SE-R modelo 1992 ................................................................................ 88
6.3.5.1.2 Suzuki SX4 modelo 2007 ............................................................................................. 90
6.3.5.1.3 Dodge Journey modelo 2012........................................................................................ 91
6.3.5.1.4 Nissan Tiida sedan modelo 2012 .................................................................................. 93
6.3.5.1.5 Peugeot 407 modelo 2007 ........................................................................................... 94
6.3.5.1.6 Chevrolet Sonic modelo 2013 ....................................................................................... 96
6.3.5.2 Instrumentos utilizados. ....................................................................................................... 97
6.3.5.2.1 Transductor de aceleración (acelerómetro). .................................................................. 97
6.3.5.2.2 Chasis de tarjeta de adquisición de datos RAQ. ........................................................... 98
6.3.5.2.3 Módulos CompactDAQ. ................................................................................................ 99
6.3.5.3 Medición de vibración. ....................................................................................................... 101
6.3.5.4 Conexión de los acelerómetros. ......................................................................................... 102
6.3.5.5 Realización de pruebas dinámicas de frenado. .................................................................. 106
6.4 CRITERIOS DE VALIDEZ....................................................................................... 108
6.5 DECLARACIÓN DE HIPÓTESIS............................................................................ 109
7. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................ 110
7.1 MEDICIÓN DE ELEMENTOS DE FRICCIÓN DEL SISTEMA DE FRENOS. ... 110
7.1.1 Patrón de desgaste de discos de freno. ....................................................................... 110
7.1.2 Patrón de desgaste de pastillas de freno. ..................................................................... 120
7.1.3 Frecuencias de vibración. ............................................................................................. 122
7.1.3.1 Frecuencias de vibración Nissan Sentra SE-R ................................................................... 123
7.1.3.2 Frecuencias de vibración Suzuki SX4. ............................................................................... 127
7.1.3.3 Frecuencias de vibración Dodge Journey. .......................................................................... 130
7.1.3.4 Frecuencias de vibración Nissan Tiida. .............................................................................. 132
7.1.3.5 Frecuencias de vibración Peugeot 407 .............................................................................. 136
7.1.3.6 Frecuencias de vibración Chevrolet Sonic .......................................................................... 140
7.1.3.7 Resumen de frecuencias de vibración. ............................................................................... 144
7.1.3.7.1 Tabla de frecuencias del pedal del freno. ................................................................... 144
7.1.3.7.2 Tabla de frecuencias del brazo axial en el eje Z.......................................................... 145
7.1.3.7.3 Tabla de frecuencias del brazo axial en el eje X. ........................................................ 145
7.1.3.7.4 Tabla de frecuencias del brazo axial en el eje Y. ....................................................... 146
8. CONCLUSIONES .......................................................................................... 147
9. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 152
LISTA DE FIGURAS:

Figura 1. Características de vibración del fenómeno brake judder2 ...................... 16
Figura 2. Descripción del ruido generado a partir de frecuencias.......................... 17
Figura 3. Planteamiento del problema del fenómeno brake judder2 ...................... 18
Figura 4. Compresibilidad de pastillas .................................................................. 19
Figura 5. Puntos calientes en la superficie de contacto del disco5 ........................ 19
Figura 6. Gradientes de temperatura en la superficie de contacto del disco5 ........ 20
Figura 7. Bandas calientes en la superficie de contacto del disco5 ....................... 20
Figura 8. Puntos calientes macroscópicos en la superficie de contacto del disco . 21
Figura 9. Sistema de frenos .................................................................................. 23
Figura 10. Componentes del conjunto disco-mordaza6 ......................................... 24
Figura 11. Disco o rotor de freno9 ......................................................................... 25
Figura 12. Pastillas o balatas de freno6 ................................................................. 27
Figura 13. Pinza o mordaza de freno6 ................................................................... 28
Figura 14. Bomba de freno o cilindro principal6 ..................................................... 30
Figura 15. Servofreno6 .......................................................................................... 31
Figura 16. Brazo axial de la dirección10................................................................. 32
Figura 17. Disco alabeado .................................................................................... 33
Figura 18. Disco corroído...................................................................................... 34
Figura 19. Disco agrietado9 .................................................................................. 35
Figura 20. Disco rayado9 ...................................................................................... 35
Figura 21. Disco con porosidad13 .......................................................................... 36
Figura 22. Disco quemado13 ................................................................................. 37
Figura 23. Disco rectificado con manchas de cementita9 ...................................... 37
Figura 24. Disco con desgaste irregular13 ............................................................. 38
Figura 25. Disco vitrificado9 .................................................................................. 39
Figura 26. Disco con depósito de material de fricción9 .......................................... 39
Figura 27. Pastilla cristalizada13 ............................................................................ 40