Embragues y Frenos

(1)

TEO

RIA:

EMB

RAGUES Y

FRE

NOS

CALCULO DE ELEMENTOS DE MAQUINAS II

(2)

(3)

El embrague es un sistema que permite tanto transmitir como interrumpir la transmisión de una

energía mecánica a su acción final de manera voluntaria. En un automóvil, por ejemplo, permite al

conductor controlar la transmisión del par motor desde el motor hacia las ruedas.

1. EMBRAGUE

Embrague

(4)

CLASIFICACION

1. EMBRAGUE

Existen diferentes tipos de embrague:

•

• Según el número de discos:Según el número de discos:

•

• Hidráulico. No tiene discos. Se utiliza enHidráulico. No tiene discos. Se utiliza en

vehículos industriales.

•

• Monodisco seco.Monodisco seco.

•

• Bidisco seco con mando único;Bidisco seco con mando único;

•

• Bidisco con mando separado (doble);Bidisco con mando separado (doble);

•

• Multidisco húmedo o seco.Multidisco húmedo o seco.

•

• Según el tipo de mando:Según el tipo de mando:

•

• Mando mecánicoMando mecánico

•

• Mando hidráulicoMando hidráulico

•

• Mando eléctrico asistido Mando eléctrico asistido electrónicameelectrónicamentente

• • CentrífugoCentrífugo Embrague de disco Embrague de disco Embrague multidisco Embrague multidisco

(5)

1. EMBRAGUE

ELEMENTO

S

CONSTITUTIVOS

El mecanismo del embrague está formado por

El mecanismo del embrague está formado por los componentes siguientes:los componentes siguientes:

•

• El volante motor El volante motor 22, atornillado al cigüeñal, atornillado al cigüeñal 11..

•

• El disco de fricciónEl disco de fricción 33 que gira solidario con el eje que gira solidario con el eje de entrada al cambio o de entrada al cambio o "primario""primario" 66 gracias agracias a

un estriado.

•

• El plato de presiónEl plato de presión 44, que presiona al disco asegurando su adherencia al volante motor , que presiona al disco asegurando su adherencia al volante motor 22

cuando el mecanismo está en posición de

cuando el mecanismo está en posición de reposo (embragado).reposo (embragado).

•

• Los muelles del mecanismo (en este caso Los muelles del mecanismo (en este caso de diafragma),de diafragma), 55 apoyan en el cojinete o apoyan en el cojinete o "collarín""collarín"77..

Cuando el mando hidráulico (o por cable) del conductor es activado por el conductor, la palanca

desplaza al cojinete, el cual empuja al diafragma, que articula sobre los apoyos

desplaza al cojinete, el cual empuja al diafragma, que articula sobre los apoyos 99 _{que a su vez}_{que a su vez}

están fijos a la cubierta o tapa

están fijos a la cubierta o tapa 88 _{, dejando entonces de hacer fuerza con lo que el disco de fricción}_{, dejando entonces de hacer fuerza con lo que el disco de fricción}

ya no apoya sobre el volante. El primario

ya no apoya sobre el volante. El primario 66 _{queda libre, no recibe par del motor, podemos cambiar}_{queda libre, no recibe par del motor, podemos cambiar}

de marcha con suavidad. Del mismo modo, si salimos desde parado, acoplaremos el disco de

fricción con el pedal tanto más progresivamente cuanto más incremento de par necesitemos en el

primario . Por ejemplo en una cues

primario . Por ejemplo en una cuesta muy pronunciadta muy pronunciada, haremos lo que se llama " a, haremos lo que se llama " hacer patinar elhacer patinar el

embrague ».

(6)

1. Cigüeñal (u otro eje conductor); 2. Volante;

3. Disco de fricción; 4. Plato de presión;

5. Muelle o resorte de diafragma; 6. Eje primario o conducido;

7. cojinete de empuje; 8. cubierta o tapa ; 9. Anillos de apoyo; 10. Tornillos de fijación; 11. Anillos

1. EMBRAGUE

ELEMENTOS CONSTITUTIVOS

(7)

Un freno es un dispositivo utilizado para detener o disminuir el movimiento de algún cuerpo, generalmente, un eje, árbol o tambor. Los frenos son transformadores de energía, por lo cual pueden ser entendidos como una máquina per se, ya que transforman la energía cinética de un cuerpo en calor o trabajo y en este sentido pueden visualizarse como “extractores“ _{de energía. A}

pesar de que los frenos son también máquinas, generalmente se les encuentra en la literatura del diseño como un elemento de máquina y en literaturas de teoría de control pueden encontrarse como actuadores.

Es utilizado en numerosos tipos de máquinas. Su aplicación es especialmente importante en los vehículos, como automóviles, trenes, aviones, motocicletas o bicicletas

2. FRENO

(8)

Los frenos de fricción están diseñados para actuar mediante fuerzas de fricción, siendo este el medio por el cual se transforma en calor la energía cinética del cuerpo a desacelerar. Siempre constan de un cuerpo fijo sobre el cual se presiona un cuerpo a desacelerar. Son muy utilizados en los vehículos.

• Frenos de cinta o de banda: Utilizan una banda flexible, las mordazas o zapatas se

aplican para ejercer tensión sobre un cilindro o tambor giratorio que se encuentra solidario al eje que se pretenda controlar. La banda al ejercer presión, ejerce la fricción con la cual se disipa en calor la energía cinética del cuerpo a regular.

• Freno de disco: Un freno de disco es un dispositivo cuya función es detener o reducir la

velocidad de rotación de una rueda. Hecho normalmente de acero, está unido a la rueda o al eje.

• Freno de tambor: El freno de tambor es un tipo de freno en el que la fricción se causa por

un par de zapatas o pastillas que presionan contra la superficie interior de un tambor giratorio, el cual está conectado al eje o la rueda.

• Freno de llanta: Utilizan como cuerpo móvil la llanta de una rueda. Son muy utilizados en

bicicletas y existen varios tipos.

2. FRENO

(9)

2. FRENO

FRENOS DE FRICCION

Freno de llanta Freno de tambor Freno de disco Freno de cinta

(10)

3. PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO

Los principios de la física indican que siempre se cambia la dirección del movimiento de un cuerpo, debe haber una fuerza que se ejerza sobre el. Si este gira, se debe aplicar un par torsional al sistema, para acelerarlo o desacelerarlo. Cuando hay un cambio de velocidad, se acompaña de un cambio de energía cinética del sistema. Así, el control del movimiento implica, en forma inherente, el control de la energía, ya sea agregándola para acelerar un sistema, o absorbiéndola para desacelerarlo.

Los parámetros que intervienen en la capacidad de embragues y frenos son los siguientes: 1. El par torsional necesario para acelerar o desacelerar el sistema.

2. El tiempo necesario para efectuar el cambio de velocidad.

3. La frecuencia de accionamiento: numero de ciclos de arranque y paro por unidad de tiempo. 4. La inercia de las piezas en rotación o traslación.

5. El ambiente del sistema: temperatura y efectos de enfriamiento, entre otros. 6. La capacidad de disipación de energía del embrague o el freno.

7. El tamaño y la configuración físicos. 8. El medio de accionamiento.

9. La duración y confiabilidad del sistema. 10. El costo y la disponibilidad.

(11)

CAPACIDAD DE PAR TORSIONAL REQUERIDA EN UN EMBRAGUE O

FRENO

Para determinar la capacidad de par torsional que requiere un embrague o un freno, se emplean dos métodos básicos. En uno se relaciona la capacidad con la potencia del motor que impulsa un sistema.

La capacidad de par torsional requerida se expresa, entonces, en la forma: Donde:

C = factor de conversión para unidades

K = factor de servicio basado en la aplicación

Observe que el par torsional necesario es inversamente proporcional a la velocidad de giro. Por esta razón, se aconseja ubicar el embriague o freno en el eje de velocidad máxima en el sistema, para que el par torsional necesario sea el mínimo. El tamaño, costo y tiempo de respuesta suelen ser menores, cuando el par torsional es menor. Una desventaja es que el eje acelerado o desacelerado debe sufrir un cambio de velocidad, y la cantidad de deslizamiento puede ser mayor. Este efecto puede generar mas calor de fricción y causar problemas térmicos. Sin embargo, se compensa con el mayor efecto de enfriamiento, debido al movimiento mas rápido de las piezas del embrague o freno.

El valor de factor K en la ecuación de par torsional es, en gran medida, una decisión de diseño.

n CPK T 

n

CPK

T



3. PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO

…Ec. 1

(12)

A continuación, se presentan algunos lineamientos: 1. Para frenos bajo condiciones promedio, use K = 1.0

2. Para embragues en servicio ligero, donde el eje de salida toma su carga normal solo después de que esta en su velocidad, use K = 1.5

3. Para embragues en servicio pesado, donde se deben acelerar grandes cargas conectadas, use K = 3.0

4. Para embragues en sistemas que tienen cargas variables, use un factor K al menos igual al factor por el cual el par torsional máximo del motor es mayor que el par torsional de carga total. Ejemplo: Para un motor industrial típico usar K = 2.75, para un motor con alto par torsional de arranque se podría necesitar un valor de K = 4.0. Con eso se asegura que el embrague pueda transmitir cuando menos tanto par torsional como el motor, y que no se deslice después de llegar a la velocidad.

5. Para embragues en sistemas impulsados por motores de gasolina, diesel u otras maquinas impulsoras, considere la capacidad máxima de par torsional del impulsor; se podría requerir un valor de K = 5.0

(13)

La siguiente lista relaciona el valor de C con las unidades que se emplean en forma típica para el par torsional, la potencia y la velocidad de giro. Por ejemplo, si la potencia esta en caballos y la velocidad en rpm, entonces, para calcular el par torsional en lb.pie, use T = 5252(P/n)

Aunque el método para calcular el par torsional con la ecuación 1. llegara a un funcionamiento en general satisfactorio en aplicaciones típicas , no es un método para estimar el tiempo real requerido para acelerar la carga con un embrague, o desacelerar la carga con un freno. El método que se describirá a continuación debe emplearse en sistemas con grandes inercias, como transportadores o prensas que tengan volantes.

Par Torsional Potencia Velocidad C

lb.pies HP rpm 5252 lb.pulg HP rpm 63025 N.m W rad/s 1 N.m W rpm 9,549 N.m KW rpm 9549

3. PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO

(14)

El principio básico que interviene se extrae de la dinámica: Donde:

I = momento de inercia de la masa de los componentes que se van a acelerar.

α = aceleración angular, la tasa de cambio de velocidad angular respecto del tiempo.

El objetivo usual de ese análisis es determinar el par torsional necesario para producir un cambio en la velocidad de giro, Δ

n

, de un sistema, en determinada cantidad de tiempo, t. Pero Δ

n/t =

α.

También es mas cómodo expresar el momento de inercia de la masa en función del

radio de giro

,

k

. Por definición:

Donde:

o m = masa

Entonces: Así se convierte en:

4. TIEMPO NECESARIO PARA ACELERAR UNA CARGA

T = I

α

m

I

k



m

I

k

2



g

Wk

mk

I

2 2  

t

n

g

Wk

I

T







2 

g

W

m



PAR TORSIONAL NECESARIO PARA

ACELERAR UNA CARGA DE INERCIA

…Ec. 2

(15)

Con frecuencia, el termino Wk2 recibe simplemente el nombre de inercia de la carga, aunque ese nombre no sea correcto, en sentido estricto. Una gran proporción de los componentes de una maquina que se va a acelerar, tienen la forma de cilindros o discos. Los discos sólidos solo son un caso especial de cilindros, con radio interior igual a cero. Se pueden analizar objetos mas complejos, considerándolos formados por un conjunto de discos mas simples. Ahora se puede calcular el par torsional necesario para acelerar la polea.

Se puede acomodar la ecuación anterior en forma mas conveniente, al observar que T es expresada por lo común en lb.pie, WK2 en lb.pie2, n en rpm y t en s. Mediante g = 32.2 pies/seg2 y al convertir las unidades, se obtiene:

pie

lb

t

n

Wk

T

.

308 )

(

2





4. TIEMPO NECESARIO PARA ACELERAR UNA CARGA

(16)

En muchos sistemas prácticos de maquinas hay varios elementos en sendos ejes que funcionan con velocidades distintas. Se requiere determinar la inercia efectiva de todo el sistema, tal como afecta al embrague. La inercia efectiva de una carga conectada trabaja a una velocidad de giro distinta de la del embrague, es proporcional al cuadrado de la relación de las velocidades. Esto es:

Donde:

n = velocidad de la carga de interés nc = velocidad del embrague

5. INERCIA DE UN SISTEMA EN FUNCION DE LA

VELOCIDAD DEL EJE DEL EMBRAGUE

2 2 2

)

(

c e

n

Wk



…Ec. 4

(17)

Hasta ahora solo se han manejado componentes que giran. En muchos sistemas se incluyen aparatos lineales, como transportadores, cables de grúa con sus cargas o cremalleras alternativas impulsadas por piñones, que también tienen inercia y se deben acelerar. Seria conveniente representar esos aparatos con una inercia efectiva definida Wk2, como para los cuerpos giratorios. Se puede hacerlos si se relacionan las ecuaciones de energía cinética para movimiento lineal y rotatorio.

La energía cinética de un cuerpo en traslación: Para un cuerpo giratorio:

Sea Wk2 la inercia efectiva; al igualar las dos formulas (ec. 5 y ec. 6), se obtiene:

Donde ω debe estar en rad/min, para tener consistencia

Si se usa

n

en rpm, y no ω _{en rad/min, se debe sustituir}ω _{= 2}π

n.

_Entonces:

6. INERCIA EFECTIVA DE CUERPOS EN MOVIMIENTO

LINEAL

g

Wv

v

g

W

mv

KE

2

1

2

1

₂ ₂ 2   

2g

2

1

2

1

₂ 2 ₂ 2 2  

Wk

g

Wk

I

KE

   2 2

)

(



v

W

Wk

_e  2 2

)

2 (

n

v

W

Wk

_e 



INERCIA EFECTIVA PARA UNA

_{CARGA CON MOVIMIENTO LINEAL}

…Ec. 5

…Ec. 6

(18)

Cuando usa un freno para detener un objeto giratorio, o usa un embrague para acelerarlo, el embrague o el freno deben transmitir energía a través de sus superficies de fricción, cuando se deslizan entre si. En esas superficies se genera calor, el cual tiende a aumentar la temperatura de la unidad. Naturalmente, el calor se disipa en la unidad, y para determinado conjunto de condiciones de operación se alcanza una temperatura de equilibrio. Esta temperatura debe ser lo suficientemente baja como para asegurar que sea larga la vida de los elementos de fricción y otras piezas de la unidad, como las bobinas eléctricas, los resortes y los cojinetes.

La energía por absorber o disipar en la unidad, por ciclo, es igual al cambio de energía cinética de los componentes que se aceleran o se detienen; esto es:

Para unidades inglesas tipicas (ω _{= n rpm, Wk2 en lb.pies y g en 32.2 pies/seg2) se obtiene:}

7. ABSORCION DE ENERGIA:

NECESIDADES DE DISIPACION DE CALOR

g

Wk

mk

I

KE

E

2

1

2

1

2 2 2 2 2        2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

)

60 (

min

1 )

2 (

min

)

/

2 .

32 (

2 )

.

(

s

rev

rad

rev

n

seg

pie

lb

Wk

E

    

pie

lb

n

Wk

E



1 .

7 

10

4 2 2

.

ABSORCIÓN DE ENERGÍA

POR UN FRENO

ABSORCIÓN DE ENERGÍA

EN UNIDADES INGLESAS

…Ec. 9 …Ec. 10

(19)

En las unidades S.I. con la masa en kilogramos (Kg), el radio de giro en metros (m) y la velocidad angular en radianes por segundo (rad/s). Entonces:

Cuando el embrague o freno arranca y para, parte de su operación es a la velocidad total de operación del sistema, y parte es en reposo. La capacidad combinada de disipación de calor es el promedio de la capacidad a cada velocidad, ponderado por la proporción del ciclo en cada velocidad.

m

N

mk

I

E

.

2

1

2

1

2 2 2    

8. TIEMPO DE RESPUESTA

El termino tiempo de respuesta indica el tiempo que requiere la unidad (embrague o freno) para cumplir su tarea después de iniciada la acción por aplicación de una corriente eléctrica, presión de aire, fuerza del resorte o fuerza manual. La figura 1. muestra un ciclo completo, que usa un modulo de embrague y freno. La línea recta es ideal, mientras que la línea curva muestra la forma general del movimiento del

sistema. _{Figura 1. Ciclo típico para embrague y frenado}

7. ABSORCION DE ENERGIA:

NECESIDADES DE DISIPACION DE CALOR

ABSORCIÓN DE ENERGÍA

EN UNIDADES S.I

(20)

El tiempo real de respuesta cambia, aun para determinada unidad, por variaciones en la carga, el ambiente u otras condiciones de operación.

Los embragues y frenos comerciales, para aplicaciones típicas en maquinas, tienen tiempos de respuesta desde unos pocos milisegundos (1/1000 seg) para un aparato pequeño, como puede ser un transportador de papel en una maquina de oficina, hasta 1.0 seg, aproximadamente, para maquinas mayores, como puede ser un transportador de ensamblado. Se deben consultar las fabricaciones de los fabricantes. Para dar una idea de las posibilidades de los embragues y frenos comerciales, la tabla 1. muestra datos de ejemplo para unidades energizadas con electricidad.

Tabla 1. Datos de ejemplo del comportamiento de sistemas de embrague-freno

(21)

Muchos de los tipos de embragues y frenos descritos en este capitulo usan superficies opuestas impulsadas entre si, mediante materiales de fricción. La función de esos materiales es desarrollar una fuerza de fricción apreciable cuando se aplique una fuerza normal con los medios de accionamiento del freno. La fuerza de fricción produce una fuerza o un par torsional que retarda el movimiento existente, si se aplica como freno, o que acelera al elemento en reposo, o en movimiento a baja velocidad, si se aplica como embrague.

Las propiedades adecuadas de los materiales de fricción son las siguientes:

1. Deben tener un coeficiente de fricción relativamente alto, cuando funcionan contra los materiales acoplados en el sistema. No siempre el coeficiente de fricción es la mejor opción porque, con frecuencia, un acoplamiento suave se ayuda con una fuerza o par torsional de fricción moderado.

2. El coeficiente de fricción debe ser relativamente constante dentro del intervalo de presiones y temperaturas de funcionamiento, para que pueda esperarse un funcionamiento confiable y predecible.

3. Los materiales deben tener buena resistencia al desgaste.

4. Los materiales deben tener compatibilidad química con sus componentes acoplados. 5. Se deben reducir al mínimo los riesgos ambientales.

9. MATERIALES DE FRICCION Y COEFICIENTES DE

FRICCION

(22)

Para los elementos de fricción en embragues y frenos se usan varios materiales distintos, y muchos de ellos son patentados por determinado fabricante. En el pasado eran comunes varios compuestos a base de asbesto, con coeficientes de fricción del orden de 0.35 a 0.50. Se ha demostrado que el asbesto es un riesgo para la salud, y ahora se reemplaza por compuestos moldeados de polímeros y hule. Cuando se requiere flexibilidad, como en los frenos de banda, el material base se teje en forma de una tela, y a veces se refuerza con alambre metálico, se satura con una resina y se cura. También se usan el corcho de madera. Los materiales a base de papel se usan en algunos embragues llenos de aceite. En ambientes rigurosos, se emplean hierro colado, hierro u otros metales sinterizados o materiales con grafitos. La tabla 2 muestra los intervalos aproximados de coeficientes de fricción, y la presión que puede resistir los materiales.

9. MATERIALES DE FRICCION Y COEFICIENTES DE

FRICCION

Tabla 2.

(23)

Para aplicaciones automotrices, la Society of Automotive Engineers (S.A.E.) establece las normas. En la norma SAE J866 se define un conjunto de códigos para clasificar los materiales de fricción de acuerdo con el coeficiente de fricción, independientemente del material usado. La tabla 3 muestra esos códigos.

Tabla 3. Clasificación de coeficientes de fricción según códigos de la Society of Automotive Engineers (SAE)

9. MATERIALES DE FRICCION Y COEFICIENTES DE

FRICCION

(24)

En la fabricación de discos y tambores para frenos y embragues, se usan diversos metales. El material debe tener resistencia, ductilidad y rigidez suficientes como para resistir las fuerzas aplicadas, y al mismo tiempo mantener dimensiones precisas. También, debe absorber calor de la superficie de fricción y disiparlo al ambiente.

Algunas de las opciones preferidas son el hierro colado gris, el hierro dúctil, el acero al carbón y las aleaciones de cobre. Muchos discos y tambores son colados, por razones de costo, para obtener la forma casi neta de las partes que requiera poco maquinado después de colar. El hierro colado tiene bajo costo y gran conductividad térmica, en comparación con el hierro dúctil. Sin embargo, el hierro dúctil puede resistir mejor las cargas de choque o impacto. Las aleaciones de cobre tienen conductividad térmica mucho mayor que otros materiales, pero resisten menos el desgaste.

MATERIALES PARA DISCOS Y TAMBORES

9. MATERIALES DE FRICCION Y COEFICIENTES DE

FRICCION

(25)

Cuando los cuerpos se ponen en contacto con una fuerza normal entre ellos, se produce una fuerza de fricción que tiende a resistir el movimiento relativo. Es el principio en el cual se basan el embrague o el freno de placa.

10. EMBRAGUE O FRENO TIPO PLACA

PAR TORSIONAL DE FRICCION

Como la placa de fricción gira en relación con su placa acoplada, con una fuerza axial presionándolos unos contra otros , la fuerza de fricción actúa en dirección tangencial y produce el par torsional de freno o embrague. En cualquier punto, la presión local multiplicada por el área diferencial en el punto es la fuerza normal. La fuerza normal multiplicada por el coeficiente de fricción es la fuerza de fricción. La fuerza de fricción multiplicada por el radio del punto es el par torsional que se produce en ese punto. El par torsional total es la suma de todos los pares torsionales sobre toda el área de la placa. La suma se calcula al integrar sobre el área.

En general, hay algo de variación de la presión sobre toda la superficie de la placa de fricción, y se debe plantear alguna hipótesis sobre la naturaleza de la variación, antes de poder calcular el par torsional total. Una hipótesis conservadora, que permite llegar a un resultado útil, es que la superficie de fricción se desgasta uniformemente, en toda su área, cuando funciona el embrague o el freno. Esta hipótesis implica que el producto de la presión local, p, por la velocidad lineal relativa,

v, entre los platos, es constante. Se ha visto que el desgaste es, aproximadamente, proporcional al producto de p por v.

(26)

Si todos esos factores se consideran, y se termina el análisis, se llega al siguiente resultado para el par torsional de fricción:

Pero la ultima parte de la ec. 12 es el radio promedio, Rm, de la placa anular. Entonces:

Como se dijo antes, este es un resultado conservador, lo cual quiere decir que el par torsional real que se produce seria un poco mayor que le calculado.

Observe que el par torsional es proporcional al radio promedio, pero que en la ecuación anterior no interviene alguna área. En consecuencia para terminar el diseño de las dimensiones finales, se requiere algún otro parámetro. El factor ausente de la ec. 13 es la tasa de desgaste que se espera con el material de fricción. Debería ser obvio que, aun con el mismo radio medio, un freno con mayor área se gastaría menos que con menor área.

PAR TORSIONAL DE FRICCION

2 )

(

₀ _i f

R

fN

T

  m f

fNR

T



PAR TORSIONAL DE FRICCION

_{SOBRE UNA PLACA ANULAR}

TASA DE DESGASTE

10. EMBRAGUE O FRENO TIPO PLACA

…Ec. 12

(27)

Los fabricantes de materiales de fricción pueden ayudar en la determinación final de la relación entre desgaste y área de la superficie de fricción.

La tasa de desgate, WR, se basara en la potencia de fricción P f que absorba el freno por

unidad de área A, donde:

En unidades SI, con el par torsional en N.m y  en rad/seg, la potencia de fricción esta en

N.m/seg o watts.

En el sistema Ingles, con el par torsional en lb.pulg y la velocidad angular expresada como n

rpm, la potencia de fricción en HP se calcula con:

Para aplicaciones industriales, se usara:

TASA DE DESGASTE







_f f

T

P

POTENCIA DE FRICCION

HP

63000

n

T

P

_f  f

A

P

WR



f

_{TASA DE DESGASTE}

10. EMBRAGUE O FRENO TIPO PLACA

…Ec. 14

(28)

Donde:

WR = 0.04 HP/pulg2, para aplicaciones frecuentes; una tasa conservadora WR = 0.10 HP/pulg2, para servicio promedio

WR = 0.40 HP/pulg2, para frenos que no se usen con frecuencia

Se puede diseñar una unidad mas compacta si se usa mas de una placa de fricción. Se multiplica el par torsional de fricción de una placa por el numero de placas, para determinar el par torsional de fricción total. Una desventaja de este método es que la disipación de calor es relativamente menos buena que para la placa única.

La siguiente lista describe los principios generales para mejorar las características de desgaste: 1. Especifique materiales de fricción que tengan relativamente poca adhesión, cuando estén en

contacto con el material del tambor o el disco.

2. Especifique materiales de fricción que tengan alta resistencia de cohesión entre las partículas que los forman.

3. Proporcione alta dureza ala superficie del disco o tambor, mediante tratamiento térmico.

TASA DE DESGASTE

MEJORAMIENTO DE LAS CARACTERISTICAS DE DESGASTE

DE LOS FRENOS

(29)

4. Mantenga, lo mas baja que sea practico, la presión entre el material de fricción y el material del disco o tambor.

5. Mantenga la temperatura superficial, en la interface entre el material de fricción y el del disco o el tambor, tan baja como sea practico, al impulsar la transferencia de calor fuera del sistema por conducción, convección y radiación. Con frecuencia, en situaciones criticas, se aplica flujo forzado de aire o enfriamiento con agua.

6. Proporcione un acabado superficial liso sobre los discos y tambores. 7. Suministre lubricantes, como aceite o grafito, a la superficie de fricción. 8. Impida que contaminantes abrasivos lleguen al a interface de fricción.

9. Minimice el deslizamiento entre los elementos del embrague o del freno, para promover la fijación entre los elementos que se usen.

MEJORAMIENTO DE LAS CARACTERISTICAS DE DESGASTE

DE LOS FRENOS

(30)

Las balatas del freno de disco se ponen en contacto con el disco giratorio, mediante presión de fluido que actúa sobre un pistón en el calibrador. Las balatas son redondas, o en forma de riñón, para cubrir mas superficie del disco. Sin embargo, una ventaja del freno de disco estriba en que el disco queda expuesto a la atmosfera e intensifica la disipación de calor. Además, como el disco gira con la maquina que se va a controlar, la disipación de calor aumenta. El efecto de enfriamiento mejora la resistencia a la fusión de este tipo de freno, en comparación con el freno de zapata.

Los diseños por par torsional de fricción y por tasa de desgaste se parecen a los que se explicaron para los frenos de placa.

(31)

El ángulo de inclinación de la superficie cónica, en el embrague o en el freno de cono, es 12º, en el caso típico. Con cuidado, se podría usar un ángulo menor, pero se presenta la tendencia de las superficies de fricción a amarrarse de repente, causando un tirón. Al aumentar el ángulo, la cantidad de fuerza axial necesaria para producir determinado par torsional de fricción aumenta. Es así que 12º es un compromiso razonable.

12. EMBRAGUE O FRENO DE CONO

Al examinar la figura 2, se observa que cuando se aplica una fuerza axial

Fa

con un resorte, manualmente o con presión de fluido, se produce una fuerza normal N entre las superficies de fricción acopladas, en todo el contorno de la periferia del cono. La fuerza de fricción

Ff que se desea, se produce en dirección tangencial, donde Ff = f

N

. Se supone que la fuerza de fricción actúa en el radio medio del cono, por lo que el par torsional de fricción es:

(32)

•

12. EMBRAGUE O FRENO DE CONO

PAR TORSIONAL DE FRICCION DE

UN EMBRAGUE O FENO DE CONO

…Ec. 18

(33)

La figura 3 muestra un esquema de un freno de tambor donde la fuerza de accionamiento W actúa sobre la palanca, que a su vez gira sobre el perno A. Eso causa una fuerza normal entre la zapata y el tambor rotatorio. Se supone que la fuerza de fricción resultante actúa en dirección tangencial al tambor, si la zapata es corta. La fuerza de fricción por el radio del tambor da el par torsional de fricción, que desacelera al tambor.

Los objetivos del análisis son determinar la relación entre la carga aplicada y la fuerza de fricción, y poder evaluar el efecto de las decisiones de diseño, como el tamaño del tambor, las dimensiones de la palanca y la ubicación del pivote A. Los diagramas de cuerpo libre, en la figura 3 son una referencia para este análisis. Para la palanca, se pueden sumar momentos del pivote A.

Pero, observe que o . Entonces:

13. FRENOS DE TAMBOR

FRENOS DE TAMBOR CON ZAPATA CORTA

(34)

Si se despeja W:

Y si se despeja Ff se obtiene:

Se pueden emplear estas ecuaciones para calcular la fuerza de fricción, al considerar que:

Donde Dd es el diámetro del tambor.

Observe las posiciones alternativas del pivote en las partes (b) y (c) de la figura. En (b), la dimensión b=0.

13. FRENOS DE TAMBOR

FRENOS DE TAMBOR CON ZAPATA CORTA

…Ec. 21

…Ec. 22

FUERZA DE FRICCION SOBRE

EL FRENO DE TAMBOR

PAR TORSIONAL DE FRICCION

(35)

13. FRENOS DE TAMBOR

FRENOS DE TAMBOR CON ZAPATA CORTA

(36)

La hipótesis que se planteo respecto de los frenos de zapata corta fue que la fuerza de fricción resultante en el punto medio de la zapata, y no puede emplearse en el caso de zapatas que abarquen mas de 45º del tambor. En esos casos, la presión entre la balata y el tambor es muy dispareja, al igual que el momento de la fuerza de fricción y la fuerza normal con respecto al pivote de la zapata.

Las siguientes ecuaciones gobiernan el funcionamiento del freno de zapata larga, mediante la terminología de la figura 4.

1. Par torsional de friccional sobre el tambor:

13. FRENOS DE TAMBOR

FRENOS DE TAMBOR CON ZAPATA LARGA

Fig. 4. Terminología para frenos y tambor de zapata larga.

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•

13. FRENOS DE TAMBOR

FRENOS DE TAMBOR CON ZAPATA LARGA

…Ec. 25

…Ec. 26

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3. Potencia de fricción:

n = velocidad de giro, en rpm

4. Área de la zapata del freno

(Nota: se usa el área proyectada):

5. Tasa de desgaste:

13. FRENOS DE TAMBOR

FRENOS DE TAMBOR CON ZAPATA LARGA

A

P

WR



f

HP

63000

n

T

P

_f



f …Ec. 28 …Ec. 29 …Ec. 30

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La figura 5 muestra la configuración típica de un freno de banda. La banda flexible, en general de acero, tiene en la cara un material de fricción que se puede adaptar a la curvatura del tambor. La aplicación de una fuerza a la palanca pone la banda en tensión, y fuerza ala material de fricción contra el tambor. La fuerza normal que se crea así produce la fuerza de fricción tangencial a la superficie del tambor y lo retarda.

La tensión en la banda disminuye desde el valor P1 en el lado del pivote de la banda, hasta p2 en el extremo de la palanca. El par torsional neto sobre el tambor es, entonces:

Donde:

r = radio del tambor

14. FRENOS DE BANDA

Fig. 5. Diseño de un freno de banda

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Se puede demostrar que la relación entre P1 y P2 es una función logarítmica: donde:

θ _{= ángulo total abarcado por la banda, en radianes.}

El punto de máxima presión sobre el material de fricción esta en el extremo mas cercano a la máxima tensión, P1, donde:

donde:

w es el ancho de la banda

Para los dos tipos de frenos de banda que muestra la figura 5, se pueden emplear los diagramas de cuerpo libre de las palancas para demostrar las siguientes relaciones entre la fuerza de actuación, W, en función de las tensiones en la banda. Para el freno de banda sencillo de la figura 5a.

El estilo que muestra la figura b se llama freno de banda diferencial, y la fuerza de accionamiento en el es:

14. FRENOS DE BANDA

…Ec. 32 …Ec. 33 …Ec. 34 …Ec. 35

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Hasta ahora, el presente capitulo se ha centrado en embragues y frenos que utilizan materiales de fricción para transmitir el torque entre los elementos que giran; sin embargo, se dispone de muchos otros tipos. A continuación se presentan descripciones breves de ellos, sin embargo, no se proporciona información relativa al diseño. Muchos son únicos para el fabricante y en los catálogos se ofrece información acerca de su uso.

Los dientes de los conjuntos de quijadas que se enlazan se activan mediante el deslizamiento axial de una o ambas piezas. Los dientes pueden tener lados rectos o triangulares, o bien, incorporar alguna curva no muy pronunciada para facilitar la activación o enlazamiento. Una vez que están enlazados, existe una transmisión efectiva del torque. Por lo regular el embrague de quijadas se enlaza mientras el sistema esta detenido o en tanto trabaja muy despacio.

Aunque en términos estrictos no es un embrague, el embrague de trinquete y uña común permite la activación y desactivación alternada de las piezas movibles y, en consecuencia, pueden utilizarse en aplicaciones similares. Por lo general, el trinquete se mueve solo una fracción de revolución por ciclo.

15. OTROS TIPOS DE EMBRAGUES Y FRENOS

EMBRAGUE DE QUIJADAS

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Existen diferencias en la geometría especifica de los embragues de leva, rodamientos y de cuña; sin embrago, todos desempeñan una función similar. Cuando la flecha de entrada esta girando en el sentido del impulso, las piezas internas (cuñas, rodamientos o levas), se encuñan entre las piezas impulsoras y las que son impulsadas y, por consiguiente, transmiten torque. Pero cuando la pieza de entrada gira en sentido opuesto, las piezas internas se desplazan para desactivarse y no se transmite torque alguno. Por tanto, se pueden utilizar en aplicaciones similares a los embragues de trinquete pero su operación es mucho mas suave y con una cantidad virtualmente infinita de incremento en el movimiento. Otra aplicación es el movimiento libre en el que el embrague gira libremente cuando la maquina es impulsada en la dirección que se pretende. No obstante, si se desactiva el embrague y la carga empieza a invertir su dirección o sentido, el embrague se bloque y evita el movimiento. Este tipo de embrague se utiliza también para impulso libre: un impulso positivo en tanto la carga no gire mas rápido que el impulsor. Si la carga tiende a girar mas rápido (impulso libre) que el impulsor, se desactivan las piezas del embrague. Esto protege equipos que pueden resultar dañados por exceso de velocidad.

15. OTROS TIPOS DE EMBRAGUES Y FRENOS

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Un embrague de fibra funciona en forma similar a los embragues del impulso libre que se definieron antes. Pero en lugar de impulsar a través de piezas solidas, el torque es transmitido mediante fibras rígidas cuya orientación es preferencial. Cuando giran en sentido opuesto al preferencial, las fibras se abaten y no se transmite torque.

También se utiliza en casos similares a los de embragues de impulso libre, el resorte envolvente se fabrica con un alambre rectangular y por lo general tiene un diámetro inferior un poco mas grande que el de la flecha en la que se instala. En consecuencia, no se transmite torque alguno, pero cuando se estira un extremo del resorte, este «se envuelve» en la superficie de la flecha y se transmite un torque en forma positiva a través del resorte.

A menudo se pretende que una maquina cumpla un ciclo completo y después se detenga. El embrague de revolución única permite contar con esta característica. Una vez que se desplaza, impulsa a la flecha de salida hasta que se detiene en forma positiva al termino de un ciclo. Algunos tipos pueden activarse para mas de una revolución pero volverán a una posición fija, digamos en la parte superior de un golpe de prensa.