Las matemáticas hacen frenar mejor 

Frenos Hi-Tech

01.05.2010 | 21:28

Nuevos instrumentos de cálculo computerizado entran, por primera vez, en el mundo de la moto. El resultado es la pinza Brembo GP4-RX/RR que, por ahora, es la de mayor ligereza posible para una rigidez dada. La inspiración procede de la naturaleza, de los árboles y del viento.

La pinza GP-4 RX es el primer componente motociclista desarrollado con la ayuda de un optimizador topológico SKO. El principio -Soft Kill Option- es similar al que adoptan las plantas para adaptar su estructura al efecto del peso y del viento.

Y es que Brembo es uno de los pioneros mundiales en tecnología punta del freno de disco, tanto en el equipamiento para la serie como para alta competición. Desde los orígenes de los Lockheed británicos, allá por los años 60, muchas industrias se han adentrado en este campo con diversa fortuna, la mayoría especializadas en equipamientos para la serie.

Sin embargo, muy pocas se han atrevido con la investigación tecnológica vanguardista, ése más allá que marca las diferencias y abre camino para liderar el complejo sector de la competición, tanto de motocicletas como de F1, dos tipos de vehículos que nada tienen en común, ni tan siquiera para un componente tan sencillo como puedan ser los frenos. En Brembo han tenido voluntad de liderazgo mundial y han desarrollado tecnologías propias para mejorar la potencia de frenada salvaguardando la compleja reacción dinámica del tren delantero para lograr reacciones de la dirección lo más inertes posibles para facilitar el pilotaje. Las pinzas GP4 RX/RR y los discos T-Drive son la puerta del futuro inmediato.
 

Bueno, mejor, óptimo
 
El concepto que tanto impresionó al máximo exponente de la más grande estructura de investigación motociclista del mundo, HRC, es la optimización tecnológica adoptada por vez primera en la nueva pinza GP4, estrenada en Valencia 2009 en la moto de Jorge Lorenzo.
 
La topología no tiene nada que ver con la zoología, pero sí con las matemáticas. Y la optimización topológica es un método, inspirado en las matemáticas, que permite obtener una pieza que, ligada a una característica convierte en máxima o en mínima a otra.
 
Es usual buscar la mínima masa a igualdad de resistencia, algo que desde hace algunos años están haciendo las grandes marcas de coches. Por ejemplo, el nuevo A8, el buque insignia de Audi que en 1994 fue el primer coche en adoptar el casco de aluminio para contener las masas, precisamente este año ha reducido el peso en otros 30 kg más, equivalente a casi el 12%.
 
No es extraño que un japonés se haya impresionado tanto ante el resultado, porque la optimización y la miniaturización son, desde siempre, un referente de la cultura japonesa, cualidades que empiezan a traducirse en ideas instrumentales que las hacen viables de forma mucho más enérgica de cuanto han hecho hasta ahora los proyectistas del país del Sol Naciente.
 
Este acercamiento es perfectamente visible en la versión 2010 de la pinza Brembo que, en relación a la de 2009, pierde un buen 10% de peso a igualdad de rigidez y, al adquirir notable sofisticación en sus formas, la hace perfectamente reconocible e indiscutiblemente bonita. Es la regla de oro del diseño: la forma sigue la función, en este caso, de la manera más exacta posible.
 
El factor estético es un afortunado plus de un componente tan visible de la moto. En realidad es, sobre todo, hijo del gusto humano porque la optimización sólo da resultados máximos. "Partíamos de la pinza GP 2009", explica Ghierardi, "que ya era el fruto de una serie de optimizaciones tradicionales para reducir el peso y aumentar la rigidez. Durante las temporadas 2007 y 2008 ya las habíamos aligerado un 4%. Con mejoras progresivas no se podía ir más allá, era necesario dar un salto tecnológico, reproyectarlo todo con un concepto distinto".
 
Es decir, era necesario salvaguardar los puntos fuertes y rebajar material sin perjudicar las prestaciones, una tarea dificilísima. Por eso se ha recurrido a la optimización, que dados ciertos vínculos (los bloques internos y externos de máxima resistencia y un requisito de rigidez) busca, como un roedor, los puntos donde excavar.
 
 
Huesos y árboles
  
Para acondicionar el computador y poder tomar decisiones tan sofisticadas se ha desarrollado una cierta variedad de algoritmos matemáticos. El más utilizado en el campo mecánico está basado en un código de cálculo de elementos finitos (FEM), también llamado "soft kill option" (SKO). El principio es partir de un bloque en bruto, preparar un modelo FEM con el que calcular el funcionamiento basándose en las cargas previstas y después disminuir, o eventualmente eliminar físicamente, los elementos del modelo que colaboran poco a la resistencia general.
 
Este sistema, inspirado en la naturaleza (describe matemáticamente el proceso de crecimiento de las plantas y de los huesos) permite realizar una estructura en la cual el esfuerzo bajo las cargas previstas sea lo más constante posible. Esto permite dar mayor rigidez únicamente donde es necesario y reducir en otros lugares empleando la mínima cantidad posible de material. La ventaja es bien evidente.
 

La optimización tradicional está guiada por la experiencia y la intuición del hombre.
 
Es así como, partiendo de los vínculos geométricos y de las cargas del proyecto, se ha encontrado una solución "óptima" para el objetivo de la mínima masa con la rigidez establecida. En una pinza es tan necesario limitar los esfuerzos como las deformaciones máximas.
 
Para las primeras, Brembo ha definido, partiendo de sus propias experiencias, un esfuerzo equivalente al límite que tiene en cuenta los fenómenos estáticos, dinámicos, térmicos y de fatiga para la duración prevista en su aplicación racing, que obviamente son inferiores a los de la serie. Para las segundas es necesario que reduzcan la potencia de frenada efectiva y aumenten, con el volumen de fluido a desplazar, la carrera de la palanca.
 
También se ha prestado atención a otros aspectos, como la introducción, al lado de la clásica válvula de drenaje, de un sistema de alimentación separado, como en las pinzas de F1, que facilita el trabajo de los mecánicos. En Brembo están convencidos de este proyecto y de la pinza GP ha derivado una familia de pinzas racing para el mercado de accesorios: las GP4-RR (monobloque) y RX (de dos piezas). Cambia en los detalles de la forma externa, el diámetro de los pistones, o el material, que uno más común de elaboración plástica.
 
 
T-Drive

La segunda novedad 2010 de Brembo es la familia de discos T-Drive. Incluso a simple vista se identifican porque abandonan por primera vez el anclaje con arillos, lo habitual no sólo para Brembo desde tiempos inmemorables (son la evolución, aparecida en los últimos años 80, de los tornillos y remaches utilizados para fijar los primeros discos desde 1968). Con más de 20 años de desarrollo, el componente había alcanzado su límite en términos de dimensiones, materiales y tolerancias.
 
Teniendo en mente los campeonatos en los que se emplean discos de acero (en todos los de SBK), si se deseaba reducir las masas y las inercias sin perjudicar la potencia de frenado y la resistencia, era necesario dar un "salto" que ha requerido un análisis más amplio para explorar nuevas soluciones, inspirándose en un sistema adoptado en ciertos autoventilados automovilísticos, en los que en lugar del pestillo para la unión entre el buje y la franja de frenado se aseguraba con finos perfiles en "T" (de aquí su nombre).
 
Porque en competición, en orden de importancia, después de la potencia de frenado viene la de masa/inercia. No pudiendo tocar la superficie de frenado, es necesario actuar sobre el buje. Analizados todos los diseños posibles, se trataba pues de reducir el número de radios de los establecidos 10/12 a 8/10, un camino impracticable porque los empujes tangenciales los habría desplazado y, a la larga, dañado.
 
En consecuencia, se necesitaba tener una mayor superficie de contacto para reducir la paridad de fuerzas transmitidas a estas exigencias; de ahí la idea de acoplar dos superficies planas.
 
Pero había otro punto crítico: la evacuación térmica. Un freno, en general, y un disco en especial, son dispositivos para la transformación de la energía cinética en calor. El disco se calienta y a continuación se enfría, y estos ciclos deben sucederse sin deformar el disco de frenado para evitar que el piloto perciba inconstancias en la palanca, vibraciones y caídas de eficacia. Estas deformaciones nacen por el efecto de tensiones que aparecen cuando la diferencia de temperatura entre distintas zonas del disco es demasiado alta, sobre todo si se trata de zonas contiguas.
 
Es fácil entender que la zona más crítica es el propio metal que une la franja de frenado (caliente) al buje (frío). Ahí, la diferencia puede superar los 200ºC. Para igualar las temperaturas, sería necesario reducir la extensión de las zonas no espaciadas de la pastilla. Por eso, un disco T-Drive tiene las zonas de conexión más estrechas. La solución prevé ocho puntos de anclaje, efectuados mediante un tornillo para tener mínimos perjuicios axiales (importante para tener bien sujeta la horquilla). El disco es flotante para poder dilatarse libremente bajo el efecto de la temperatura, una solución un poco más ruidosa, pero en carrera el esfuerzo constante sobre la palanca es prioritario al confort. Esta simple solución ha sido patentada y parece difícil pensar en volver hacia atrás.
 
Otro aspecto del T-Drive es el agujereado irregular compuesto por agujeros más grandes en el exterior del disco y más pequeños en el interior. El agujereado debe tenerse en cuenta bajo aspectos diversos: romper la película de agua bajo la lluvia, reavivar las pastillas y aumentar la superficie de intercambio térmico.
 
Estas dos soluciones tienen todos los números para triunfar, pero no está escrito que lo hagan con la rapidez porque los equipos privados andan en dificultades con los balances y también los grandes son más prudentes. Por ahora hemos visto discos T-Drive en la Aprilia, la BMW y la Yamaha de SBK, y la pinza GP-4 en las Suzuki GSV-R de MotoGP.
 
Estas últimas, además, pagan el tributo de tener una mayor estructura radial de la pinza, al tener que desmontar las pinzas para poder sacar las ruedas. En este aspecto, cuando se entendió que el proyecto significaba modificar los inconvenientes, se consultó con los equipos para ultimarlo.
 
Pero ahora alguno parece haber cambiado de idea. Ahora que muchos esperan la revolución, innovaciones como estas demuestran cuánto camino queda para ultimar la evolución. Una evolución capaz de reservarnos nuevas maravillas, por ejemplo, si aquel ingeniero de Honda tuviese la obligación de tomarse en serio la sugerencia de su jefe.
 
 
Entrevista
Eugenio Gandolfi

Este año el ingeniero Eugenio Gandolfi cumple 20 años en el Mundial: "Desde Wayne Rainey a Casey Stoner". Le falta poco para celebrar "las bodas de plata".
 
"Bah, puede ser. O puede ser que deje sitio a los jóvenes, como es justo que así sea. Por lo demás, las cosas han cambiado, sobre todo en los últimos años, en los que ha hecho aparición el tema de la contención de los costes, que ralentizan o detienen muchos proyectos".
 
¿Suyos o de las marcas?
 
"De hecho es lo mismo. En la F1 es el cliente quien indica de forma muy detallada los objetivos y cómo quiere que se trabaje para alcanzarlos, pero en MotoGP casi siempre nos viene dada una dirección fiándose siempre de nuestras elecciones de proyecto. Eso nos mete una cierta presión añadida para garantizar un desarrollo constante, en línea con el desarrollo del 'paquete moto".

 
¿Pero todavía hay sitio para desarrollar los frenos?
 
"Bueno; habéis visto las pinzas GP4. Y estamos trabajando no sólo con pequeñas modificaciones, sino en conceptos completamente distintos. El límite y la adherencia del neumático delantero se obtiene según parámetros: depende de los reglajes, de las transferencias de carga. Nosotros damos a todos una potencia de frenada que es mucho más del doble que la del motor; ¡todos pueden frenar con un dedo!

 
¿Cuál es el secreto de esta modulabilidad?
 
"El freno ideal tiene una estructura muy rígida y coeficientes de rozamiento elevados. En carrera se puede hacer lo mejor para combatir estos dos aspectos, y como resultado basta tener en el equipamiento una presión de 14-16 bar para frenar a 350 km/h. En los equipamientos de serie es necesario tener 40 bar para generar menos fuerza. Por cuanto respecta a los coeficientes de rozamiento, hemos dado un paso atrás en los últimos años en favor de la investigación para la modulabilidad. Habíamos llegado a materiales tan agresivos que llevaban a los neumáticos a situaciones críticas; ¡los pilotos ya no conseguían entrar en la curva!"

 
¿También las pinzas son menos rígidas?
 
"Respecto a hace unos años, son más pesadas a causa del abandono de aleaciones al berilio, extremadamente ligeras y rígidas, pero prohibidas por si aumentaba la toxicidad. Ahora usamos una aleación aluminio-litio.
 

¿Hablamos del carbono?
 
"Es un material que ahora se conoce bien, tampoco en competición ha dado ningún problema. Para la serie resulta imposible. No solamente el tipo de funcionamiento es apropiado para la carretera, sino que el proceso completo para obtener un disco es de siete meses de elaboración".
 

Pero hay quien propone discos carbono-cerámicos al carburo de silicio.
 
"También nosotros estamos trabajando en ello. De todas formas, es Brembo quien ha desarrollado esta tecnología para el sector del automóvil. Se trata de discos menos extremos en términos de rozamiento y ligereza, pero más adecuados para el uso de calle. El tiempo de fabricación desciende en tres semanas. Si los prototipos nos dan los resultados que esperamos, pronto estaremos en condiciones de ofrecer un producto digno del nombre Brembo".
 

¿Y si los prohibiesen en competición?
 
"Últimamente se ha aireado esta hipótesis, siempre pensando en la contención de los costes. Para nosotros puede ir bien, sabemos hacer frenos tanto de carbono como de acero; incluso los coeficientes de fricción se han aproximado mucho en los últimos años. Pero el acero cambia la inercia de las ruedas y aporta un par de kilos más al tren delantero; en la práctica, trastorna la distribución de los pesos".
 

Así pues, obligaría a actualizar todos los tarajes, los software de los sistemas de a bordo-
 
"Y eso no es todo. El acero también tiene una evacuación térmica completamente distinta, por eso, los discos deberían situarse en posición más exterior. En consecuencia se debería ensanchar las horquillas, las pletinas, los carenados y todo lo que está anclado a los carenados. Entonces, es necesario decir correctamente que para ahorrar unas pocas decenas de millares de euros al año, esta modificación obliga a rehacer toda la moto".
 

Mientras, el ABS hará el camino inverso, de la calle a la pista-
 
"Por ahora, ningún piloto lo quiere. Es una fase del pilotaje en la que se quiere sentir la adherencia en primera persona, sin ninguna intermediación. Me parece todavía lejano".
 
Sin embargo, el control de tracción ha pasado del rechazo a la adopción generalizada en sólo un par de años.
 
"Lo sé, pero hasta la fecha ningún piloto ha dicho: 'el control de tracción me gusta; ahora dejadme probar un ABS".
 
A propósito, usted sabrá con certeza cómo frenan los pilotos. ¿Cuál es el más fuerte en la frenada?
 
"Depende de un montón de cosas, de las condiciones de la puesta a punto, del chasis. Seguramente habrá algunos de nuestros equipamientos que están infrautilizados cuando la moto no está en grado de aprovechar plenamente la potencia de frenado.
 
En este aspecto, Capirossi es seguramente uno de los mejores; el resto se encuentra en este momento en la obligación de tener que recuperar en esta delicada situación el terreno que pierde en otras situaciones de pilotaje.
 
La primera aplicación en el sector de la automoción del algoritmo "spot Hill Option" fue con el prototipo (abajo) Mercedes Benz "Bionic Car" de 2005 por la singular forma exterior inspirada en la de un pez tropical. La estructura se construyó con el método "aluminium espace frame" en el que los paneles recubren el "esqueleto" con aluminio (la forma de este último fue estudiada con el optimizador topológico SKO (foto a la izquierda) para obtener la máxima ligereza: se estima 30% menos de masa.
 
El método se utiliza ahora, de forma menos extendida, en el Audi A8. La Suzuki GSV-R 2010 (en la foto de abajo, en los test de Sepang) es la primera MotoGP en haber montado la nueva pinza Brembo con optimización topológica. La versión racing difiere de la GP4-R de serie, ambas reconocibles por las formas más complejas en relación a la clásica monobloque radial que nos hemos habituado a ver en los últimos años.
 
La simplificación del buje, con la reducción de 10/12 a 8 puntos de anclaje con el disco, ha permitido una significativa reducción de las masas rotantes. Destaca también el agujereado irregular, con agujeros más grandes en el exterior del disco.
 
10.000 motoscircularon por un recorrido urbano de 12 km en la ya consolidada "city of harley"
 
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