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VEHICLE
Improvements in the inspection procedure of brakedisc
warping
Mejoras en el procedimiento de inspeccin del alabeoen discos de
freno
D. Garca-Pozuelo & A. Gaucha & B. L. Boada &V.
Daz
Published online: 16 October 2009# Etrasa 2009
Abstract The warping of brake discs and ovality ofbrake drums is
one of the main causes of vibrationand noise during the braking of
a vehicle and ofdiminishing brake efficiency. Nowadays, the
Interna-tional Motor Vehicle Inspection Committee (CITA)demands an
inspection of the warping and ovalityduring the Periodic Motor
Vehicle Inspection (PMVI).However, the measurement is not always
carried outin the same way. In this investigation, the
warping-ovality has been deeply studied and characterized.
Itsmeasurement has been carried out not only from thedirect
dimensional measurement but also by means ofa brake roller tester
which is used during PMVI. Inthis paper a quick, precise and
objective methodology
to measure the warping-ovality, and which can beapplied to the
brake roller testers used in PMVI, hasbeen proposed.
Resumen Los fenmenos de alabeo y ovalidad en losfrenos de disco
y de tambores respectivamentesuponen una de las principales causas
de vibracin yruido en el frenado de vehculos
automviles,contribuyendo adems en una disminucin de laeficacia del
mismo. En la actualidad, el ComitInternacional de Inspeccin Tcnica
de Automviles(CITA) exige la verificacin de alabeo-ovalidad en
lasinspecciones tcnicas de vehculos (ITV), sin embar-go, la
realizacin de la misma no es homognea en losdistintos sistemas de
inspeccin. En este trabajo se haabordado el estudio del fenmeno de
alabeo-ovalidady su correcta caracterizacin. Dicha caracterizacin
seha realizado tanto de manera directa, mediantemedida dimensional
sobre el disco, como indirecta atravs del dispositivo de inspeccin
denominadofrenmetro. De este modo, el objetivo principal delartculo
ha sido el desarrollo de una metodologarpida, precisa y objetiva de
caracterizacin delalabeo-ovalidad, aplicable en los distintos
sistemasde inspeccin vehicular.
Keywords Brake system . Safety . Vehicle .Warping .
Ovality . PMVI
Securitas Vialis (2009) 1:8389DOI 10.1007/s12615-009-9013-5
D. Garca-Pozuelo (*) :A. Gaucha :B. L. Boada :V. DazInstituto de
Seguridad de los Vehculos Automviles(ISVA), Departamento de
Ingeniera Mecnica,Universidad Carlos III de Madrid,Avenida de la
Universidad n 30,28911 Legans (Madrid), Espaae-mail:
[email protected]
A. Gauchae-mail: [email protected]
B. L. Boadae-mail: [email protected]
V. Daze-mail: [email protected]
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Palabras clave Sistema de frenos . Seguridad .
Vehculos automviles . Alabeo . Ovalidad . ITV
Introduccin
El incremento de la seguridad en los vehculosautomviles es en la
actualidad uno de los principalesobjetivos de la industria del
automvil, y motivo degran preocupacin para la sociedad. En este
mbitoresulta tan importante un diseo adecuado como uncorrecto
mantenimiento de los distintos dispositivosde seguridad que
incorpora un automvil. Es por estoque, cada vez ms, se hace
imprescindible un sistemade inspeccin tcnica de vehculos que
garantice lascondiciones de seguridad mnimas exigibles al
parqueautomovilstico [2, 4, 5]. Actualmente, uno de lospuntos que
se revisa en las Inspeccin Tcnica deVehculos (ITV) es el estado del
sistema de frenos delautomvil [13, 5]. Si bien es cierto que las
pruebasque se realizan permiten obtener con objetividad yprecisin
el grado de equilibrio y efectividad delsistema de frenos de un
vehculo, las pruebas hastaahora realizadas para determinar el
alabeo-ovalidaddel mismo no resultan adecuadas. Es por esto que
eneste estudio se aborda un anlisis minucioso delfenmeno, y de las
repercusiones que este tiene sobrela seguridad, con el fin de
caracterizarlo y plantearmejoras en el actual sistema de
inspeccin.
Actualmente, la prueba consiste en la medida dela fuerza de
frenado mediante frenmetro al man-tener el pedal del freno en una
posicin aproxima-damente constante durante unos segundos. A
partirde las oscilaciones en la seal de fuerza de frenado,el
sistema del propio frenmetro determina elalabeo-ovalidad en tanto
por ciento mediante laecuacin.
Alabeo Ovalidadrueda %
FMAX FMIN FMAX
100 1
Esta prueba plantea una serie de problemas que laconvierten en
subjetiva e imprecisa. As pues, cadafrenmetro del mercado exige que
la prueba se realicepara un valor de fuerza de frenado distinto y
duranteun intervalo de tiempo diferente, no resultandohomogneo el
modo en que se obtienen los datoscon los distintos sistemas. Del
mismo modo, el
anlisis que se realiza con los distintos frenmetrosde esos datos
tambin manifiesta diferencias. El filtrocon que acondicionan los
datos y los algoritmos conque procesan la informacin son diferentes
depend-iendo del fabricante del frenmetro. Todo esto haceque sea
necesario un estudio que permita decidircuales son los requisitos
mnimos que debe cumplir elproceso de inspeccin.
Para la realizacin de este estudio se ha utilizadoun frenmetro
semejante a los utilizados en cualquierestacin de ITV. A partir de
estos datos se hadeterminado el tipo de filtro ms adecuado
paraacondicionar la seal y se ha realizado un estudioexperimental
para determinar el lmite de rechazo msadecuado. De este modo ha
sido posible proponer unametodologa de ensayo completa.
Desarrollo terico
Influencia del alabeo-ovalidad en el procesode frenado
El alabeo en discos de freno, y la ovalidad en frenosde tambor,
es una deformacin permanente de losmismos que genera una fuerza
oscilante durante elproceso de frenado. Este fenmeno puede dar
lugara vibraciones e ineficacias durante el frenadopudiendo llegar
a generar inestabilidad direccional.Dependiendo de las condiciones
en que tenga lugarla fluctuacin de las fuerzas de frenado es
posibleencontrar distintos efectos. A continuacin se anali-zan los
posibles casos que se pueden encontrar alanalizar dicha
influencia.
Caso I: El fenmeno de alabeo-ovalidad tiene lugaren un sistema
de frenos equilibrado, y esaproximadamente igual en los
discos-tambores de freno de un mismo eje. Eneste supuesto la
influencia estar localizadaen el confort.
Caso II: El fenmeno de alabeo-ovalidad tiene lugaren un sistema
de frenos equilibrado, siendola amplitud de la oscilacin distinta
pararuedas de un mismo eje. En este supuestola influencia no slo
afecta al confort,tambin incidir en la distancia de frenadoe
incluso en una posible inestabilidaddireccional.
84 D. Garca-Pozuelo et al.
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Caso III: El fenmeno de alabeo-ovalidad tiene lugaren un sistema
de frenos desequilibrado,siendo la amplitud de la oscilacin
distintapara ruedas de un mismo eje. En estesupuesto, al igual que
para el caso II, lainfluencia no solo afecta al confort,
tambinincidir en la seguridad del vehculo.
Los casos II y III pueden ser estudiados de un modomuy
semejante, dado que es posible considerar paraambos que la fuerza
de frenado en una de las ruedas de uneje permanece constante e
igual a un cierto valor, F1, y quela fuerza en la otra rueda del
eje ser distinta y de valoroscilante en virtud del alabeo-ovalidad
y del desequili-brio, de valor F2, tal y como se indica en la
Figura 1.
Debido al desgaste de los frenos es habitual que existaun cierto
desequilibrio entre las ruedas de un mismo eje.No obstante, este
desequilibrio puede ser despreciable o,por el contrario, producir
un momento de guiada(momento en torno al eje vertical que pasa por
el centrode gravedad) que comprometa la seguridad del vehculo.Al
tener en cuenta este desequilibrio, es posiblecaracterizarlo e
introducirlo en el clculo de las fuerzasde frenado tal y como se
indica en las Ec. (2) y (3).
F2 F1 1 Y 2
Mf Y F1 B2 3
donde F1 es la fuerza de frenado en la rueda anteriorizquierda,
F2 es la fuerza de frenado en la ruedaanterior derecha, B el ancho
de va del vehculo, e Yes el desequilibrio (en tanto por uno y con
el signoque le corresponda).
El momento de guiada (M) provocar que elvehculo no describa una
trayectoria rectilnea, sinoalgo semejante a una curva cuyo radio
depender delgrado de desequilibrio en el frenado entre ambas
ruedasdel mismo eje, tal y como se indica en la Figura 2.
Tal y como se puede ver en la Figura 2 una fuerzade frenado
mayor en la rueda anterior derecha que enla anterior izquierda de
un vehculo provocar queeste gire en sentido horario cuando X>1 y
antihorariocuando X
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obtener una seal completa sin prdidas relevantes
deinformacin.
A partir de los datos registrados se plantearondistintas
posibilidades de filtrado, lo cual di lugar apruebas con varios
tipos de filtro paso bajo. Final-mente, la seal ha sido tratada con
un filtro paso bajoButterworth de segundo orden y frecuencia de
corte8 Hz, dado que es este filtro el que permite obtener lamejor
seal para la determinacin de alabeo-ovalidad,tal y como se pudo
comprobar en el estudio.
Es conveniente resaltar que los modelos defrenmetro disponibles
en el mercado tienen difer-entes velocidades de rotacin de sus
rodillos. Aspues, este anlisis ha sido particularizado para
unfrenmetro que impone un giro en el neumtico de unvehculo automvil
turismo de aproximadamente 2radianes/segundo, es decir, una vuelta
completa porsegundo (depende del dimetro del neumtico). Aspues, la
frecuencia en que es de esperar que seencuentre el alabeo-ovalida
para este sistema demedida ser aproximadamente 4 Hz, hecho
quejustifica la eleccin de un filtro con frecuencia decorte de 8
Hz. No obstante, para cualquier velocidadde rotacin de los rodillos
de un frenmetro seraaplicable el filtro propuesto, solo habra que
adaptar lafrecuencia de corte del mismo (aproximadamentedebe ser el
doble de la frecuencia propia de alabeo).
Medida dimensional
Las primeras pruebas experimentales consistieron enla seleccin
de vehculos con elevado alabeo-ovalidad, y la medida dimensional de
los discos-tambores de los mismos, Figura 3. La informacingeomtrica
obtenida al medir los discos-tamborespermiti definir con precisin
su estado. El lmitedimensional que se fija para rechazar un disco
defreno nuevo son 8 micras y para el caso de un disco
de freno usado 125 micras. As pues, a partir de estamedida
objetiva y precisa fue posible comparar losresultados obtenidos
mediante frenmetro.
Medida mediante frenmetro
Determinacin de la fuerza de frenado ptima para laprueba de
alabeo-ovalidad Al realizar medidasmediante frenmetro uno de los
primeros estudiosque se plante fue el anlisis de fuerza de
frenadoptima para la obtencin de una seal clara de alabeo.As pues,
las medidas se efectuaron para diferentesfuerzas de frenado
registradas en frenmetro. Tal ycomo se puede observar en la Figura
4 para dos de losvehculos ensayados (y en grficas
equivalentesobtenidas para diferentes vehculos a lo largo
delestudio), la zona en que se muestra con ms claridad
Figura 3 Fotografa de la realizacin de medidas dimensio-nales
sobre un disco
Figura 2 Representacinde las distintas fuerzas defrenado en
ruedas de unmismo eje cuando una delas ruedas presenta
desequi-librio y/o alabeo-ovalidad
86 D. Garca-Pozuelo et al.
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el alabeo se encuentra prxima a los 80 daN de fuerzade frenado
registrada en el frenmetro (ver Figura 4).Por este motivo las
siguientes medidas realizadasmediante frenmetro han sido tomadas
entre 70 y90 daN.
Diversos ensayos realizados han permitido com-probar que la
variabilidad en los resultados es muypequea al utilizar o dejar de
utilizar un presmetro,resultando ms lenta e incmoda la prueba
utilizandoeste dispositivo. As pues, el uso del presmetro no
esnecesario para la realizacin de dicha prueba.
Intervalo de tiempo ptimo para la toma dedatos Otro punto
importante en el desarrollo de unametodologa de ensayo e inspeccin
ha sido ladeterminacin del intervalo de tiempo ptimo parala toma de
datos. Para el caso del equipo empleado,sabiendo que la rueda de un
vehculo automvil deturismo da una vuelta por segundo
aproximadamente,la mnima ventana temporal tena que ser de
unsegundo. El mayor problema de ajustar un intervalode tiempo
demasiado pequeo es que poda perderseinformacin para el clculo del
alabeo, como se puedeapreciar en la Figura 5. Por otra parte, un
intervalodemasiado grande puede dar lugar a errores, puesdada la
dificultad de mantener una fuerza de frenadoconstante, al obtener
el mximo y mnimo en eseintervalo se podan medir valores que no
caracter-izaban exclusivamente el alabeo.
Es por esto que se han realizado distintas pruebasal respecto,
incluyendo el efecto que podran tenersobre esta variable otras como
el valor de la fuerza defrenado. Las medidas realizadas han sido
tomadas
para fuerzas de frenado de 60, 80, 100, 120 daN conlos discos
con alabeo, y posteriormente se hanrepetido para las mismas fuerzas
con discos nuevos.Los discos se cambiaron despus de realizar todos
losensayos previstos, para verificar que los valores quese haban
medido tenan como fuente el deterioro delos discos de freno y no
huelgos, desgastes o defectosde otros componentes del sistema de
frenado. Por otraparte, se realizaron medidas de 6, 8 y 14
segundos, yse dividieron en subintervalos de dos segundos
pararealizar las distintas comparaciones. Con todos losdatos
analizados se pudo concluir que la metodologams correcta para
caracterizar el alabeo seguira lossiguientes pasos:
Tomar cuatro intervalos cuyo valor sea aprox-imadamente el doble
del mnimo imprescindiblepara obtener informacin completa.
Promediarlos cuatro valores de alabeo obtenidos.
Comprobar que la serie temporal no muestratendencia (o esta es
inferior a un cierto valor, parael frenmetro utilizado sera de
aproximadamente1%).
Si muestra tendencia habra que repetir el ensayo,en caso
contrario se tomara como valor final dealabeo la media de los
alabeos de los cuatrosubintervalos.
No obstante, si se toma un nico intervalo decuatro segundos
(para la configuracin empleada enlos ensayos realizados y el
frenmetro empleado) seobtienen valores del alabeo prximos a los
delmtodo propuesto, siendo este ltimo caso notable-mente ms
sencillo. As pues, dependiendo del gradode precisin con que se
desee caracterizar el alabeo seemplear uno u otro mtodo.
00,5
11,5
22,5
33,5
0Intervalo de tiempo (s)
Des
viac
in
cuad
rtic
a m
edia
1 2 3 4 5 6
Figura 5 Error cometido al medir el alabeo en
diferentesintervalos de tiempo
0
2
4
6
8
10
12
14
50 70 90 110 130Fuerza frenmetro (daN)
Alab
eo (%
)
% Alabeo (B)% Alabeo (A)
Figura 4 Medida de alabeo realizando el anlisis a
distintasfuerzas de frenado
Improvements in the inspection procedure of brake disc warping
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Determinacin de parmetros de influencia A con-tinuacin se analiz
la influencia de la presin de losneumticos y el desequilibrio de
los mismos en lamedida tomada mediante frenmetro. Se
realizaronmedias con presiones de 1, 1.5, 2 y 2.5 bares depresin
pudindose comprobar que las variacionesobtenidas en las medidas
estaban dentro de lavariabilidad del propio proceso de medida y
nosuponian cambios significativos. Slo las medidas a1 bar
resultaban ligeramente diferentes (incrementoaproximado del 2% en
el alabeo final), no obstante,en estas condiciones se apreciaba con
claridad y asimple vista que el neumtico no estaba en con-diciones
adecuadas para hacer la prueba. Por otraparte, se introdujo una
pesa de plomo en uno de losextremos de la llanta con el fin de
cuantificar laaportacin del desequilibrio a la medida final
dealabeo. Los ensayos se realizaron para masas de 30 gr,40 gr y 50
gr dando como resultado variacionesdespreciables en la medida. De
este modo quedconfirmado que el sistema de medida empleado
esrobusto frente a variaciones en la presin o en elequilibrado de
los neumticos.
Comprobacin de albeo en discos nuevos Una vezrealizado el
estudio que permite caracterizar el alabeode forma indirecta,
mediante frenmetro, se procedia sustituir los discos de freno por
otros nuevos en losvehculos ensayados. Los valores medidos en
las
distintas pruebas con discos nuevos dan resultadosprximos a
cero.
Comparacin entre diferentes frenmetros disponi-bles en el
mercado Como se puede ver en laFigura 6 la dispersin de datos
obtenidos condistintos frenmetros es muy grande, variando
lasmedidas obtenidas para el alabeo entre un 6% y un42%. Los datos
que se muestran fueron tomadospara un mismo vehculo en cinco
frenmetros dedistinto fabricante (estas pruebas se repitieron
conotros vehculos e idntico resultado). Este hechojustifica la
necesidad de unificar criterios en unametodologa precisa y objetiva
que permita carac-terizar de manera unvoca el alabeo-ovalidad en
elsistema de frenado.
Relacin entre medida dimensional y medidade frenmetro
Con los datos obtenidos a partir de medidas dimen-sionales y
mediante frenmetro para un nmerorepresentativo de vehculos se ha
podido hacer unanlisis estadstico y obtener relaciones
concretasentre dichos datos, tal y como se puede comprobaren la
Figura 7. As pues, para resultados experimen-tales obtenidos en las
condiciones de medida yanlisis de datos propuestos en este estudio,
yrespetando el criterio dimensional de rechazo de
05
101520253035404550
0 10 20 30 40 50Medida dimensional de alabeo (micras)
Ala
beo
en fr
enm
etro
(%)
Frenometro UC3M Frenometro 1Frenometro 2 Frenmetro 3Frenmetro 4
Lineal (Frenometro 2)Lineal (Frenometro 1) Lineal (Frenometro
UC3M)Lineal (Frenmetro 4) Lineal (Frenmetro 3)
Figura 6 Comparacin de datos registrados mediante
distintosfrenmetros para un mismo vehculo
Alabeo (%) = 0,3917Alabeo (micras)R2 = 0,9605
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100 150Alabeo dimensional (micras)
Ala
beo
fren
met
ro (%
)
Figura 7 Relacin entre medida directa dimensional y
medidamediante frenmetro. Se muestra la ecuacin que relacionaambas
magnitudes para las condiciones fijadas
88 D. Garca-Pozuelo et al.
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125 m, se ha determinado un lmite de rechazo poralabeo del
50%.
Conclusiones
Teniendo en cuenta cada uno de los puntos llevados acabo en el
estudio descrito se pueden alcanzar lassiguientes conclusiones:
& El alabeo-ovalidad en vehculos automviles esun fenmeno que
puede comprometer notable-mente la seguridad, sin embargo en la
actualidadno se inspecciona mediante un sistema objetivo ypreciso,
de ah la necesidad de proponer mejorasen el sistema de inspeccin
tcnica.
& Se ha comprobado que el valor de alabeo obtenidomediante
el procedimiento descrito, con frenme-tro, viene dado
fundamentalmente por este fen-meno y no por huelgos, desgastes o
defectos deotros componentes.
& Se ha establecido una relacin clara entre el alabeomedido
dimensionalmente y el alabeo medido demanera indirecta mediante
frenmetro. Esto hapermitido establecer un criterio de rechazo
objetivo.
& Se ha definido un procedimiento de ensayocompleto y
objetivo para el anlisis de alabeo/ovalidad en ITV.
& Con el fin de generalizar el criterio de rechazoobtenido,
sera necesario homogeneizar previamenteel procedimiento de
adquisicin y tratamiento dedatos de los equipos disponibles en las
inspecciones.
Referencias
1. CITA (1999). Uniformizacin de criterios para la evalua-cin de
defectos diagnosticados durante la inspeccin devehculos.
2. Comunidad Europea (2002). Directiva 2002/78/CE. DiarioOficial
de las Comunidades Europeas, L 267/23, 4 deOctubre de 2002.
3. Comunidad Europea (1996). Directiva 96/96/CE: Aproxi-macin de
las legislaciones de los Estados miembrosrelativas a la inspeccin
tcnica de los vehculos a motor yde sus remolques.
4. Consejo de Transporte Pblico (2002). Reglamento de
ObrasPblicas y Transporte (Espaa). Secretara Ejecutiva.Gaceta del
29-4-2002.
5. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio de Espaa(2006).
Manual de Procedimiento de Inspeccin de lasestaciones ITV.
Improvements in the inspection procedure of brake disc warping
89
Mejoras en el procedimiento de inspeccin del alabeo en discos de
frenoAbstractAbstractIntroduccinDesarrollo tericoInfluencia del
alabeo-ovalidad en el proceso de frenado
Desarrollo del estudio experimentalMedida dimensionalMedida
mediante frenmetroRelacin entre medida dimensional y medida de
frenmetro
ConclusionesReferencias
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