MeM 010: Brake By Wire: Al límite de la máxima performance

Si algo caracteriza a esta temporada de la F1 no es el bajo ruido de los motores como muchos creen, sino las excesivas distancias de frenado y la pérdida de estabilidad durante las mismas (solo algunas veces, no siempre).

  • Quien cree saber del tema dirá que la carga aerodinámica no estuvo bien calculada y por ende la puesta a punto del auto no fue la correcta.
  • Otros prefieren responsabilizar a los frenos de carbono, que si bien son de alta performance, no siempre se comportan igual. Entre otras cosas, su performance varía mucho en función de la temperatura y de la presión que se le aplica al mismo.

Aunque estas dos teorías sean hasta ahora las más escuchadas, ninguna explica lo que realmente sucede.

¿Carga aerodinámica? No

Esta depende de la velocidad del vehículo, y en la medida que la velocidad aumenta, también aumenta la carga.

Las variaciones de velocidad dan como resultado una variación en la carga aerodinámica a la que está sometido el vehículo, lo cual sucede progresivamente y de manera continua. La carga aerodinámica no puede pasar de 200kg a 80kg de un instante al otro de una manera escalonada, sino que lleva un tiempo y la disminución es gradual.

El piloto percibe perfectamente esta variación de carga aerodinámica debido a la disminución de la velocidad, y, debido a ello, regula la presión en el sistema de freno por medio del pedal evitando que la rueda bloquee – a menor carga aerodinámica, menor adherencia y, por ende, menor posibilidad de transmitir la fuerza de frenado al piso.

Partiendo de esta base tan sencilla es imposible pensar que la carga aerodinámica es la responsable de la perdida “repentina” de estabilidad durante algunas fases de frenado.

¿Frenos de carbono? No

freno tambor1No cabe duda que el freno a tambor fue una revolución en el automóvil, incluso en los vehículos deportivos. Su elevado factor de frenado era su gran ventaja, y su geometría constructiva podía hacer que este factor aumentara aún más debido a un efecto de autofrenado.

Sin embargo, su punto débil era la temperatura, ya que la superficie de fricción iba en algunos casos pegada a la zapata de freno.

Por otra parte, la dilatación del material de fricción debido a la temperatura era importante y se traducía en un par de frenado resistente incluso cuando no se deseaba frenar (la dilatación hacía perder el juego libre entre la zapata y la campana de freno).

El coeficiente de fricción de estos materiales era bueno a relativamente baja temperatura, pero una vez que se superaban los 350ºC, el coeficiente de fricción disminuía apreciablemente.

freno disco1Más tarde, los frenos a disco se pusieron al frente. Si bien el factor de frenado era inferior al de un freno a tambor, su ventaja era la gran disipación térmica, su mayor estabilidad a altas temperaturas y una mejor característica de frenado para la utilización de sistemas ABS.

Aunque la temperatura siguió siendo una barrera limitante, atrás habían quedado los 350ºC… Los frenos a disco podían utilizarse hasta los 500ºC sin problema. De ahí en adelante, el aumento de la temperatura traía aparejada una nueva disminución del coeficiente de fricción y, por consiguiente, una pérdida de eficiencia en la frenada.

Los frenos de carbono o materiales compuestos tienen la ventaja de mantener su coeficiente de fricción a altas temperaturas, incluso su máximo valor se da alrededor de los 750ºC.

Por el contrario, las bajas temperaturas son su punto débil (a menos de 300ºC prácticamente no frenan).

Un vehículo de competición equipado con estos frenos deberá llegar rápidamente a estas temperaturas de funcionamiento si quiere tener frenadas eficientes (esto significa par de frenado en función de la fuerza aplicada sobre el pedal de freno) y distancias de frenado cortas.

Supongo que con esta aclaración ustedes mismos ya encontraron la explicación de por qué no son los frenos de carbono los responsables de la pérdida de estabilidad y, de vez en cuando, de distancias de frenado relativamente largas.

De la misma forma que sucede en la carga aerodinámica, la pérdida de eficiencia de frenado por efecto de la temperatura es gradual y no instantánea. El factor de frenado no va a aumentar un 15% al pasar de 800ºC a 801ºC. Cada frenada hará aumentar la temperatura gradualmente y el factor de frenado irá variando de forma gradual y continua, pero jamás de forma escalonada.

Brake by wire

Así como quedó atrás la tecnología del freno a tambor, también está quedando atrás la tecnología de frenar únicamente con los frenos de carbono.

Hoy por hoy cuando el piloto aprieta el pedal de freno, una parte de la energía cinética del vehículo es transformada mayoritariamente en calor (a través de los frenos) y en menor medida en vibraciones y ruidos. Otra parte importante se transforma en energía que se recupera por medio de sistemas híbridos (ERS).

Es decir, que este sistema de recuperación de energía cinética hace del sistema de freno un sistema híbrido, capaz de no solo frenar convencionalmente sino que además puede transformar energía proveniente de la velocidad que posee el vehículo en energía eléctrica, y a esta, almacenarla.

A día de hoy la tecnología híbrida está presente en vehículos deportivos como Porsche, McLaren, Ferrari y otros menos deportivos como por ejemplo Toyota.

La Fórmula 1 decidió dar un paso en dirección a estas tecnologías con el objetivo de disminuir el consumo de combustible, un objetivo de por si loable.

En otras palabras, el pedal de freno en un Fórmula 1 ya no está directamente conectado a los frenos traseros, sino que está conectado a una ECU (Electronic Central Unit), quien controla la presión de frenado en el circuito trasero. Por el contrario, sí está ligado directamente a los frenos delanteros sin ningún tipo de componentes intermediarios.

Brake by wire

¿Cuánta energía se recupera por vuelta?

La regla en la Fórmula 1 es clara: solo se permite recuperar una cantidad determinada de energía cinética por vuelta (2MJ) por medio del sistema híbrido ERS conectado a los frenos traseros (no hay ningún tipo de recuperación de energía proveniente de los frenos delanteros).

Por otra parte, la cantidad de energía que se puede almacenar en las baterías es limitada.

Queda claro entonces que el proceso de recuperación y almacenamiento de energía por medio de los frenos traseros a través del sistema ERS se produce durante breves instantes únicamente.

Si durante una fase de frenado se llega al límite de recuperación de energía permitida por vuelta, deberá dejarse de frenar instantáneamente con este sistema y serán los frenos de carbonos los que tomarán el relevo para frenar más (deberán compensar lo que el sistema híbrido dejó de frenar)

Para el piloto es fundamental recordar la sensación de frenado actual para así saber cuándo deberá comenzar a frenar en la próxima curva. El problema consiste en que esa sensación de frenado puede perderse ya que de un instante a otro el sistema ERS se pone en marcha y actúa como un freno.

Si de repente el límite es alcanzado, el piloto apretará el pedal de freno con menos fuerza pensando que será suficiente, ya que la recuperación cinética de energía hará el resto… pero en la realidad no será así. El resultado de eso será un menor par de frenado y una mayor distancia de frenado.

Si bien el sistema debe calibrarse de manera tal de evitar este tipo de inconveniente, la realidad es que las intervenciones electrónicas siempre tienen un desfasaje en tiempo. Además son sistemas de control que requieren una diferencia entre señal real (en este caso el par de frenado) y señal deseada (para de frenado deseado), para así reaccionar y aumentar o disminuir la intensidad con la que el ERS debe actuar.

Estos sistemas le dificultan la tarea al piloto, ya que es impredecible el comportamiento del sistema en la siguiente curva.

La “calibración” o “mapeo” suena muy bien y sencillo a la hora de hablar, pero una vez en el auto la situación se dificulta mucho.

Para entender esto, tienen que imaginar que por un lado está el freno motor. Durante las fases de fuel cut-off donde no se aprieta el acelerador y no se inyecta casi combustible, el motor actúa como un freno, y un freno de gran dimensión.

Luego está el freno hidráulico en las ruedas traseras, que tiene una determinada eficiencia, y que, como mencionamos anteriormente, va variando de acuerdo al uso, la temperatura, la velocidad y la presión de frenado.

Un sistema de freno hidráulico tiene cierto juego libre entre el disco y las pastillas de freno (o brake pads) para evitar que haya un par de frenado residual permanentemente.

Ahora para dificultar las cosas un poco más, se le suma el sistema híbrido (ERS), por el cual se puede recuperar energía durante la fase de frenado únicamente.

Para dificultarlo aún más, esto se llevará a cabo únicamente en las ruedas traseras… Esto por lo tanto actúa como un freno que de acuerdo a las circunstancias se activa y frena o simplemente se desactiva (es totalmente involuntario al deseo del piloto). Esto genera un par de frenado escalonado en el momento de activarlo o desactivarlo.

Este salto en el par de frenado durante una frenada en el límite de la adherencia (los pilotos frenan en el límite de bloquear la rueda) hace que la adherencia entre el neumático y el asfalto pase de ser suficiente a insuficiente en solo una milésima de segundo. No hay manera de que el piloto pueda reaccionar para evitar el bloqueo de la rueda (al menos un primer instante).

Terminada esta fase de frenado quedará en su mente una sensación de frenado en la que no debe apretar el freno tan fuerte ya que las ruedas bloquearán… Pero en la próxima frenada tal vez la cantidad de energía recuperada por vuelta llegó al límite (2MJ) y por ende el sistema de recuperación de energía no ayudará a frenar.

Resultado de esto, el piloto aplicará una menor presión en el sistema de freno, por lo que la frenada será más larga.

Pedal feeling, la radiografía de una frenada

El dimensionamiento del sistema de freno tiene que hacerse a base de diferentes requerimientos. Uno de estos es la sensación de frenado o “pedal feeling”.

El pedal feeling es una característica dinámica del sistema de freno y no es, ni más, ni menos, que la fuerza que hay que ejercer sobre el pedal de freno y el recorrido del mismo para obtener una aceleración determinada (convengamos que una frenada es una aceleración negativa).

Cada constructor de vehículos tiene un target de sensación de frenada que lo caracteriza.

Seguramente te habrá pasado de conducir diferentes coches y al bajar de uno y subir a otro te toma un poco de tiempo acostumbrarte a las frenadas. La fuerza que tenías que  ejercer sobre el pedal en un auto no es la misma que en otro (para obtener la misma aceleración)… tal vez sientas que un auto tiene un recorrido del pedal de freno más largo que otro.

Pasa también muy seguido que al comienzo de la frenada el servofreno es muy sensible y apenas apoyas el pie sobre el pedal, el vehículo sufre ya una aceleración importante.

Bueno, ¡esto es el pedal feeling!

Podría escribir páginas al respecto, pero hoy solo me interesa que te quede un concepto claro: el dimensionamiento del sistema de freno tiene que hacerse también en función de la sensación de frenada o pedal feeling, para que el conductor se sienta cómodo y seguro en el vehículo.

En la Formula 1 también es así, hay que hacer todo lo posible para que el piloto se sienta cómodo y pueda aprovechar al máximo el potencial del sistema de freno.

Ahora podrás imaginarte que para obtener una aceleración determinada deberás aplicar una determinada fuerza sobre el pedal de freno, de repente un sistema exterior decide agregar un determinado par de frenado extra que vos no esperabas…

¿Qué sucederá entonces?

El par de frenado resultante será mayor al máximo que se puede transmitir al piso y, por ende, la rueda bloqueará. El piloto al advertir esto deberá levantar el pie del freno y disminuir así la presión de frenado hasta que la rueda pueda girar nuevamente.

Esto que escribo aquí dura algunos milisegundos, pero hacen la diferencia de cm o m de frenada y ms o s de tiempo de frenada. En la Formula 1 cada milisegundo cuenta.

En resumen… ¿Qué es lo más importante?

La puesta a punto del sistema de frenos en Fórmula 1 es fundamental. La distribución de su peso en el eje delantero y trasero, la altura del centro de gravedad, la carga aerodinámica y los sistemas que intervienen durante una frenada tienen que estar perfectamente coordinados.

Hasta aquí te conté varias cosas, pero ¿alguna vez te pusiste a pensar lo que significa frenar un Formula 1? De no ser así te ayudo a pensar…

Una frenada de 300km/h a 100km/h requiere de una potencia de frenado de 3500 hp (aproximadamente 2600kW – esto equivale a la suma de la potencia del motor de 35 autos), y una fuerza sobre el pedal de freno de aproximadamente 170kg. ¡Así se obtienen aceleraciones de aproximadamente 6g! Es decir, que equivale a 6 veces la aceleración de la gravedad.

En estas condiciones y durante un periodo de tiempo extremadamente breve, el piloto tiene que aplicar los 170kg de fuerza sobre el pedal (sin llegar a bloquear las ruedas), sentir la aceleración y así ir regulando la fuerza sobre el pedal de freno para optimizar la frenada.

Durante este periodo de tiempo los discos de freno se calientan y van variando su performance; los neumáticos también varían su performance debido a la temperatura y la variación de velocidad; y el sistema de recuperación de energía genera variaciones de par de frenado para generar electricidad y almacenarla.

Por si esto fuera poco el piloto tiene que cambiar de velocidades produciendo también grandes variaciones por efecto de freno motor.

Después de todo esto te darás cuenta que un piloto es verdaderamente un director de orquesta. Debe aprovechar todo el potencial y no se le puede escapar ningún detalle. El problema está en que no puede predecir en qué momento se pondrá en marcha el sistema de recuperación de energía (ERS) que le hará cambiar completamente la melodía que tenia pensada.

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