¿Cuál es el rango típico de fuerzas máximas de fricción de frenado?

Hay muchas aplicaciones que no son para bicicletas que se benefician del uso de hardware para bicicletas. Por ejemplo, existe una larga y rica tradición en el uso de piezas de bicicletas en la aviación . Un área particular de interés es el uso de frenos de bicicleta como una solución de frenado optimizada en peso y costo para muchos tipos de ejes giratorios.

Sin embargo, antes de crear prototipos con estas piezas, sería bueno comprender cuáles son sus límites operativos.

Si bien hay algunas buenas referencias para la desaceleración máxima que una bicicleta puede lograr razonablemente (parece que ~0,7 g es un valor típico ), esto no aborda cuáles son los límites de fuerza máxima de los frenos.

Estoy interesado en comprender cuáles son las cifras aproximadas de la industria para las friction force on discque se muestran en la imagen a continuación. Tenga en cuenta que esto es independiente de la fuerza de frenado que experimenta un ciclista, que es el road pushes tyre/ tyre pushes road.

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Preguntas

  1. ¿Cuáles son los rangos típicos para las fuerzas máximas de frenado de disco y llanta de bicicleta?
  2. ¿Cómo se ve afectado esto por el material de las pastillas de freno disponibles en el mercado?
  3. ¿Cuál es la diferencia de fuerza (absoluta o relativa) entre los frenos de disco accionados por cable e hidráulicos?
  4. ¿Cuál es la diferencia de fuerza (absoluta o relativa) entre los frenos de llanta accionados por cable e hidráulicos?

PD: Me doy cuenta de que, en última instancia, el par es lo que se transmite a través de la rueda al neumático, pero el par surge debido a las fuerzas de arrastre generadas por el freno. Entonces, si su respuesta proporciona especificaciones de torque, haga referencia al diámetro para que pueda convertirlo en fuerza.

Pregúntele a la gente que ha tenido problemas al frenar con los frenos delanteros.
Una endodoncia es totalmente posible si los frenos delanteros se agarran con fuerza. TBH, es más probable que un ciclista más pesado termine que un ciclista liviano en la misma bicicleta a la misma velocidad. Recuerde que el ciclista generalmente está por encima del freno/eje, por lo que también hay un momento de rotación.
Aquí hay muchas preguntas; intente reducirlas a una. SE no es un buen formato para respuestas de gran volumen sobre un tema.
@Criggie, estoy de acuerdo, en principio, en que las endodoncias son posibles cuando los frenos se agarran, pero hay un peso crítico por encima del cual ya no es posible porque los frenos no pueden reunir la fuerza. En cuanto a la cantidad de preguntas, en realidad es solo una, ¿no es así? Solo tiene múltiples puntos de datos. Me imagino algo como "Los discos hidráulicos son XY Newtons, con almohadillas orgánicas en el rango bajo y sinterizadas en el rango alto. Los discos de cable reducen eso en un Z%..."
@KennSebesta En situaciones reales, el agarre del neumático a la carretera fallaría antes que los frenos bien ajustados
@KennSebesta: cierto para el neumático trasero, pero no para el delantero.
Mi pregunta es sobre los componentes de las bicicletas , pero siento que las respuestas y los comentarios van en la dirección de las bicicletas . He actualizado mi pregunta para aclarar que la aplicación final no son las bicicletas.
Responder a sus preguntas en el contexto del ciclismo no proporcionará buenos datos para la aplicación que no tiene en mente. Necesita experimentar con su caso de uso para encontrar las respuestas que busca. Si su caso de uso es la aviación, entonces las personas familiarizadas con el uso de piezas de bicicletas en la aviación serían un mejor grupo para consultar.
He realizado con éxito (sufrido) una endodoncia sin aplicar ningún freno...
@DavidD Las fuerzas de fricción de frenado son independientes de la aplicación. Son solo una función del compuesto de la pastilla, las fuerzas de la pastilla y el material de frenado (acero o aluminio). Estoy de acuerdo en que necesitaré experimentar para encontrar si los componentes finales pueden hacer una solución adecuada, pero eso es independiente de las fuerzas involucradas. Por ejemplo, imagine si alguien quisiera reutilizar un perno de titanio de una tija de sillín. La fuerza del perno es independiente de cómo se comercializó y vendió.

Respuestas (5)

¿Cuál es la diferencia relativa entre los frenos de disco accionados por cable e hidráulicos?
¿Cuál es la diferencia relativa entre los frenos de llanta accionados por cable e hidráulicos?

En términos generales, los frenos hidráulicos ofrecen más modulación. Hay más "sensación de la mano" entre el mordisco inicial y el frenado total.

Ya sea que el disco o la llanta sean menos importantes, el freno de llanta puede tratarse como un rotor realmente grande.

Los calibradores de disco accionados por cable tienden a ser de un solo lado, por lo que tienen una almohadilla móvil y una almohadilla estacionaria. Estos pueden funcionar bien, pero tienen que flexionar el rotor sutilmente al frenar. Una pinza de disco hidráulica y cualquier tipo de freno de llanta llevarán ambas pastillas a la superficie de frenado.

Un buen freno de llanta puede superar fácilmente a un mediocre freno de disco de cualquier estilo. Todavía no se ha decidido qué es mejor entre un buen freno de llanta y una buena pinza de disco. Los discos tienen una penalización aerodinámica y de peso, pero no dependen de una llanta plana.

@Craggie, gracias por publicar, pero esto no responde la pregunta. La parte de la "diferencia relativa" hace referencia a las fuerzas de frenado máximas, no a la sensación del usuario. He actualizado la pregunta para aclarar esto.
Para aclarar por qué esta respuesta no va en la dirección correcta, la cuestión es documentar los valores (aproximados) de las fuerzas de fricción que surgen del frenado. Estas fuerzas son una función de la fuerza con la que se empuja la pastilla contra la llanta en comparación con el coeficiente de fricción de la pastilla.
@KennSebesta existe tal espectro en la calidad de los estilos de frenos en cuestión, no creo que sea posible dar una respuesta definitiva a su pregunta. Sin embargo, puede encontrar esto interesante enduro-mtb.com/en/best-mtb-disc-brake-can-buy
@PaulH ¡Ese enlace es genial! Definitivamente lo consideraría definitivo. En general, me sorprendería si hay más de un factor de 2 cuando se trata de piezas de buena reputación. Es probable que los fabricantes estén diseñando y probando contra una especificación en algún lugar, por lo que serán relativamente iguales. La bicicleta típica + ciclista estará cerca de los 100 kg, pero no de 50 ni de 200. Una cosa que podemos aprender del enlace es que 75 Nm en un rotor de 180 mm es un valor medio decente para un buen equipo.
FTR, "todavía no se ha decidido cuál es mejor entre un buen freno de llanta y una buena pinza de disco" solo se aplica en condiciones secas ideales. No creo que nadie discuta que los frenos de llanta son mucho más complicados en mojado, y mucho menos en barro, así como en varios sentidos de mantenimiento; es por eso que MTB ahora usa casi exclusivamente discos.

(Cómo frenar correctamente en tu MTB | Medidor de potencia de frenado)

Estadísticas clave del video:

  • En un sendero de 1 km con una pérdida de elevación de 122 m, la potencia de frenado promedio (durante el uso de los frenos, no promediada durante todo el recorrido) fue de 441 vatios para un ciclista novato y de 643 vatios para un ciclista avanzado.
  • La potencia máxima de frenado estuvo cerca de los 2000 vatios para cualquiera de los ciclistas.
  • La energía total disipada fue de unos 31 kilojulios para ambos ciclistas.
  • La polarización del freno delantero/trasero fue de alrededor de 2:1 para los novatos y de 3:1 para los avanzados.

También tenga en cuenta que el poder superior no siempre es el fin, sino todo el objetivo. Por ejemplo, los frenos de disco Magura son muy potentes, pero también tienen un juego de pastillas ridículamente estrecho. Necesitará alinear y reemplazar los rotores de freno con mucha más frecuencia en comparación con otras marcas.

Edit: Aquí hay otros dos videos relacionados con este tema. No me molestaré en escribir los hechos clave para estos, ya que son de naturaleza mucho menos científica.

Solo quería dejar un comentario aquí y decir gracias por el video. Le escribí al tipo que lo hizo, claramente ha hecho una buena cantidad de ingeniería en este dominio y podría tener algunos valores representativos.
Solo me gustaría agregar que el poder y la fuerza son cosas diferentes.
@ojs De acuerdo, pero el poder ciertamente sigue siendo una métrica útil.

Hay más en el frenado que solo los frenos.

Llevados al extremo, los frenos de bicicleta estándar probablemente no puedan arrojar a un ciclista de 300 kg sobre el manillar

No, no pueden, pero eso se debe a que los neumáticos perderán tracción y patinarán, momento en el cual cualquier potencia de frenado adicional es inútil.

Las bicicletas tándem tienen el doble de masa para detenerse y utilizan los mismos frenos que las bicicletas normales para paradas rápidas. Incluso con esa masa adicional, con los frenos correctamente configurados, puede patinar la rueda trasera si agarra la palanca lo suficientemente fuerte y no le importa perder el control.

En resumen, los frenos están diseñados para brindar tanta potencia como se espera que los neumáticos puedan agarrar, y no más. Algo más requiere rigidez/material adicional que es efectivamente un peso muerto.

Una bicicleta que puede lanzar a un ciclista de 75 kg por encima de las barras también puede lanzar a un ciclista de 300 kg por encima de las barras, siempre que haya suficientes frenos: la fuerza que transmiten los neumáticos crece linealmente con el peso del ciclista. No limitan la fuerza de frenado, limitan el ángulo en el que puede aplicar fuerza sobre el neumático sin patinarlo. Como tal, la cuestión de si la rueda delantera patina o se bloquea primero depende únicamente de la geometría del cuadro y el material del neumático, no del peso del ciclista.
@cmaster-reinstatemonica pero el ejemplo en tándem tiene una distancia entre ejes mucho más larga, y el C de G está mucho más alejado del eje delantero, por lo que es una buena demostración
@ChrisH Sí, de hecho. Nunca esperaría que un tándem se volcara, incluso cuando lo montan dos niños. El ángulo entre la zona de contacto del neumático delantero, el centro de gravedad y la carretera es demasiado bajo. Estaba comentando los tres primeros párrafos antes de la mención de los tándems. (Por cierto: es precisamente por eso que prefiero andar en bicicleta con una distancia entre ejes realmente larga. Derrapar el neumático delantero es mucho más saludable que pasar por encima de las barras...)
@cmaster-reinstatemonica bastante justo. Mi tourer (tamaño de cuadro XL) tiene una de las distancias entre ejes más largas del mercado. Frené lo suficientemente fuerte como para levantar la rueda trasera, pero la única vez que salí fuera fue golpeando una roca.
Gracias por dedicar tiempo a una respuesta, pero desafortunadamente esta respuesta es sobre el funcionamiento de la bicicleta , mientras que la pregunta era sobre las fuerzas de los componentes de la bicicleta . He actualizado la pregunta para dejar en claro que, si bien los mecanismos en cuestión provienen de la industria de las bicicletas, la aplicación final no son las bicicletas.
@KennSebesta, entonces tal vez debería publicar esta pregunta en Engineering.se. Su observación que responde "trate de reformular la pregunta sobre cómo afecta a las bicicletas y a los ciclistas" se debe a que de eso se trata este sitio de preguntas y respuestas .
¡Quizás tengas razón! Es complicado saber si preguntar a expertos generalistas oa entusiastas de la materia. Pero antes de tirar la toalla aquí me gustaría darle un poco más de tiempo. Es bastante obvio que inicialmente hice la pregunta de una manera que estaba abierta a esta segunda interpretación. Me disculpo profundamente por hacer tropezar a todos y espero haberlo arreglado ahora.

Puede estimar una cifra para sus dos fuerzas, "fuerza de fricción en el disco" y "empuje de la llanta en la carretera", solo a partir de consideraciones físicas.

Primero, si conocemos la masa del ciclista y la desaceleración, podemos calcular la fuerza neta de frenado en la combinación ciclista/bicicleta . Esta fuerza proviene de la "fuerza normal" de los neumáticos contra el suelo, equivalente a la fuerza de "empuje del neumático en la carretera", pero eso no es importante en esta etapa. Usando su cifra de 0.7G de desaceleración, podemos calcular la aceleración en m/s^2 como (0.7*9.81)=6.9 m/s^2 de aceleración (o desaceleración si lo prefiere; el signo no es importante aquí).

Para calcular la fuerza de frenado total, simplemente usamos la ley de Newton Fuerza = masa * aceleración. Suponiendo un ciclista de 100 kg y redondeando, la fuerza de frenado = 100 kg * 6,9 m/s^2 = 687 Newtons.

Suponiendo que toda la fuerza de frenado proviene de la rueda delantera, lo cual es una suposición razonable para la mayoría de las bicicletas de distancia entre ejes corta con frenado máximo, ya tenemos el valor de "neumático empuja la carretera"... es 687 Newtons.

Para calcular la "fuerza de fricción en el disco", simplemente multiplicamos por la relación entre el diámetro efectivo del disco y el diámetro del neumático. Si se trata de una bicicleta con ruedas de 26 pulgadas (660 mm) y un disco delantero de 160 mm (diámetro efectivo ~150 mm), entonces la "fuerza de fricción en el disco" será de aproximadamente 687 Newtons * (660 mm / 150 mm) = 3023 Newtons. Esto corresponde a alrededor de 680 libras-fuerza.

Podemos ver que un disco de freno más grande reduce la "fuerza de fricción en el disco", al igual que una rueda más pequeña, pero tampoco tiene ningún impacto en el "empuje del neumático en la carretera".

Ahora, en cuanto a las "cifras estándar de la industria", no tengo conocimiento de la práctica de la industria en esta área, y es una cuestión de ingeniería y pruebas para llegar a factores de diseño como ese. Estoy de acuerdo en que la mejor manera de averiguarlo, además de ejecutar sus propias pruebas de falla en los componentes, sería hablar con los ingenieros de componentes reales, pero será difícil encontrar a la persona adecuada que trabaje con usted.

Aprecio el esfuerzo, pero esto no aborda la pregunta. La pregunta es sobre la fuerza máxima absoluta que pueden generar los componentes de los frenos, en contraste con esta respuesta que (correctamente) analiza la fuerza del sistema holístico para una bicicleta típica.
Siguiendo este ejercicio para calcular qué fuerzas logran los frenos en la vida real, podemos estimar o establecer un límite para las fuerzas.
Estoy de acuerdo, en la medida en que a través de este ejercicio establezcamos solo un límite inferior. Hay momentos en los que establecer un límite inferior puede responder a la pregunta "¿es lo suficientemente fuerte?", Pero el OQ es "¿dónde están los límites típicos?" Con eso en mente, espero que pueda apreciar de dónde vengo cuando digo que la respuesta no aborda la pregunta.

Kenn. Soy un entusiasta de las bicicletas, un mecánico nerd orgulloso. ingeniero y un PPL (no actual) que ahora dirige una tienda de bicicletas, por lo que su pregunta me interesa. Me hacen creer que Shimano emplea a más ingenieros per cápita que cualquier otra empresa de la industria de bicicletas. Si esto es cierto, una forma de obtener números definitivos sería buscar la experiencia del centro de diseño de frenos de Shimano para obtener sus números, por ejemplo, presiones hidráulicas típicas alcanzadas por palancas manuales (supongo que es 1500 psi o 100 bar), coeficientes de fricción de varios compuestos con discos de acero, fuerzas de calibre y volúmenes de fluido? También tal vez algunos datos de disipación de calor y expansión de mangueras. Como dice el refrán, una medida vale más que mil opiniones. Además, las anécdotas no son datos.

En mi humilde opinión, los frenos accionados por cable casi no tienen esperanza de un rendimiento confiable repetible en una aplicación que no sea de bicicleta, de ahí el dominio total de la hidráulica en el uso de frenos de automóviles y motocicletas durante muchas décadas.

Por cierto, definitivamente me quedaría con aceite mineral en lugar de líquido DOT. Citroen fue pionera en eso en la década de 1960.

Esta publicación ha sido marcada como "No es una respuesta". Algunas partes, como indicar a OP que se ponga en contacto con Shimano, son más adecuadas para comentarios que para respuestas. Si es posible, edite su respuesta para abordar más directamente la pregunta formulada en la publicación original.
+1 por ser piloto, pero estoy de acuerdo con @Gary.Ray en que esto sería mejor como comentario. No estoy sugiriendo en absoluto que debas llamar a Shimano, pero si lo hicieras y lo informaras aquí como números absolutos/relativos, entonces sería una respuesta.
Kenn. Estás recibiendo una amplia gama de puntos de vista de los entusiastas de las bicicletas aquí, eso es bueno. Sin embargo, la mayoría no le proporciona los datos de ingeniería reales que busca. Por lo tanto, en lugar de ir con un montón de cosas y anécdotas "inventadas", mi respuesta es sugerirle que busque experiencia real, por ejemplo, de Shimano. A menos que un experto técnico en frenos de Shimano o un compañero ofrezca una respuesta aquí (poco probable), entonces deberá ponerse en contacto con usted mismo. Luego podría compartir el conocimiento aquí para futuros lectores :)
¿Cuál es el rango típico de fuerzas máximas de fricción de frenado?
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