Análisis númerico del comportamiento térmico de un freno de disco automotriz tipo naca

Resumen

Introducción: El sistema de frenado de un automóvil debe trabajar en forma segura y predecible en cualquier circunstancia, lo cual implica disponer de un nivel estable de fricción, en cualquier condición de temperatura, humedad y salinidad del medio ambiente. Para un correcto diseño y operación de los discos de freno, es necesario considerar diferentes aspectos, tales como la geometría, el tipo de material, la resistencia mecánica, la temperatura máxima, la deformación térmica, la resistencia al agrietamiento, entre otros. Objetivo: El objetivo de este estudio fue analizar el comportamiento de la temperatura y la velocidad de flujo de calor en el conducto de ventilación de un freno de disco automotriz con pilares de ventilación tipo NACA 66-29 utilizando la dinámica de fluidos computacional (CFD). Metodología: Se utilizó el  software de diseño SolidWorks Simulations para analizar el comportamiento del fluido (aire) en términos de velocidad y capacidad de disipación de calor. Resultados: Los resultados numéricos para el flujo de calor a través de los canales de ventilación se compararon con los resultados obtenidos matemáticamente. Los resultados numéricos mostraron que los discos se desempeñaron bien bajo condiciones de operación severas (80 km/h y una temperatura ambiente de 12°C). Es muy importante en el diseño del disco de freno seleccionar la geometría apropiada, particularmente el número y la sección transversal de los conductos, y el tipo de material. Conclusiones: Los métodos numéricos ofrecen ventajas para seleccionar la geometría y el material y para modelar el flujo de fluido para optimizar la disipación de calor para proporcionar el máximo rendimiento para componentes adecuadamente mantenidos.

Palabras clave: CFD, FEA, Solidworks, Autoventilación, NACA, Fluidos

Referencias

R. A. García-León and E. Flórez-Solano, “Estudio analítico de la trasferencia de calor por convección que afectan los frenos de disco ventilados,” Tecnura, vol. 20, no. Edicion Especial, pp. 15–30, 2016.

R. A. García-León, E. Flórez-Solano, and C. Acevedo-Peñaloza, Análisis termodinámico en frenos de disco. Bogota, Colombia: ECOE Ediciones, 2018.

R. A. García-León, “Evaluación del comportamiento de los frenos de disco de los vehículos a partir del análisis de la aceleración del proceso de corrosión.,” Tesis de pregrado en ingeniería Mecánica, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2014.

F. Talati and S. Jalalifar, “Investigation of heat transfer phenomena in a Ventilated Disk Brake Rotor with Straight radial rounded vanes,” Appl. Sci., vol. 20 (8), no. 1812–5654, pp. 3583–3592, 2018.

R. A. García-León, M. A. Acosta, and E. Flórez, “Análisis del comportamiento de los frenos de disco de los vehículos a partir de la aceleración del proceso de corrosión,” Tecnura, vol. 19, no. 45, pp. 53–63, 2015.

R. A. García-León and E. Flórez Solano, “Estudio analítico de la transferencia de calor por convección que afectan los frenos de disco ventilados,” Tecnura, vol. 20, pp. 15–30, 2016.

S. Hirasawa, T. Kawanami, and K. Shirai, “Numerical analysis of convection heat transfer on high-temperature rotating disk at bottom surface of air flow duct,” in ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Proceedings (IMECE), 2014, vol. 8A.

D. Porta, C. Echeverría, A. Aguayo, J. E. H. Cardoso, and C. Stern, Recent Advances in Fluid Dynamics with Environmental Applications. 2016.

L. S. Bocîi, “The influence of braking time on heat flow through the friction surfaces of the friction elements of disk brakes for railway vehicles,” Transport, vol. 26, no. 1, pp. 75–78, 2011.

R. A. García-León and E. Pérez Rojas, “Analysis of the amount of heat flow between cooling channels in three vented brake discs,” Ing. y Univ., vol. 21, no. 1, pp. 71–96, 2017.

H. B. Yan, S. S. Feng, X. H. Yang, and T. J. Lu, “Role of cross-drilled holes in enhanced cooling of ventilated brake discs,” Appl. Therm. Eng., vol. 91, pp. 318–333, 2015.

R. A. García-León and E. Flórez-Solano, “Dynamic analysis of three autoventilated disc brakes,” Ing. e Investig., vol. 37, no. 3, pp. 102–114, 2017.

C. A. Jimenez Garcia, J. E. Rivera López, J. M. Casillas Navarrete, G. J. Gutiérrez Paredes, A. Medina Ovando, and J. L. Arciniega Martínez, “Medición del campo de velocidad en la succión y descarga de un disco de freno automotriz con pilares de ventilación tipo gota, por medio de velocimetría por imágenes de partículas (VIP),” Rev. Congr. Iberoam. Ing. Mecánica, no. 1, pp. 1–9, 2015.

R. A. García-León, R. D. Echavez-Díaz, and E. Flórez-Solano, “Análisis termodinámico de un disco de freno automotriz con pilares de ventilación tipo NACA 66-209,” INGECUC, vol. 14, no. 2, pp. 9–18, 2018.

C. Senatore, M. Wulfmeier, I. Vlahinić, J. Andrade, and K. Iagnemma, “Design and implementation of a particle image velocimetry method for analysis of running gear–soil interaction,” J. Terramechanics, vol. 50, no. 5, pp. 311–326, 2013.

W. Hu, B. Tomg, and H. Liu, “Dynamics of free straight swimming of angulla angulla including forward, braking and backward locomotion,” J. Hydrodyn. Ser. B, vol. 19, no. 4, pp. 395–402, 2007.

Z.-C. Huang, H.-H. Hwung, S.-C. Hsiao, and K.-A. Chang, “Laboratory observation of boundary layer flow under spilling breakers in surf zone using particle image velocimetry,” Coast. Eng., vol. 57, no. 3, pp. 343–357, 2010.

R. D. Echavez-Díaz and A. Quintero-Orozco, “Estudio experimental del comportamiento dinámico del fluido del aire a través de un disco de freno automotriz con pilares de ventilación tipo NACA 66-209,” Tesis de pregrado en Ingeniería Mecanica, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2017.

Z. Chi, Y. He, and G. Naterer, “Convective heat transfer optimization of automotive brake discs,” SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech. Syst., vol. 2, no. 1, pp. 961–969, 2009.

Y.-H. Ho, M. M. Athavale, J. M. Forry, R. C. Hendricks, and B. M. Steinetz, “Numerical simulation of secondary flow in gas turbine disc cavities, including conjugate heat transfer,” in ASME 1996 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition, GT 1996, 1996, vol. 1.

R. A. García-León, “Thermal study in three vented brake discs, using the finite element analysis,” DYNA, vol. 84, no. 200, pp. 19–27, 2017.

M. N. Dhaubhadel, “Review: CFD Applications in the Automotive Industry,” J. Fluids Eng., vol. 118, no. 4, p. 647, 1996.

M. N. Dhaubhadel, “CFD applications in the automotive industry (invited keynote presentation),” Am. Soc. Mech. Eng. Fluids Eng. Div. FED, vol. 239, pp. 473–480, 1996.

J. Wurm, M. Fitl, M. Gumpesberger, E. Väisänen, and C. Hochenauer, “Novel CFD approach for the thermal analysis of a continuous variable transmission (CVT),” Appl. Therm. Eng., vol. 103, pp. 159–168, 2016.

M. Pevec, I. Potrc, G. Bombek, and D. Vranesevic, “Prediction of the cooling factors of a vehicle brake disc and its influence on the results of a thermal numerical simulation,” Int. J. Automot. Technol., vol. 13, no. 5, pp. 725–733, 2012.

J. Ruan, P. D. Walker, P. A. Watterson, and N. Zhang, “The dynamic performance and economic benefit of a blended braking system in a multi-speed battery electric vehicle,” Appl. Energy, vol. 183, pp. 1240–1258, 2016.

M. Gulec, E. Yolacan, and M. Aydin, “Design, analysis and real time dynamic torque control of single-rotor-single-stator axial flux eddy current brake,” IET Electr. Power Appl., vol. 10, no. 9, pp. 869–876, 2016.

A. Q. Xu, “Study on the dynamic characteristics of a high frequency brake based on giant magnetostrictive material,” Smart Mater. Struct., vol. 25, no. 6, 2016.

W. Wei, Y. Hu, Q. Wu, X. Zhao, J. Zhang, and Y. Zhang, “An air brake model for longitudinal train dynamics studies,” Vehicle System Dynamics. Taylor and Francis Ltd., School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian jiaotong University, Dalian, People’s Republic of China, pp. 1–17, 2016.

A. Shahril, R. Samin, J. M. Juraidi, and J. Daut, “Structural analysis of brake disc using dynamic simulation,” ARPN J. Eng. Appl. Sci., vol. 10, no. 17, pp. 7805–7808, 2015.

U. Andreaus and P. Casini, “Dynamics of friction oscillators excited by a moving base and/or driving force,” J. Sound Vib., vol. 245, no. 4, pp. 685–699, 2001.

Y. Cengel, Tansferencia de calor y masa. Un enfoque práctico. Tercera edición. México: McGraw-Hil, 2007.

D. R. Flores Galindo, “Diseño de perfiles aerodinámicos.,” Tesis de Maestria en Ingeniería de Manufactura, Instituto Politécnico Nacional, 2006.

R. García-León, E. Flórez-Solano, and Á. Suárez-Quiñones, “Brake Discs: a Technological Review From Its Analysis and Assessment,” Inf. Técnico, vol. 83, no. 2, pp. 217–234, 2019.

A. Sobachkin, G. Dumnov, and A. Sobachkin, “Base numérica de CFD integrada en CAD. Informe Técnico.,” SolidWorks, 2014.

A. Thuresson, “CFD and Design Analysis of Brake Disc,” Charlmers University Of Tecnology, 2014.

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Publicado
2020-10-28
Cómo citar
García León, R., Guerrero Gómez, G., & Acevedo Peñaloza, C. (2020). Análisis númerico del comportamiento térmico de un freno de disco automotriz tipo naca. INGE CUC, 17(1). https://doi.org/10.17981/ingecuc.17.1.2021.03
Sección
Artículos