Informe de aplicación
Identificar modos In-Plane en discos de freno mediante vibrometría de barrido 3D
El chirrido de los frenos suele producirse por el acoplamiento de un modo Out-of-Plane y un modo In-Plane del disco de freno, a menudo separados por apenas unas decenas de Hertz: los micrófonos y los sensores uniaxiales registran un único pico en el que ambos modos se superponen. La vibrometría de barrido 3D capta el vector de vibración completo en cada punto de la malla, separa las componentes axial, radial y tangencial y permite clasificar cada modo de forma inequívoca.
Según la Comisión Europea, Euro 7 es la primera norma de emisiones que también limita las partículas procedentes de los frenos. Los discos, las pastillas y los recubrimientos evolucionan más rápido de lo que se acumula experiencia en Noise, Vibration and Harshness (NVH), es decir, ruido, vibración y aspereza. La identificación fiable de los modos In-Plane se convierte así en un requisito para aprobar nuevos pares de fricción sin introducir nuevos problemas de chirrido.
Euro 7 impulsa cambios en discos, pastillas y recubrimientos
Según la Comisión Europea, Euro 7 es la primera norma de emisiones que también limita las partículas procedentes de los frenos. Se aplica a los nuevos tipos de turismos y vehículos comerciales ligeros a partir del 29 de noviembre de 2026 y a los vehículos nuevos de estas categorías a partir del 29 de noviembre de 2027.
Las principales vías de mejora son las nuevas formulaciones de materiales de fricción, los discos de fundición gris con recubrimiento y los nuevos materiales para discos. Todas ellas modifican la rigidez, el amortiguamiento y el acoplamiento por fricción en el sistema de frenado.
Por ello, las medidas para eliminar el chirrido de los frenos ya no pueden ajustarse por ensayo y error. Los ingenieros deben conocer con precisión qué modos del disco intervienen. Entre ellos se encuentran los modos In-Plane, que los métodos de ensayo convencionales suelen pasar por alto.
Por qué los modos In-Plane de los discos de freno son relevantes para el chirrido
Un disco de freno presenta tres familias de modos. En el chirrido de alta frecuencia suelen intervenir al menos dos de ellas. Cada familia se caracteriza por el número de diámetros nodales (n) y, en el caso de los modos de flexión, también por el número de círculos nodales (m).
| Movimiento dominante | Excitación | Papel típico en el chirrido | |
|---|---|---|---|
| Out-of-Plane (OOP), modo de flexión | Axial, perpendicular a la superficie de fricción | Fluctuaciones de la fuerza normal de la pastilla | Radia sonido de forma eficiente y es el modo audible |
| In-Plane tangential (IPT), modo tangencial en el plano | A lo largo de la circunferencia, en el plano del disco | Directamente por la fuerza de fricción | Aporta energía al sistema y suele ser el modo impulsor |
| In-Plane radial (IPR), modo radial en el plano | Radial, en el plano del disco | Indirectamente a través de la geometría de la pastilla y del acoplamiento con la campana del disco de freno | Puede cambiar de frecuencia o acoplarse con modos próximos |
Las siguientes animaciones muestran un modo de cada una de las tres familias modales. Se generaron a partir de las funciones de respuesta en frecuencia (FRF) medidas.
Out-of-Plane
2.626 Hz
In-Plane radial
5.989 Hz
In-Plane tangential
12.448 Hz
El acoplamiento modal como causa
El mecanismo decisivo es el acoplamiento modal. Bajo el efecto de la fricción, un modo OOP y un modo In-Plane con el mismo número de diámetros nodales pueden converger en frecuencia y volverse inestables. Esta es una causa clásica del chirrido de alta frecuencia.
El modo In-Plane acoplado rara vez es visible en el espectro de ruido. Sin embargo, es el modo sobre el que debe actuar la medida correctiva.
Por qué es difícil identificar los modos In-Plane
- Frecuencias muy próximas: En los discos de freno de turismos, las frecuencias de los modos In-Plane y OOP de orden similar suelen estar separadas por apenas unas decenas de Hertz, y a veces incluso menos.
- Movimiento axial adicional: La campana del disco está desplazada respecto al anillo de fricción. Por ello, los modos In-Plane también generan movimiento axial en la superficie de fricción y, en una medición de un solo eje, aparecen como un modo de flexión adicional.
- Dobletes: Cada modo con n > 0 existe como un par de modos de la misma forma. Las aletas de refrigeración, las perforaciones y las heterogeneidades del material separan las frecuencias de estos pares en unos pocos Hertz. Esto multiplica el número de picos muy próximos entre sí.
Por qué los sensores convencionales llegan a sus límites
Si la frecuencia de cada uno de dos modos se encuentra dentro del ancho de banda del otro, resulta difícil separarlos únicamente a partir de un espectro. Sin embargo, pueden distinguirse por la dirección y el patrón espacial de su movimiento. Los sensores convencionales no captan por completo estos dos aspectos.
| Qué mide | Limitaciones para los modos In-Plane | |
|---|---|---|
| Micrófono | Presión sonora radiada en una posición | Predomina la radiación acústica de los modos OOP, mientras que los modos In-Plane radian débilmente. Al faltar información espacial y direccional, no es posible separar los componentes de un pico en el que se superponen varios modos. |
| Acelerómetro de uno o tres ejes | Aceleración en unos pocos puntos | Una masa adicional de unos pocos gramos desplaza las frecuencias del disco y añade amortiguamiento. Un número reducido de puntos de medición no permite resolver los dobletes ni los modos con un elevado número de diámetros nodales. No puede utilizarse en un disco en rotación sin telemetría. |
| Vibrómetro láser Doppler de barrido de un solo eje (SLDV) | Velocidad en la dirección del haz láser | Medición sin contacto con una malla densa de puntos de medición, pero con una sola proyección. Cuando el haz incide perpendicularmente, se capta el movimiento axial. Los modos In-Plane solo se detectan a través de su componente axial secundaria y se confunden fácilmente con modos de flexión. |
Los episodios de chirrido plantean un segundo problema: son breves y no reproducibles. Un registro temporal corto limita la resolución en frecuencia. Por ello, los modos muy próximos no pueden separarse de forma fiable únicamente a partir del espectro.
El método fiable consiste en medir la magnitud física que permite distinguirlos: el vector de vibración tridimensional en cada punto del disco.
El principio de medición de la vibrometría láser Doppler de barrido 3D
Un vibrómetro de barrido 3D dirige tres haces láser sincronizados desde distintas direcciones hacia un mismo punto. Cada haz mide la proyección del vector de velocidad local sobre su propio eje. Las tres mediciones permiten obtener el vector completo sin tocar el disco.
La referencia natural de un disco de freno es su eje. Al expresar el vector de cada punto respecto a este eje, se obtienen las tres componentes que permiten clasificar los modos del disco:
- Axial: Movimiento de flexión fuera del plano del disco.
- Radial: Movimiento en el plano del disco hacia el eje o alejándose de él.
- Tangencial: Movimiento en el plano del disco a lo largo de su circunferencia.
Procedimiento de medición con el disco de freno en reposo
Un estudio completo de los modos In-Plane de un disco de freno de automóvil incluye una sesión de medición con el disco en reposo. A continuación, se realizan ensayos específicos con el conjunto de freno de rueda montado (Corner) o en el banco de pruebas de frenos.
Montar el disco
El disco se monta en condiciones libre-libre mediante una suspensión flexible o sobre el buje.
Importar la malla CAD o FE
La malla de medición se genera en SMART Lab directamente a partir de la geometría CAD o FE importada.
Calibración 3D
Los tres cabezales de medición se calibran automáticamente en tres dimensiones.
Excitación y barrido
Para el barrido, se excita el disco en su borde exterior en dirección tangencial u oblicua mediante un shaker o un martillo de impacto.
Transformación de UVW a XYZ
Las tres velocidades medidas en las direcciones de los haces de los tres cabezales de medición (UVW) se convierten a coordenadas cartesianas (XYZ).
Identificar los modos y correlacionarlos con el modelo FE
Para cada pico, se comparan los mapas de respuesta, se cuentan los diámetros nodales y se correlacionan los modos con las formas modales del modelo FE.
Seis puntos clave para captar los modos In-Plane
- Condición de contorno
- Comience con un disco en condiciones libre-libre mediante una suspensión flexible para obtener modos del disco bien definidos que permitan la correlación con el modelo FE. A continuación, repita la medición sobre el buje o en el conjunto de freno de rueda montado para detectar desplazamientos y desdoblamientos modales debidos al montaje.
- Dirección de excitación
- La excitación axial apenas excita los modos In-Plane. Excite el disco en su borde exterior en dirección tangencial u oblicua mediante un shaker o un martillo de impacto para obtener una respuesta de las tres familias de modos.
- Densidad de la malla
- Distribuya suficientes puntos a lo largo de la circunferencia para resolver el mayor número de diámetros nodales de interés. Incluya el borde exterior, donde el movimiento radial es directamente observable.
- Rango de frecuencias y resolución
- Cubra todo el rango de frecuencias del chirrido. Seleccione una resolución de frecuencia suficientemente fina para que los dobletes desdoblados y los pares de modos OOP/In-Plane muy próximos aparezcan como picos separados.
- Geometría de los haces
- Coloque los tres cabezales de medición formando ángulos amplios con la normal al disco. Las componentes In-Plane se obtienen a partir de los haces de incidencia oblicua, por lo que unos ángulos mayores permiten obtener resultados In-Plane más definidos.
- Análisis
- Compare los mapas de respuesta axial, radial y tangencial para cada pico. Cuente los diámetros nodales y correlacione los modos con las formas modales del modelo FE.
Qué revela un escaneo 3D de un disco de freno
El resultado clave de un escaneo 3D es la distribución del movimiento de cada modo entre las direcciones axial, radial y tangencial. En un disco típico de turismo con ventilación interna, esto permite distinguir tres situaciones que un espectro por sí solo no puede resolver:
- Pares de modos acoplados ocultos: Donde el espectro muestra un único pico ancho, los datos 3D suelen revelar dos modos: un modo de flexión Out-of-Plane y un modo tangencial In-Plane con el mismo número de diámetros nodales. Este es el par clásico que genera chirridos por acoplamiento modal. La medida correctiva debe actuar sobre el modo In-Plane del par.
- Modos In-Plane que parecen modos de flexión: Debido al desplazamiento de la campana respecto al anillo de fricción, los modos In-Plane también presentan un movimiento axial significativo. En una medición de un solo eje, parecen un modo de flexión más. Solo el predominio de la componente In-Plane permite clasificarlos correctamente.
- Dobletes desdoblados: Dos modos con la misma forma y frecuencias ligeramente distintas aparecen como picos separados. Su separación es un indicador directo de la asimetría del disco y permite evaluar la disposición de las aletas de refrigeración o las variaciones del proceso de fundición.
Cómo cambia el desarrollo con la identificación modal
Conocer el modo In-Plane acoplado a un modo de chirrido permite desarrollar medidas correctivas específicas, en lugar de recurrir al ensayo y error.
| Sin identificación 3D | Con identificación 3D | |
|---|---|---|
| Validación del modelo FE | Solo se correlacionan los modos de flexión; los modos In-Plane quedan sin verificar. | Se correlacionan las tres familias de modos mediante el Modal Assurance Criterion (MAC), que evalúa la concordancia entre las formas modales, incluyendo el desdoblamiento de los dobletes. |
| Medidas correctivas contra el chirrido | Se prueban Shims, chaflanes y amortiguación sobre el modo que produce el sonido audible. | Los cambios de geometría o material buscan separar el par de modos que realmente está acoplado. |
| Pares de fricción para Euro 7 | Cada nuevo recubrimiento o formulación de pastillas requiere una matriz completa de ensayos de ruido para detectar problemas. | Los desplazamientos de las frecuencias modales de las distintas variantes de disco se miden y comparan antes de los ensayos en banco. |
| Variantes de disco y proveedores | Las diferencias se detectan tarde, cuando ya se producen reclamaciones de garantía. | La separación entre dobletes modales y las frecuencias In-Plane sirven como indicadores de calidad. |
El mayor beneficio se obtiene en las primeras fases del programa de desarrollo para Euro-7. Al introducir un recubrimiento de bajas emisiones o un nuevo material para el disco, un escaneo 3D del disco original y del nuevo permite determinar en un solo día, si un modo In-Plane se ha acercado en frecuencia a un modo de flexión adyacente. Este riesgo puede eliminarse mediante ajustes de diseño antes de realizar la primera matriz de ensayos de ruido en el banco de pruebas de frenos.
Sistemas recomendados para mediciones en discos de freno
SMART 3D-Scan
SMART 3D-Scan con la opción de análisis modal de SMART Lab para la identificación completa de los modos In-Plane y la correlación FE.
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SMART Scan+
SMART Scan+ permite realizar escaneos rápidos con un solo cabezal de medición cuando únicamente se necesitan modos de flexión.
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SMART Multi-Fiber
SMART Multi-Fiber o SMART 3D-Fiber mide todos los puntos simultáneamente durante un mismo episodio de chirrido.
View productFuentes y bibliografía
Para las emisiones de los frenos, Euro 7 remite al procedimiento de ensayo del Reglamento n.º 179 de las Naciones Unidas (UN R179), que desarrolla el Reglamento Técnico Mundial n.º 24 de las Naciones Unidas (UN Global Technical Regulation Nr. 24). Este cambio se introduce mediante el Reglamento Delegado (UE) 2026/1214, en vigor desde el 23 de septiembre de 2026.
- Reglamento (UE) 2024/1257 (Euro 7) en EUR-Lex
- HELLA: Los retos que plantea la norma de emisiones Euro 7 a los fabricantes de frenos. El artículo describe los límites de emisión de partículas de los frenos con un diámetro inferior a 10 micrómetros (PM10) y el procedimiento de ensayo GTR 24, según la situación anterior al cambio a UN R179.
Bibliografía
Kinkaid, N. M., O'Reilly, O. M., Papadopoulos, P.: Automotive disc brake squeal. Journal of Sound and Vibration 267(1), 105–166 (2003). Revisión de los mecanismos del chirrido, incluido el acoplamiento modal.
Chen, F., Tan, C. A., Quaglia, R. L. (eds.): Disc Brake Squeal: Mechanism, Analysis, Evaluation, and Reduction/Prevention. SAE International, 2006.