Técnica F1Así funcionan los frenos de un Fórmula 1

Los frenos tienen alta prioridad para los equipos de Fórmula 1. Si no funcionan de manera óptima o un piloto los usa incorrectamente, puede resultar costoso, tanto para el tiempo por vuelta como para la posición en la pista. Por otro lado, asegurarse de maximizar el potencial de frenado del coche y adaptar la configuración de los frenos a las características específicas de las curvas puede mejorar significativamente su rendimiento.

¿Por qué es tan importante el frenado en la F1?

El frenado es el primer elemento en la fase de curvas. Si el coche no desacelera en el punto correcto y con la presión adecuada sobre el pedal, comprometerá las fases restantes: tocar el vértice, seguir la trazada correcta, llevar la velocidad óptima a la curva y controlar la potencia a la salida. Esto puede tener un gran impacto en el tiempo por vuelta.

¿Cómo funciona el sistema de frenos?

Lo hace de manera similar a de un automóvil convencional. Entonces, ¿cómo funciona exactamente el sistema? Cuando el piloto pisa el pedal del freno, comprime dos cilindros maestros del freno, uno para las ruedas delanteras y otro para las traseras, que generan presión de fluido. En la parte delantera el sistema es muy sencillo: la presión del fluido se entrega directamente a las pinzas del freno delantero. Dentro de cada pinza, seis pistones sujetan unas almohadillas contra el disco y es esta fricción la que frena el coche. En la parte trasera, las cosas son mucho más complejas.

¿Cómo funciona el sistema en la parte trasera?

En la parte trasera, las ruedas pueden ser desaceleradas por tres fuentes separadas: la fricción de los frenos, la resistencia del motor giratorio llamado 'freno motor' y, finalmente, el frenado eléctrico que resulta de la recuperación de energía por parte del motor eléctrico híbrido MGU -K. Aunque el piloto puede ajustar cada uno de estos efectos independientemente en su volante, cuando presiona el pedal del freno los tres sistemas actúan en conjunto a través del sistema Brake By Wire (BBW) para proporcionar al piloto la frenada que ha solicitado.

"Cuanto mayor sea la señal, más agresivamente la ECU enviará demandas a los tres sistemas traseros (las pinzas de freno, el freno motor y el MGU-K)"

Cuando el piloto presiona el pedal, la presión del fluido que genera en el circuito de frenado trasero es captada por un sensor electrónico de presión. La señal de este sensor representa la demanda general de frenado trasero y se pasa a la Unidad de Control Electrónico (ECU), donde se convierte en una serie de comandos para frenar la parte trasera del coche. Cuanto más fuerte presiona el conductor, mayor es la señal. Cuanto mayor sea la señal, más agresivamente la ECU enviará demandas a los tres sistemas traseros (las pinzas de freno, el freno motor y el MGU-K) para proporcionar el frenado solicitado. La ECU distribuye sus esfuerzos a los tres sistemas de acuerdo con la forma en que el equipo ha configurado el coche, modificado por la forma en que el piloto ha ajustado la configuración del interruptor en el volante.

¿Por qué el sistema en la parte trasera es mucho más complejo?

¿Por qué querríamos usar un cilindro maestro hidráulico para generar presión que sea captada por un sensor de presión simplemente para generar una señal de demanda electrónica a una ECU? ¿Por qué no hacerlo mucho más simple midiendo la posición del pedal del freno para obtener una señal de demanda electrónica? ¿Por qué querríamos tener un sistema de frenado trasero que arbitre entre tres sistemas separados cuando simplemente podríamos usar los frenos convencionales como un automóvil normal? Las respuestas a estas preguntas se dividen en dos campos: seguridad y rendimiento.

Una vez que te has comprometido a usar un sistema Brake By Wire para controlar el frenado trasero, debes asegurarte de que haya una copia de seguridad segura en caso de que el sistema falle. Es por eso que se usa la acción del pedal del piloto para producir presión hidráulica en una línea de freno. Si el sistema BBW falla alguna vez (y hay un conjunto de sensores y una rutina de computadora continuamente dedicada a verificar su integridad), entonces se omite inmediatamente y la presión generada por el pie del piloto pasa directamente a las pinzas del freno trasero como en un coche normal. La pregunta más interesante es por qué un sistema Brake By Wire nos ofrece el rendimiento para justificar tal complejidad.

¿Qué ventajas de rendimiento proporciona el sistema Brake By Wire?

Cuando se pasa tiempo con un piloto escuchándolo hablar sobre el coche, uno de los términos más comunes a los que se referirá es 'estabilidad en frenada’. Los pilotos quieren frenos que tengan una buena 'mordida' (desaceleración inicial aguda cuando pisan el pedal), quieren una fuerte desaceleración sin ningún 'desvanecimiento', quieren una buena 'sensación' (una especie de de respuesta predecible, empuje más fuerte = que pare más, empuje menos = que pare menos).

Pero sobre todo quieren una buena estabilidad en frenada. A diferencia de la mordida, el desvanecimiento y la sensación, algo que todos los conductores podrán comprender, es mucho más difícil entender lo que quiere decir un piloto cuando habla de 'estabilidad en frenada'. Esto se debe a que no usamos los frenos de la misma manera que los pilotos de carreras.

Cuando usamos los frenos en un automóvil de carretera, generalmente apuntamos en línea recta, y rara vez los presionamos lo suficiente como para hacer que los neumáticos se acerquen a activar el sistema de frenos antibloqueo. Los pilotos de carreras operan en un lugar muy diferente. Cada vez que presionan los frenos, quieren reducir la velocidad tan rápido como el coche lo permita. Esto significa que empujan los frenos hasta el punto en que los neumáticos se bloquean, en cada curva, en cada vuelta. Además, no sólo presionan los frenos cuando el coche está en línea recta. Los accionan desde el final de la recta, continúan haciéndolo a medida que giran y solo finalmente sueltan los frenos justo en el vértice de la curva, un instante antes de que comiencen a aplicar potencia para la salida de la curva. Durante todo este tiempo, los frenos son casi tan importantes como el volante para controlar la dirección en la que apunta el coche.

Durante esta maniobra, si las cosas van bien, entonces el coche se sostiene con las cuatro ruedas justo al límite del derrape, pero sin que se desvíe de la línea de trazada que el piloto quiere seguir por la curva. Si las cosas van un poco menos bien, entonces las ruedas delanteras pueden comenzar a deslizarse un poco más que las ruedas traseras, lo que le da al piloto subviraje que no permite girar. Si las cosas menos bien, entonces podrían ser las ruedas traseras las que se deslizan más que las ruedas delanteras, y si se deslizan demasiado el automóvil comenzará a trompear.

"A medida que la curva avanza desde el frenado inicial hasta el vértice, el piloto quiere cosas diferentes"

Por esta razón, al piloto le importa enormemente cuánto frena en las ruedas delanteras en comparación con las ruedas traseras. Si el coche es inestable y quiere girar en la entrada de la curva, entonces probablemente deba pedir menos frenos traseros y más delanteros. Si el coche es perezoso y con poco giro, entonces hará lo contrario.

Además, a medida que la curva avanza desde el frenado inicial hasta el vértice, el piloto quiere cosas diferentes. A medida que el coche comienza a girar, a menudo puede tener una tendencia natural al sobreviraje, que se reemplaza progresivamente por un subviraje a medida que se acerca el vértice. Esta tendencia puede ser contrarrestada en cierta medida por un sistema de frenado inteligente que requeriría menos frenos traseros al girar (para estabilizar el coche) y luego pedir progresivamente más frenos traseros (en comparación con los delanteros) a medida que se acerca el ápice. Este proceso inteligente se llama ‘Migración de freno’ y es un cambio dinámico del equilibrio del freno en función de la presión del pedal.

Es esta inteligencia la que proporciona el sistema Brake By Wire. Guiado por la configuración del interruptor giratorio que el piloto ha realizado en su volante, el sistema BBW combina la entrada de frenado de los tres actuadores principales (las pinzas, el motor y el MGU-K) para proporcionar una maniobra suave y predecible.

¿Qué tipo de fuerza emplean los pilotos a través del pedal?

Mucha fuerza. Los pilotos tienen que pisar los frenos casi de pie en el automóvil para hacerlo. En los automóviles de carretera, los sistemas de freno servoasistidos multiplican la presión que aplica al cilindro maestro, pero el reglamento de la Fórmula 1 exige que la fuerza de frenado sea generada únicamente por el piloto. Necesitan piernas muy fuertes para hacer esto, pero obtienen ayuda de la violencia de la maniobra de frenado.

Los coches desaceleran alrededor de 5g (en comparación con el 1g que podríamos experimentar durante un freno de emergencia en nuestros coches de carretera). En esta desaceleración, su pierna pesará aproximadamente 100 kg y el peso de su pierna en el pedal del freno actuará como su propia forma de servoasistencia para ayudarlos: cuanto más presionan, más se desacelera el coche y más pesa más la pierna, lo que les ayuda a presionar más fuerte. Lo que es notable es que, en medio de todo esto, mientras presiona el pedal con más de 100 kg de fuerza, el piloto debe modular su esfuerzo en el pedal con toda la delicadeza de un pianista de concierto para llevar al coche a través de la curva en el límite de lo que permitirán los neumáticos: es un delicioso contraste de violencia y delicadeza

¿Hay un momento perfecto para comenzar a aplicar los frenos?

El lugar perfecto para frenar en un coche de F1 dependerá de muchas variables: cargas de combustible, compuesto del neumático, la cantidad de degradación y los niveles de gestión que está haciendo un piloto. Por lo tanto, en la carrera esto cambiará constantemente, ya que el combustible se quema y los neumáticos se desgastan, por lo que los pilotos tienen que ser reactivos. La clasificación es menos variable debido a cargas de combustible similares y neumáticos nuevos, lo que significa que los puntos de frenado siguen siendo prácticamente los mismos.

Los pilotos aumentan el frenado a medida que avanza el fin de semana, utilizando los entrenamientos libres para encontrar realmente el límite. Comenzarán de manera conservadora, antes de empujar más y más hasta que encuentren el punto de frenada correcto para comenzar a aplicar el pedal del freno. Sin duda, el momento más complicado del fin de semana es frenar en la primera curva de la primera vuelta.

Primero, los pilotos no tienen muchas oportunidades de conducir en pista el domingo antes de que comience la carrera. Esto significa que tienen que basar la decisión crucial de cuándo frenar en la curva 1 en una estimación aproximada de los niveles de agarre del día que se forman en las vueltas a la parrilla y la vuelta de formación. En segundo lugar, a pesar del protocolo habitual para calentar los neumáticos en la vuelta de formación y el hecho de que las mantas de los neumáticos se mantienen en el coche el mayor tiempo posible, los frenos y los neumáticos aún no están a las temperaturas óptimas al comienzo de la carrera, lo que lo hace más difícil juzgar cuánto potencial de frenado proporcionarán.

Finalmente, la parrilla se agrupa al comienzo de la carrera, con todos los coches compitiendo por el mismo metro de pista. Por lo tanto, los pilotos deben reaccionar a muchos elementos diferentes, asegurándose de entrar en la línea correcta, predecir lo que harán los rivales, estimar los niveles de agarre, asegurarse de no frenar demasiado pronto y perder posiciones, pero también aprovechar cualquier oportunidad para ganar lugares.

¿Cómo de calientes pueden ponerse los frenos?

Las temperaturas máximas para los discos de freno pueden alcanzar 1000 °C o más. Los discos de carbono pueden manejar fácilmente estas temperaturas máximas individuales, sin embargo las altas temperaturas durante un período prolongado pueden crear algunos problemas. El enfriamiento se realiza principalmente en las rectas, cuando el coche circula a altas velocidades, lo que permite que pase mucho aire a través de los conductos de freno. En un circuito como Mónaco, por ejemplo, enfriar los frenos puede convertirse en un problema real a pesar de las velocidades relativamente bajas, ya que hay muchas curvas y, por lo tanto, mucho frenado con rectas muy cortas entre medias.

¿Cómo puedes enfriar los frenos?

Los frenos necesitan aire que pase a través de los conductos de freno y salga por los montantes para enfriarlos. Hay más de 1000 orificios perforados en los laterales del disco de freno para maximizar el área de superficie y, por lo tanto, el potencial de refrigeración. Si bien esos agujeros ayudan a bajar las temperaturas significativamente cuando el coche va por la recta, también hacen que los discos alcancen temperaturas más altas porque la masa térmica del disco es más baja.

¿Qué sucede cuando los frenos se calientan demasiado?

El problema con un disco de freno que está demasiado caliente es que experimentas un fenómeno conocido como 'desvanecimiento'. El desvanecimiento significa que no hay suficiente fricción mutua entre las pastillas y los discos, lo que hace que los frenos sean mucho menos efectivos para detener el coche. Y no es sólo el rendimiento de los frenos lo que se ve afectado por las altas temperaturas de los frenos: el calor disperso de los frenos también debe controlarse, ya que sale alrededor de las ruedas y los neumáticos, que trabajan en sus propias ventanas de temperatura para lograr el máximo rendimiento.

El conducto de freno lleva aire para bajar las temperaturas, pero esto también afecta el rendimiento aerodinámico. Cuanto más grande es el conducto de aire, peor es el impacto en el rendimiento aerodinámico, pero se obtiene más enfriamiento. Por lo tanto, se debe encontrar un equilibrio para proporcionar el nivel correcto de enfriamiento sin afectar negativamente el flujo aerodinámico alrededor de los frenos. Los frenos pueden funcionar a un mínimo de 200 °C, si están demasiado fríos no hay suficiente mordida o agarre inicial para frenar el coche. Por lo tanto, la gestión de la temperatura es un factor decisivo en el rendimiento de los frenos y es crucial colocarlos en la ventana correcta. Esto es particularmente difícil en los puntos clave del fin de semana de carrera, como el inicio de la carrera o un reinicio tras el Safety Car. Por lo tanto, los pilotos de F1 a menudo zigzaguean cuando siguen al coche de seguridad o presionan el botón BW ('Calentamiento de frenos') en sus volantes que les permite anular el equilibrio del freno.

¿Por qué los bloqueos son tan comunes en la F1?

Los bloqueos son un fenómeno relativamente común en la Fórmula 1. Ocurren cuando se aplica demasiada fuerza a los frenos, lo que hace que el disco se detenga o gire más lentamente que el movimiento del coche. El neumático se roza a lo largo de la superficie de la pista, a veces creando humo blanco. Si bien esto sucede con relativa frecuencia en la F1, los bloqueos se han vuelto muy raros en el mundo de los coches de carretera. Hay dos razones para eso.

La aerodinámica juega un papel importante en la Fórmula 1 y significa que cuanto más rápido va un coche de F1, más fuerza aerodinámica crea. Cuando aumenta la carga aerodinámica, también lo hace el nivel de agarre, lo que significa que los coches tienen más potencial de frenado a altas velocidades que a bajas velocidades. Esto también significa que el nivel de agarre cambia constantemente mientras el coche se desacelera. Sería relativamente difícil bloquear las ruedas cuando el automóvil avanza 300 km/h, sin embargo es mucho más fácil hacerlo a velocidades inferiores a 100 km/h.

"Los coches de F1 tienen más potencial de frenado a altas velocidades que a bajas velocidades"

Por lo tanto, los pilotos suelen pisar el pedal del freno con más fuerza al llegar a la zona de frenado, ya que es cuando el coche tiene su máximo potencial de frenado, antes de disminuir a medida que avanzan hacia la fase de giro para tratar de evitar un bloqueo. Pero hay otra razón por la cual los coches de F1 se bloquean con más frecuencia que los de carretera: los modernos están equipados con sistemas de frenos antibloqueo (ABS). Sin embargo, el reglamento de la F1 no permite ABS. La introducción del ABS se considera una de las innovaciones de seguridad más importantes en el mundo automotriz que ayudó a reducir drásticamente los números de accidentes, ya que significa que el automóvil seguirá reaccionando al movimiento de la dirección incluso en una condición de frenado de emergencia.

Fuente: Mercedes AMG F1