Geometry-material relationship for thermal dissipation in brake discs

Este proyecto aborda el problema del sobrecalentamiento en los sistemas de frenos automotrices, una causa frecuente de accidentes de tránsito. Según el Observatorio Nacional de Seguridad Vial en Colombia, entre 2014 y 2019 se registraron 3,273 accidentes atribuidos a fallos de frenos, resultando en 121 fallecidos y 2,486 heridos. Uno de los problemas más comunes fue el "fading", una pérdida de eficacia de frenado debido al sobrecalentamiento, especialmente en carreteras donde ocurrieron el 76.2% de las muertes por esta causa. En respuesta, se planteó diseñar un disco de freno que optimice la disipación térmica para reducir estos accidentes. El proyecto inició con un proceso de selección de materiales mediante el Proceso de Jerarquía Analítica (AHP), identificando al hierro fundido como el material más adecuado, seguido del carbono-cerámico. Con base en esta selección, se desarrollaron varias geometrías de disco enfocadas en optimizar la disipación térmica, considerando tres factores: aletas, perforaciones y ranuras. Se diseñaron dos prototipos en SolidWorks: el primero con perforaciones redondas, ranuras tipo búmeran y aletas en forma de laberinto; y el segundo con ranuras en forma de "V" y aletas tipo flor. Para validar los diseños, se realizó un análisis por elementos finitos en ANSYS, enfocándose en el flujo de calor y la distribución de temperatura. Los resultados se compararon con dos discos comerciales (Brembo ventilado 09.9483.10 y Brembo mixto 09.B879.11). El modelo 1 de hierro fundido mostró los mejores resultados, con un flujo de calor de 1.4316 × 10^5 W/m² y una distribución de temperatura entre 96.82°C y 107.47°C, alcanzando una calificación de 0.59, superior a la calificación del prototipo 2 de 0.52. Finalmente, se realizó una evaluación estructural para comparar la deformación total y las tensiones de Von Mises entre el diseño seleccionado y los discos comerciales. El modelo 1 cumplió con los requisitos necesarios, mostrando una deformación total de 0.00013612 m, la más baja entre todos los discos, y una resistencia de 4.1438 × 10^8 Pa, superando al disco Brembo mixto. Estos resultados validan la viabilidad estructural y térmica del diseño, permitiendo el desarrollo del plano final del disco de freno. La propuesta final presenta un diseño optimizado que mejora la disipación térmica, contribuyendo a la seguridad vial al reducir el riesgo de sobrecalentamiento en los sistemas de frenado.