Comparación de diseños de discos de freno ventilados con pilares NACA y perforaciones en hierro fundido y acero inoxidable mediante simulaciones numéricas

Abstract

Este estudio evalúa el rendimiento térmico de dos configuraciones de discos de freno ventilados en un escenario de frenada urbana simple (60 km/h, –5 m/s², ≈3,3 s), comparando un diseño con pilares de perfil NACA (Modelo A) y otro que añade perforaciones (Modelo B), y dos materiales: hierro fundido SAE G4000 y acero inoxidable martensítico AISI 410. Mediante simulaciones transitorias de transferencia de calor en ANSYS®, se determinó la temperatura máxima y el flujo de calor superficial para cada combinación. En SAE G4000, el Modelo B redujo marginalmente la temperatura de 332,01 K a 331,10 K (–0,27 %) y aumentó el flujo térmico de 178 540 W/m² a 184 070 W/m² (+3,10 %). En AISI 410, la temperatura se incrementó de 348,91 K a 349,49 K (+0,17 %), mientras que el flujo aumentó de 170 350 W/m² a 180 620 W/m² (+6,03 %). Estos resultados indican que las perforaciones mejoran ligeramente la disipación en materiales de alta conductividad, siendo el hierro fundido SAE G4000 con Modelo B la opción más equilibrada para aplicaciones urbanas, aunque el diseño de pilares NACA por sí solo ofrece un rendimiento casi equivalente con menor complejidad de fabricación. This study investigates the thermal performance of two ventilated brake disc configurations under a simple urban braking scenario (60 km/h, –5 m/s², ≈3.3 s), comparing a NACA-pillar design (Model A) to one with additional perforations (Model B), and two materials: SAE G4000 cast iron and martensitic stainless steel AISI 410. Transient heat-transfer simulations in ANSYS® were used to determine peak temperature and surface heat flux for each combination. For SAE G4000, Model B marginally reduced peak temperature from 332.01 K to 331.10 K (–0.27 %) and increased heat flux from 178,540 W/m² to 184,070 W/m² (+3.10 %). In AISI 410, temperature rose from 348.91 K to 349.49 K (+0.17 %), while heat flux increased from 170,350 W/m² to 180,620 W/m² (+6.03 %). These findings show that perforations slightly enhance dissipation in high-conductivity materials, making SAE G4000 with Model B the most balanced choice for urban use, although the NACA-only design delivers nearly equivalent performance with reduced manufacturing complexity.