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Sistema de Frenos Formula1

Estudiantes de automoción

Indice: -

Básicos de los Frenos y Funcionamiento

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Sistema de Refrigeración de los Frenos

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Conductos “L”

Los coches de Fórmula Uno, al igual que los aviones militares y algunos de los más modernos aviones de pasajeros, utilizan un material de frenos muy diferentes al que suele encontrarse en los coches de carretera. Un turismo habitual utiliza un disco de frenos de hierro fundido, con una pastilla de frenos orgánica. En cambio, en un F1, se utiliza el mismo material para el disco y la pastilla, y este material se conoce por el nombre de carbono-carbono. Este es un material muy distinto al de la fibra de carbono que se utiliza para el resto del coche. El carbono-carbono es en esencia carbono puro y extremadamente ligero (aprox. el 50% del peso del material standard) y también posee un nivel más alto de fricción en unas temperaturas adecuadas de operatividad. Llega aproximadamente al 0.6 en comparación del 0.3 de los materiales convencionales.

Discos de carbono

Fabricar los discos de carbono-carbono conlleva un largo proceso en el que se han de invertir cientos de horas de trabajo y en el que los materiales se calientan hasta los 2500°C de temperatura. La complejidad del proceso también explica la otra gran característica de las pastillas y los frenos de disco carbono-carbono: su coste. Un juego de discos de freno (cuatro) cuesta 4500 dólares, mientras que un juego de pastillas (ocho) alcanza los 2400 dólares. Y está previsto que el equipo utilice unos 200 discos a lo largo del año y el doble en cuanto al número de pastillas.

Esquema partes freno de F1

Cuando determinamos el funcionamiento de los frenos, lo hacemos en función de dos parámetros: agarre y consistencia. El agarre es la fricción inicial que se experimenta cuando el piloto presiona el pedal del freno y éstos aún no están en la temperatura idónea para operar. La consistencia se mide en función precisamente de la consistencia de esa fricción durante el periodo en el que el freno está presionado. Los frenos carbono-carbono poseen unas propiedades muy particulares: su rendimiento es relativamente pobre por debajo de una temperatura de 400°C, pero es óptimo cuando se mueve alrededor de los 650°C.

Los discos de carbono alcanzan altísimas temperaturas

Lamentablemente, mientras que los frenos convencionales sufren el desgaste habitual de cualquier material de fricción, un freno de carbono no sólo acusa este desgaste sino que también sufre un proceso conocido por oxidación. La oxidación, en términos coloquiales, se da cuando la superficie del freno se va quemando, y a temperaturas que rondan los 600°C ese proceso se acelera y se convierte en el principal motivo de desgaste del freno. Teniendo en cuenta que durante una carrera las temperaturas de los discos de freno pueden llegar a los 1200°C, es evidente que el la oxidación es un factor muy significativo en el proceso de desgaste de los frenos. En las rectas, por supuesto, los conductos de los frenos hacen llegar aire a los frenos para que la temperatura caiga por debajo del nivel de oxidación, pero como estas altas temperaturas se mantienen durante un tiempo relativamente extenso, paradójicamente el aire que se utiliza para refrigerarlos contiene una cantidad de oxígeno que acelera el proceso de desgaste. El otro factor a tener en cuenta es el de la refrigeración de los frenos. Los frenos de todos los coches de competición son refrigerados insuflando aire por sus conductos y repartiéndolo a través de los respiraderos radiales del disco, así como también por la superficie de los discos y las pastillas. La cantidad de aire que llega a los frenos se controla a través del tamaño de los conductos, y para un circuito con frenadas tan importantes como el de Montreal, nos vemos obligados a utilizar los conductos más grandes de la temporada. Moverse de los conductos de refrigeración más pequeños a los más grandes puede suponer una pérdida de hasta el 1.5% de la eficacia aerodinámica, lo que representa también una pérdida de 1 kph en velocidad punta. De hecho, el tamaño de los conductos no sólo se mide por objetivos aerodinámicos: los conductos más pequeños se utilizan en circuitos que exigen menos a los frenos para poder controlar las temperaturas de éstos y conseguir un correcto equilibrio entre un alto rendimiento y un índice aceptable de desgaste. Cuando un piloto experimentado se pone por primera vez al volante de un coche de F1, normalmente y casi sin excepción, su primer comentario tiene que ver con la potencia y la eficacia de los frenos. Un coche moderno de F1 puede alcanzar 5.5g bajo frenada cuando un coche de carretera probablemente no alcanzaría 1g. Además, los coches de F1 no utilizan servo, así que el piloto tiene que presionar el pedal muy fuerte para provocar la presión del freno (por encima de los 100 bar). Por supuesto, cuando se pisan los frenos en un coche que rueda a 330 kph, el monoplaza tiene una alta carga aerodinámica y las ruedas no se bloquean. Sin embargo, cuando el coche va bajando de velocidad, el apoyo aerodinámico desaparece y por lo tanto el agarre del neumático se ve reducido, pero también los frenos alcanzan su nivel óptimo: de este modo, la capacidad para frenar la fuerza del coche disminuye, pero la eficacia de los frenos se incrementa. Si el piloto mantuviese el pedal del freno pisado a fondo durante demasiado tiempo, las ruedas no tardarían en bloquearse, así es que el piloto debe ir modificando su presión sobre el pedal del freno para intentar evitar que las ruedas lleguen a un punto en el que se bloquean. A diferencia de cuando se circula por carretera, donde lo ideal

es frenar en recta, un piloto de carreras tiene que frenar también en curva para intentar obtener un buen crono. Como el coche en ese momento experimenta la fuerza de la frenada y también de la curva, es fácil poder llegar a bloquear la rueda delantera interior. Esto provocaría subviraje, así que el piloto nuevamente debe modular su frenada para evitar este fenómeno. También es interesante destacar que si bien un coche de F1 cuenta con unos altos niveles de apoyo aerodinámico, también sufre una fricción 2.5 mayor que la de un coche normal, así que en velocidad punta, si levantas el pie del acelerador sin tocar los frenos eso puede provocar una desaceleración en torno a 1g.

Frenos del Williams del 2005

Conseguir un buen rendimiento de los frenos es sencillo, pero eso penaliza siempre la aerodinámica, así que de lo que se trata en un Fórmula Uno es de encontrar el máximo rendimiento por parte de los frenos pero reduciendo también lo máximo posible la pérdida de eficacia aerodinámica. Y es en ese punto donde el circuito de Montreal nos plantea su mayor exigencia, ya que combina curvas lentas y chicanes con largas rectas ? así es que resulta vital contar con un rendimiento de los frenos, pero también con una alta eficacia aerodinámica. Además, cuando la configuración del coche es de baja carga aerodinámica, normalmente se muestra más nervioso en la frenada, exactamente lo que un piloto no desea cuando está intentando ganar confianza y estabilidad en la desaceleración. Manejar todos estos factores, tanto desde el punto de vista del ingeniero como del piloto, es una de las claves para poder completar con éxito un gran premio de F1, como por ejemplo el GP de Canadá.

Sistema de Refrigeración de los Frenos Antes de nada, hemos de saber que la única manera legal de refrigerar los discos de freno en un F1, es usando el flujo de aire limpio como elemento enfriador y refrigerador. Para explicar este sistema de refrigeración, empezaremos por el principio. Todos sabemos, que a pesar de que la fibra de carbono puede soportar altas temperaturas, la refrigeración es fundamental para garantizar que los frenos sigan desempeñando su función a lo largo de las últimas vueltas de una carrera. Para que esto ocurra, el objetivo principal de todo ingeniero, es intentar que la temperatura de estos se mantenga alrededor de los 650ºC, ya que esta es la temperatura idónea, a la cual funcionan perfectamente este tipo de frenos.

Temperatura idónea de los frenos en F1

Para lograr esto, los discos de freno de un formula 1 presentan una serie de conductos, para facilitar la entrada de aire en el interior de la rueda proporcionando un flujo de aire constante en el sistema de frenos, que logre refrigerar los mismos.

Partes de un disco de freno de F1

Algunos, si no, la mayoría de los equipos de hoy en día diseñan sus conductos de los frenos (3) divididos en dos partes separadas. Una, la más pequeña, es una entrada de aire que proporciona la refrigeración en la zapata (2).

Frenos de F1

La segunda y más grande dirige una corriente de aire hacia el centro del disco. A partir de ahí, las moléculas de aire fluyen a través de perforaciones de refrigeración del disco de freno (2) en la parte exterior del disco desde donde puede fluir a través de los radios de la rueda y salir de esta.

Perforaciones de los discos de freno de un F1

Vista lateral del recorrido del flujo por el interior del neumático (en rojo) y del recorrido del flujo por la parte superior del neumático (en verde)

Vista trasera del recorrido del flujo por el interior del neumático (en rojo) y del recorrido del flujo por la parte superior del neumático (en amarillo)

Por tanto, la única manera de refrigerar los discos de freno en F1, es la de utilizar el flujo de aire. Para realizar este procedimiento, se necesita como hemos dicho que el aire dé por la parte frontal al coche, y sea en un momento en el que los frenos no estén siendo utilizados. Por ello, este lugar idóneo para refrigerarlos son, sin duda alguna, las rectas. Por eso, en los circuitos con largas rectas, no existe problema alguno de refrigeración con estos, pero por el contrario en circuitos en donde haya pocas rectas y se usen mucho los frenos, existen bastantes problemas con la temperatura de estos, ya que no hay casi tiempo para refrigerarlos. Para facilitar aún más este proceso de refrigeración, muchos equipos idearon diferentes soluciones:

Conductos “L” Es una novedad para ayudar a la refrigeración de los frenos que, casi todos los equipos incorporan. Se encuentran en la parte interior de las ruedas delanteras, y son una serie de tomas de aire en forma de “L” (una en cada rueda). El objetivo de estas, es recoger el flujo de aire limpio, y enviarlo al centro de la rueda, donde se encuentra el disco de freno, para refrigerar a este, todo y sacando por el otro lado de la rueda este flujo.

Conductos en forma de "L", situados en la parte interior de la ruedas delanteras, para refrigerar los frenos.

Conductos diseñados por Toyota en la temporada 2009