Proceso para comprobar la temperatura de los elementos de frenado de un vehículo, en particular un vehículo ferroviario.

Un proceso para comprobar la temperatura de un disco de freno (D) de un vehículo,

en particular de un vehículoferroviario o un tranvía, que actúa operativamente junto con al menos un elemento de freno (P) adaptado para serpuesto en contacto friccional con el disco (D) a través de un actuador asociado para asegurar el frenado delvehículo; comprendiendo el proceso las operaciones de:

- determinar la velocidad angular relativa entre el disco de freno (D) y el elemento de freno (P),

- detectar la magnitud de la fuerza aplicada sobre el disco de freno (D) a través del efecto de activación del actuador,

- calcular la energía mecánica convertida por fricción en calor cuando el disco (D) y el elemento de freno (P) entranen contacto de fricción;

- calcular la energía térmica intercambiada entre el disco de freno (D) y el ambiente colindante,

- calcular la energía térmica neta aplicada sobre el disco de freno (D) como diferencia entre la mencionada energíamecánica disipada por la fricción y la mencionada energía térmica intercambiada entre el disco de freno (D) y elambiente, y

- obtener una indicación cuantitativa de la temperatura del disco de freno (D) como una función de la energía térmicaneta calculada;

estando caracterizado el proceso por:

calcular adicionalmente la energía térmica intercambiada entre el disco de freno (D) y al menos un elemento defrenado (P),

calcular la energía térmica neta aplicada en el disco de freno (D) como diferencia entre dicha energía mecánicadisipada por la fricción y la energía térmica intercambiada entre el disco de freno (D) y dicho al menos un elementode freno (P) y el ambiente,

estimar el grosor del material eliminado del disco de freno (D) por unidad de tiempo, y

obtener dicha indicación cuantitativa de la temperatura del disco de freno (D) como una función de la energía térmicaneta así calculada, la masa y la capacidad térmica del disco de freno (D).

Proceso para comprobar la temperatura de los elementos de frenado de un vehículo, en particular un vehículo ferroviario La presente invención se refiere a un proceso para comprobar la temperatura de los elementos de frenado de un vehículo, en particular un vehículo ferroviario, del tipo según el preámbulo de la reivindicación 1.

El documento DE 102005019276 A1 da a conocer un método de ese tipo para su uso en un vehículo de carretera con un motor de combustión interna. La energía térmica neta aplicada a los discos de freno dispuestos cerca del motor se calcula teniendo en cuenta también la temperatura en el compartimiento del motor.

El documento EP 1083360 A proporciona un sistema que implementa un algoritmo para estimar la temperatura de un primer elemento de frenado (disco de freno) y de un segundo elemento de frenado (pastilla) de un vehículo que pertenezca a un vagón ferroviario o tren. Este algoritmo evalúa el calor desarrollado en el sistema de disco/pastilla de freno con referencia al cambio general en la energía cinética y potencial del vehículo, la contribución de las resistencias al movimiento y cualquier implicación de dispositivos de frenado adicionales que no sean el freno neumático convencional.

El documento DE 4316993 A1 da a conocer métodos para determinar el grosor que queda de las pastillas de freno y la temperatura de los discos de freno.

En los documentos DE 10157449 A1, WO 92/00212 A1 y GB 2289765 se dan a conocer métodos adicionales para determinar la temperatura de los discos de freno.

Es un objeto de esta invención proporcionar un proceso innovador y más directo para comprobar la temperatura de los discos de freno, que entre otras cosas no requiera calcular la energía cinética del vehículo ni los cambios en su energía potencial, ni reconocer la contribución de otros tipos de freno.

Este y otros objetos se llevarán a cabo de acuerdo con la invención mediante un proceso cuyas características principales se definen en la reivindicación 1 adjunta.

Otras ventajas y características de la presente invención quedarán claras a partir de la siguiente descripción detallada, que se ofrece con referencia a los dibujos adjuntos que se ofrecen meramente a modo de ejemplo no limitativo y en los que:

la figura 1 es una vista en planta parcial de un bogie de un vehículo ferroviario y muestra en particular un eje con el que están asociados dos dispositivos de disco de freno,

la figura 2 es una vista en perspectiva parcial de dos discos de freno diferentes,

la figura 3 es una representación de un diagrama ilustrativo de un modelo de una simulación unidimensional de un disco de freno utilizado en el proceso de acuerdo con la invención,

la figura 4 es un diagrama de bloques que ilustra el algoritmo utilizado en el proceso de acuerdo con la invención,

la figura 5 es un diagrama de bloques del sistema de procesamiento y de los dispositivos asociados utilizados para implementar el proceso de acuerdo con la invención,

la figura 6 muestra cambios de temperatura ejemplares en un disco de freno comprobados utilizando el proceso de acuerdo con la invención,

la figura 7 es un conjunto de dos diagramas que muestra cambios simulados en la velocidad de avance del vehículo y en la fuerza de frenado aplicada en una dirección normal al disco de freno en función del tiempo representado en 55 la abscisa, y

la figura 8 muestra las correspondientes temperaturas calculadas utilizando el proceso de acuerdo con la invención en relación con los cambios simulados en la velocidad de avance y en la fuerza de frenado mostrados en los gráficos de la figura 7.

En la figura 1B se muestra en su conjunto un bogie de un vehículo ferroviario. Tal como es sabido este bogie comprende una estructura de carga S en la que están soportados una pluralidad de ejes, de los que en la figura 1 solo se ilustra uno, que está indicado en su conjunto por A. Tal como es sabido este eje comprende un vástago 1, en cuya extremidad están enchavetadas unas ruedas 2.

Dos discos de freno, cada uno indicado en su conjunto por 10, están asociados con el eje A. Cada uno de estos dispositivos comprende un disco indicado en su conjunto por D, sobre cuyas superficies laterales opuestas actúan correspondientes pastillas de freno P soportadas por unas zapatas basculantes C asociadas que pueden operarse mediante unos pistones neumáticos asociados.

Cada disco de freno D comprende dos anillos extremos D1 entre los que se extienden unas aletas o álabes V que al desplazarse generan una fuerza de ventilación. Estas aletas pueden ser de tipo radial o tangencial, tal como se muestra en la figura 2.

Con referencia a la figura 1, cada freno de disco D tiene una forma esencialmente simétrica con respecto a su plano transversal medio a-a.

El proceso de acuerdo con la invención se basa en un modelo físico matemático unidimensional del disco de freno D y este modelo se beneficia de la condición de simetría con respecto al plano transversal medio a-a. De hecho este modelo considera el equilibrio de energía, específicamente el equilibrio térmico, en uno de los dos semidiscos en los que está dividido el disco D por el plano a-a.

Con referencia a la figura 3, en el algoritmo que implementa el proceso de acuerdo con la invención se considera que la banda F de cada semidisco está subdividida en N elementos anulares transversalmente adyacentes, en donde N es un número entero, por ejemplo igual a 8.

Con referencia a la figura 3, los elementos anulares de la banda F están indicados por Ei, donde i = 1, …, N, desde el elemento sometido a la fuerza de una pastilla de freno P hasta el elemento terminal sometido a la acción del flujo de ventilación inducido por las aletas o álabes V.

Las temperaturas medias indicadas por TJ , … , TN corresponden a los elementos anulares discretos E1, … , EN.

Las temperaturas que corresponden a las interfaces situadas entre los elementos anulares exteriores E1 y EN y el ambiente exterior están indicadas por T1 y TN+1 respectivamente. Las temperaturas en las interfaces situadas entre los elementos anulares continuos están indicadas en orden por T2, T3, …, TN.

De aquí en adelante el subíndice t indicará el valor de una cantidad en el tiempo t. Por ejemplo, Ti, t (i = 2, …, N+1) indica la temperatura en la interfaz situada entre los elementos anulares Ei y Ei-1 en el tiempo t.

En el proceso de acuerdo con la invención, la velocidad angular relativa entre el disco de freno D1 y el elemento de freno asociado o pastilla P se determina utilizando un sensor 11 (figuras 4 y 5) que tiene una salida eléctrica. También se determina la magnitud de la fuerza aplicada sobre el disco de freno D a través del efecto de activación del actuador de frenado asociado. Esto se logra por ejemplo utilizando un sensor de presión 12 que detecta la presión de frenado aplicada sobre el actuador asociado (pistón de freno) .

Con referencia a la figura 5, los sensores 11 y 12 están conectados a unas correspondientes entradas a una unidad electrónica de procesamiento ECU, proporcionada por ejemplo mediante el uso de un microprocesador. Dicha unidad está diseñada en particular para implementar el algoritmo al que se refiere el diagrama ilustrativo en la figura 4 que se describirá mejor a continuación.

Con referencia a la figura 4, el algoritmo llevado a cabo por la unidad electrónica ECU proporciona a la misma en primer lugar los datos indicativos de muchas características geométricas de los elementos implicados, en particular las características geométricas del disco de freno D, de sus elementos D1 y de las aletas V intervinientes, así como las características geométricas del engranaje de frenado, el pistón de freno y las ruedas 2 del bogie B.

También se proporcionan en primer lugar a la unidad ECU datos indicativos de las características de los materiales que constituyen los mencionados elementos, tales como conductividad térmica y capacidad calorífica total y la densidad del material que forma el disco de freno D y las pastillas P asociadas.

En base a las señales o datos proporcionados por los sensores 11 y 12 y a los datos indicativos de las 55 características geométricas y de las características de los materiales, la unidad electrónica de procesamiento ECU calcula la energía mecánica convertida en calor cuando el disco de freno D y las pastillas P asociadas entran en contacto mutuo, tal como se describirá mejor a continuación y por lo tanto calcula la energía térmica neta aplicada al disco de freno como la diferencia entre la mencionada energía mecánica y la energía térmica intercambiada... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para comprobar la temperatura de un disco de freno (D) de un vehículo, en particular de un vehículo ferroviario o un tranvía, que actúa operativamente junto con al menos un elemento de freno (P) adaptado para ser

puesto en contacto friccional con el disco (D) a través de un actuador asociado para asegurar el frenado del vehículo; comprendiendo el proceso las operaciones de:

- determinar la velocidad angular relativa entre el disco de freno (D) y el elemento de freno (P) ,

- detectar la magnitud de la fuerza aplicada sobre el disco de freno (D) a través del efecto de activación del actuador,

- calcular la energía mecánica convertida por fricción en calor cuando el disco (D) y el elemento de freno (P) entran en contacto de fricción;

- calcular la energía térmica intercambiada entre el disco de freno (D) y el ambiente colindante,

- calcular la energía térmica neta aplicada sobre el disco de freno (D) como diferencia entre la mencionada energía mecánica disipada por la fricción y la mencionada energía térmica intercambiada entre el disco de freno (D) y el ambiente, y

- obtener una indicación cuantitativa de la temperatura del disco de freno (D) como una función de la energía térmica neta calculada;

estando caracterizado el proceso por:

calcular adicionalmente la energía térmica intercambiada entre el disco de freno (D) y al menos un elemento de frenado (P) ,

calcular la energía térmica neta aplicada en el disco de freno (D) como diferencia entre dicha energía mecánica 30 disipada por la fricción y la energía térmica intercambiada entre el disco de freno (D) y dicho al menos un elemento de freno (P) y el ambiente,

estimar el grosor del material eliminado del disco de freno (D) por unidad de tiempo, y

obtener dicha indicación cuantitativa de la temperatura del disco de freno (D) como una función de la energía térmica neta así calculada, la masa y la capacidad térmica del disco de freno (D) .

2. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la energía térmica neta aplicada en el disco de freno (D) se calcula utilizando un modelo físico/matemático unidimensional del disco de freno (D) de acuerdo con el que se considera la subdivisión del disco de freno (D) en una pluralidad (N) de elementos anulares adyacentes (E1, … , EN) de los que los situados en las extremidades (E1, EN) presentan una relación de intercambio térmico con el ambiente colindante y con un elemento discreto adyacente (E2, EN-1) y en los que los elementos intermedios (E2-EN-1) presentan una relación de intercambio térmico con los elementos adyacentes a los mismos, respectivamente.

3. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el correspondiente cambio de temperatura por el efecto de la energía térmica neta que penetra en cada uno de los mismos se calcula para cada uno de los mencionados elementos anulares discretos (E1, … , EN) .

4. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el correspondiente cambio de temperatura por el efecto 50 de los intercambios de calor por convección y radiación con el ambiente colindante y por el efecto de intercambio de calor por conducción con el elemento adyacente (E2, EN-1) se calcula para los elementos anulares terminales (E1, EN) .

5. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el valor permisible 55 máximo para la velocidad de avance del vehículo a la que todavía puede llevarse a cabo el frenado del vehículo sin alcanzar el valor límite predeterminado para la temperatura del disco de freno (D) también puede calcularse dinámicamente.

6. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los cambios de 60 temperatura en el disco de freno (D) se calculan en base a un valor inicial obtenido mediante un sensor de temperatura ambiente utilizado con otros fines.

7. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que los cambios de temperatura en el disco de freno (D) se calculan a partir de datos almacenados en una memoria, por ejemplo en forma de tablas, 65 representativos de la temperatura ambiente.

8. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que los cambios de temperatura en los discos de freno (D) se calculan en base a un valor inicial obtenido utilizando un sensor de temperatura dedicado cercano a un disco de freno.

9. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye una simulación de la refrigeración del disco de freno (D) en las condiciones en las que el vehículo está estacionario.

10. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 9, en el que se utiliza una unidad electrónica de procesamiento (ECU) y el valor de la temperatura del disco de freno (D) se estima cada vez que se enciende nuevamente la unidad

(ECU) cuando el intervalo de tiempo desde que se apagó previamente la unidad (ECU) es inferior a un valor predeterminado.

11. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes que comprende una comprobación de que la temperatura calculada del disco de freno (D) coincide con la temperatura ambiente tras un 15 tiempo predeterminado durante el que el vehículo ha estado en movimiento.

12. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 11, en el que la temperatura de la superficie de fricción entre el disco de freno y la pastilla se determina mediante un sensor y el valor hallado para la temperatura se utiliza para comprobar y calibrar el modelo de disco de freno anteriormente mencionado al menos durante una etapa de ajuste del proceso.