Modelado, simulación y optimización de un sistema de frenado por disco de fricción, en diferentes condiciones de funcionamiento

Abstract

RESUMEN: En el siguiente Trabajo de Fin de Grado se presenta un estudio de diseño y simulación de un sistema de disco de freno atendiendo a factores tales como la geometría, comportamiento ante altas temperaturas y, por ende, la propia capacidad de disipar la energía mecánica del movimiento del sistema en energía térmica; que es en sí la finalidad de cualquier sistema de frenado convencional. Inicialmente se toman en cuenta las posibilidades geométricas existentes en el mercado actual, de modo que haya un punto de partida en el diseño del disco. Las alternativas más sencillas por las cuales se procede son los discos macizos y los discos perforados, ya que los diseños de discos ventilados e hiperventilados conlleva bastante más complejidad en el manejo de herramientas CAD. Una vez establecida la geometría a estudiar se procede al mallado de la misma. Esta geometría es importada desde el software CAD de Autodesk Inventor hacia el software de elementos finitos ANSYS, donde se define el tipo de elemento de mallado, todo esto con la finalidad de conseguir resultados más precisos dentro de las limitaciones del programa. La simulación se dispone de dos estudios distintos, pero íntimamente relacionados, los cuales son el cálculo estructural y posteriormente el estudio térmico del disco en funcionamiento. Finalmente se propone una segunda geometría que, al someterla a las mismas simulaciones, supondrá resultados distintos los cuales al ser evaluados dan lugar a conclusiones acerca de cuál de las alternativas supone un mejor comportamiento general enfocado en la disipación de energía, el cual es el propósito final del diseño de un freno.

ABSTRACT: In the following project, a design and simulation study of a brake disc system is presented, considering factors such as geometry, behavior at high temperatures, and therefore, the very ability to dissipate the mechanical energy of the system’s movement into thermal energy, which is the sole purpose of any conventional braking system. Initially, the geometric alternatives existing in the current market are taken into account, so that there is a starting point in the design of the disc. The simplest alternatives in which we proceed are solid discs and perforated discs since the design of ventilated and hyper-ventilated discs entail much more complexity in the handling of CAD software tools. Once the geometry is established, we proceed to study the meshing of itself. The geometry is initially imported from the CAD software Autodesk Inventor to the finite elements software ANSYS, from where the elements that compose the meshing are defined. All this in order to achieve more accurate results within the limitations of the program. The simulation consists in two different, but intimately related studies, which are the transient structural calculation and the thermal study of the disc in operation. Finally, a second geometry is proposed that, when subjected to the same simulations, will mean different results which when evaluated give rise to conclusions about which of the alternatives supposes a better behavior in general, focused on the dissipation of energy.