Los frenos de la F1: ¡de 300 a 80km/h!

Los repostajes volverán a la F1 en 2017

Los frenos en cualquier coche, son los encargados de reducir la velocidad en caso de necesidad; esta necesidad viene del hecho de tener que reducir la velocidad en una curva básicamente; si no existieran curvas, apenas se tendría que frenar. En un F1, los frenos son absolutamente necesarios y permite reducir de velocidades alrededor de 300 km/h a 80 km/h para negociar las curvas de los circuitos.

En esencia un sistema de frenos consta de 2 partes: disco y pastillas de freno:

El problema radica esencialmente en las altas temperaturas, y por tanto también desgaste, que tiene lugar sobre el sistema:

Si disco y pastillas estuvieran aisladas, como en la primera foto, sería todo muy sencillo; el problema además radica en el hecho de que se encuentran metidos en el interior de la llanta, prácticamente aislados de aire directamente incidente; de ahí que se calienten muchas veces en exceso. Por tanto, lo que los equipos de Fórmula 1 siempre intentan es aumentar la duración y efectividad de los frenos; para ello, es necesario refrigerarlos adecuadamente. En primer lugar es posible diseñar los discos con múltiples orificios para hacer pasar el aire por ellos, y de esta forma, enfriarlos:

Fabricar los discos de carbono-carbono conlleva un largo proceso en el que se han de invertir cientos de horas de trabajo y en el que los materiales se calientan hasta los 2500°C de temperatura. La complejidad del proceso también explica la otra gran característica de las pastillas y los frenos de disco carbono-carbono: su coste. Un juego de discos de freno (cuatro) cuesta 4500 dólares, mientras que un juego de pastillas (ocho) alcanza los 2400 dólares.

Pat Symonds, ingeniero de Williams: “ cuando determinamos el funcionamiento de los frenos, lo hacemos en función de dos parámetros: agarre y consistencia. El agarre es la fricción inicial que se experimenta cuando el piloto presiona el pedal del freno y éstos aún no están en la temperatura idónea para operar. La consistencia se mide en función precisamente de la consistencia de esa fricción durante el periodo en el que el freno está presionado. Los frenos carbono-carbono poseen unas propiedades muy particulares: su rendimiento es relativamente pobre por debajo de una temperatura de 400°C, pero es óptimo cuando se mueve alrededor de los 650°C. Lamentablemente, mientras que los frenos convencionales sufren el desgaste habitual de cualquier material de fricción, un freno de carbono no sólo acusa este desgaste sino que también sufre un proceso conocido por oxidación. La oxidación, en términos coloquiales, se da cuando la superficie del freno se va quemando, y a temperaturas que rondan los 600°C ese proceso se acelera y se convierte en el principal motivo de desgaste del freno. “

Teniendo en cuenta que durante una carrera las temperaturas de los discos de freno pueden llegar a los 1200°C, es evidente que el la oxidación es un factor muy significativo en el proceso de desgaste de los frenos. En las rectas, por supuesto, los conductos de los frenos hacen llegar aire a los frenos para que la temperatura caiga por debajo del nivel de oxidación, pero como estas altas temperaturas se mantienen durante un tiempo relativamente extenso, paradójicamente el aire que se utiliza para refrigerarlos contiene una cantidad de oxígeno que acelera el proceso de desgaste.

Cuando un piloto experimentado se pone por primera vez al volante de un coche de F1, normalmente y casi sin excepción, su primer comentario tiene que ver con la potencia y la eficacia de los frenos. Un coche moderno de F1 puede alcanzar 5.5g bajo frenada cuando un coche de carretera probablemente no alcanzaría 1g. Además, los coches de F1 no utilizan servo, así que el piloto tiene que presionar el pedal muy fuerte para provocar la presión del freno (por encima de los 100 bar). Por supuesto, cuando se pisan los frenos en un coche que rueda a 330 kph, el monoplaza tiene una alta carga aerodinámica y las ruedas no se bloquean. Sin embargo, cuando el coche va bajando de velocidad, el apoyo aerodinámico desaparece y por lo tanto el agarre del neumático se ve reducido, pero también los frenos alcanzan su nivel óptimo: de este modo, la capacidad para frenar la fuerza del coche disminuye, pero la eficacia de los frenos se incrementa.

Si el piloto mantuviese el pedal del freno pisado a fondo durante demasiado tiempo, las ruedas no tardarían en bloquearse, así es que el piloto debe ir modificando su presión sobre el pedal del freno para intentar evitar que las ruedas lleguen a un punto en el que se bloquean. A diferencia de cuando se circula por carretera, donde lo ideal es frenar en recta, un piloto de carreras tiene que frenar también en curva para intentar obtener un buen crono. Como el coche en ese momento experimenta la fuerza de la frenada y también de la curva, es fácil poder llegar a bloquear la rueda delantera interior. Esto provocaría subviraje, así que el piloto nuevamente debe modular su frenada para evitar este fenómeno. También es interesante destacar que si bien un coche de F1 cuenta con unos altos niveles de apoyo aerodinámico, también sufre una fricción 2.5 mayor que la de un coche normal, así que en velocidad punta, si levantas el pie del acelerador sin tocar los frenos eso puede provocar una desaceleración en torno a 1g; es increíble: dejando de pisar entonces el acelerador, el coche sufre una desaceleración mayor que pisando a fondo el freno el cualquier coche de calle.

Al menos en principio, el problema es sencillo de resolver: basta disponer de unas tomas de aire que conduzcan aire frío hacia el disco y hacia las pastillas:

De hecho, el tamaño de los conductos no sólo se mide por objetivos aerodinámicos: los conductos más pequeños se utilizan en circuitos que exigen menos a los frenos para poder controlar las temperaturas de éstos y conseguir un correcto equilibrio entre un alto rendimiento y un índice aceptable de desgaste. Moverse de los conductos de refrigeración más pequeños a los más grandes puede suponer una pérdida de hasta el 1.5% de la eficacia aerodinámica, lo que representa también una pérdida de 1 kph en velocidad punta. La disposición de ambas tomas pueden ser muy diversas y cada equipo opta por la que mejor se adapte a su coche:

Existe otra versión del mismo sistema, que aerodinámicamente es más eficiente, pues posee menos resistencia y no altera en exceso el flujo que circula hacia atrás; esto se realiza mediante una placa vertical separada del neumático, que deja una grieta por la que se cuela el aire:

Es un sistema altamente usado y proporciona grandes y buenos resultados. En principio,  como decíamos hasta aquí, el problema parece fácil; lo difícil viene de 2 cosas: El aire que llega a las tomas de refrigeración de los frenos, no es limpio; está altamente alterado por todo lo que hay delante de ellas: alerón frontal, turbuladores, etc…. El aire que ha de salir de los frenos, ha de aprovecharse para otros asuntos, tales como la reducción de resistencia de los neumáticos. En este segundo punto, muchos equipos han utilizado la llamada tuerca sopladora, que lo que hace es extraer convenientemente el aire proveniente de la refrigeración, para encauzarla detrás de los neumáticos con el fin de reducir sus resistencia y aumentar así la velocidad punta del coche; hay que tener en cuenta que en un F1, la resistencia de los neumáticos es aproximadamente casi la mitad de la resistencia total del coche.

Se aprovecha el sistema de frenos, para colocar diferentes apéndices, para redirigir el aire a la parte trasera de los neumáticos:

Por otro lado, y para complicar más el asunto, existen 3 factores a tener en cuenta en todo diseño de un sistema de frenado: el aire proveniente de la parte frontal del coche, sirve para:

1. Refrigerar los radiadores; ha de entrar por los pontones.
2. Refrigerar los frenos.
3. Aprovecharse para generar downforce en el suelo y difusor del coche.

Evidentemente, las 3 son importantísimas, pero quizás la tercera sea la función más esencial; de cualquier forma, cada equipo ha de tomarse en serio los 3 aprovechamientos; y ello no es fácil: Necesitar mucha refrigeración de pontones, implica tener poco aire para los frenos y poco para generar carga aerodinámica. Necesitar mucha carga aerodinámica, puede implicar tener poco aire para refrigerar frenos y radiadores. Etc….

Como siempre, un equilibrio es lo necesario; el problema es que este equilibrio, los equipos “buenos” lo tienen alto…. Por tanto, para diseñar un buen sistema, el diseñador ha de basarse en las siguientes premisas:

1. Un sistema con la menor resistencia aerodinámica posible.
2. Extraer el aire de forma adecuada para reducir la resistencia aerodinámica de los neumáticos.
3. Consumir la cantidad exacta de aire para no perjudicar la refrigeración de los pontones y la generación de carga aerodinámica.

Son 3 premisas esenciales que hay que considerar y ponerlas todas juntas en una balanza; todas son necesarias y extremadamente importantes.

Conseguir un buen rendimiento de los frenos es sencillo, pero eso penaliza siempre la aerodinámica, así que de lo que se trata en un Fórmula 1 es de encontrar el máximo rendimiento por parte de los frenos pero reduciendo también lo máximo posible la pérdida de eficacia aerodinámica. Además, cuando la configuración del coche es de baja carga aerodinámica, normalmente se muestra más nervioso en la frenada, exactamente lo que un piloto no desea cuando está intentando ganar confianza y estabilidad en la desaceleración.

Manejar todos estos factores, tanto desde el punto de vista del ingeniero como del piloto, es una de las claves para poder completar con éxito un Gran Premio.

Timoteo Briet Blanes

Coordinador - Máster en Ingeniería de Vehículos de Competición Universidad Nebrija