Las unidades asimétricas de rodamientos para cubos mejoran la maniobrabilidad de los vehículos de altas prestaciones

En los vehículosde altas prestaciones, es importante mantener unas características de maniobrabilidad buenas en todas las situaciones de conducción. Una solución concebida por los ingenieros de SKF y premiada posteriormente, basada en el desarrollo de una unidad asimétrica de rodamientos para cubos, ha resuelto un antiguo problema de knock back o retroceso de la pinza de freno al tomar curvas a alta velocidad o conducir por carreteras con firme irregular. Este fenómeno ocasiona una mayor carrera en el pedal del freno en maniobras de viraje difíciles, afectando el tiempo de respuesta del freno y la precisión del sistema de control electrónico de estabilidad (ESC).

El llamado knock back se produce cuando tiene lugar una flexión en el conjunto formado por el buje, el cubo y la pinza de freno (. 1). Estas flexiones las ocasionan grandes fuerzas laterales en la zona de contacto neumático/ carretera. Cuando el cubo de la rueda se flexiona, el movimiento relativo entre el disco de freno y el pistón de la pinza ocasiona el desplazamiento del pistón. Si el movimiento relativo supera los límites de retroceso de la junta del pistón de la pinza, el pistón se deslizará sobre su junta y se mantendrá en posición retraída. Esto crea holguras excesivas entre el disco y la pastilla de freno. El pistón permanece en posición retraída hasta que se realiza el siguiente frenado, lo que significa que en las frenadas posteriores la carrera del pedal de freno será mayor antes de detectar que se produce este efecto (. 2).

Frenadas de gran efecto
Como es natural, los vehículos de altas prestaciones deben ofrecer una maniobrabilidad y frenada excepcionales, proporcionando respuestas predecibles y lineales en todas las circunstancias de conducción. Debido a que esos vehículos frecuentemente se conducen hasta sus límites dinámicos, su capacidad para poder tomar una curva cerrada y aplicar los frenos con toda seguridad es un elemento decisivo si se han de cumplir las facultades del vehículo.

Irónicamente, las estrategias usadas en la mejora de las plataformas de los vehículos para crear funciones de alta gama como frenos y neumáticos especiales, tienen el efecto adverso de incrementar la susceptibilidad al knock back o retroceso. El cubo de rueda, en particular, tiene que soportar fuerzas muy elevadas, que conllevan un aumento de la flexión, y el uso de un disco de freno de un diámetro mayor puede exagerar la sensibilidad geométrica a una curva de flexión en el cubo.

Un knock back excesivo en el freno también tiene un efecto negativo en la eficacia del sistema de ESC, puesto que incrementará las holguras entre el disco y la pastilla de freno. Las holguras crean una adaptabilidad del sistema que el ESC debe superar antes de generar fuerzas de frenado y esto puede retrasar o reducir la eficacia de las intervenciones del ESC.

Identificación del problema
Durante el desarrollo del Cadillac STS-V 2006, se producía knock back en el vehículo. Antes de estudiar una solución, el grupo de ingeniería de SKF elaboró un enfoque del sistema junto con ingenieros de General Motors (GM). Los especialistas identificaron aspectos potenciales relacionados con el perfeccionamiento del diseño del cubo de las ruedas. Estos eran:

• La arquitectura base del vehículo podía limitar seriamente las opciones disponibles para mejorar la rigidez del cubo a la flexión
• Los neumáticos anchos suelen comportar bombeos de las ruedas poco favorables, afectando negativamente al rodamiento
• Los neumáticos anchos de alto rendimiento tienen una mejor adhesión y generan mayores cargas de flexión
• El uso de ruedas más grandes suele dar como resultado radios de neumático más elevados, con cargas estáticas que ocasionan mayores cargas de flexión para una fuerza dada en la banda de rodadura
• Discos de mayor diámetro amplifican las curvas de flexiones del cubo en el pistón de la pinza
• La elasticidad de las pinzas del pistón fijas opuestas es menor, y las pinzas presentan mayor sensibilidad a las curvas de flexiones del cubo

Tradicionalmente, las unidades de rodamiento para cubos se diseñan tomando como punto de partida su carga radial y axial, y una baja fricción en relación con el movimiento entre la rueda y el buje, para proporcionar apoyo al disco de freno y la rueda. En la unidad de rodamiento propiamente dicha, los parámetros a considerar son la capacidad de carga del rodamiento, la obturación, la resistencia de las bridas estructurales y su mecanismo de retención o sujeción. También supone una ventaja examinar el exterior de la unidad de rodamiento para cubos, para analizar su influencia en el comportamiento del chasis que la rodea, y de los componentes del freno.

Las limitaciones de la arquitectura del vehículo llevaron a incrementar al máximo la rigidez a la flexión, y mantener al mismo tiempo la interfaz entre los componentes existentes en el vehículo.

La rigidez del cubo está afectada por cuatro aspectos principales; la geometría del cubo, la precarga del rodamiento, la distancia entre los centros de carga del rodamiento, es decir, la distancia entre los centros de presión del rodamiento definidos por la separación entre dos hileras de elementos rodantes, el diámetro de su círculo primitivo y los ángulos de contacto. El parámetro final es el punto en torno del cual se produce la flexión de la brida del cubo. El equipo de ingeniería se percató de la posibilidad de efectuar cambios que mejorarían la rigidez. Incrementó el espesor de la brida, cambió de una precarga mediante anillos de retención al remachado orbital, aumentó la distancia entre hileras e incrementó el diámetro del círculo primitivo de la hilera exterior para reducir la flexión del cubo e incrementar la distancia entre los centros de carga del rodamiento (s. 3 y 4). La hilera interior tiene un diámetro primitivo relativamente pequeño, para adaptarse a la geometría de vehículo existente, mientras que el de la hilera exterior es más grande para incluir más elementos rodantes e incrementar la rigidez. Además, el espesor de la brida se incrementó en 3 mm (. 6).

El diseño proporciona una rigidez mucho mayor a la flexión y se adapta a la arquitectura existente en el vehículo. Los ensayos mostraron una reducción del 56 por ciento en el knock back en comparación con el diseño original, proporcionando al vehículo un pedal del freno con una respuesta uniforme y predecible, y un ESC preciso, incluso en situaciones de conducción complicadas (. 5). SKF ha desarrollado tres versiones del X-Tracker: una versión de rodamiento de bolas (. 6), otra de rodamiento de bolas y rodillos cónicos (. 7), y una tercera de rodamiento de rodillos cónicos (. 8).