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• Jorge Luis Barroso Almonacid

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ESCUELA SUPERIOR DE TECNOLOGÍA

EMBRAGUES Y FRENOS ELEMENTOS DE TRANSMISIÓN

Junio 2011

Jorge E Gamarra Tolentino

INTRODUCCIÓN Los frenos y embragues constituyen una parte fundamental del diseño de elementos de máquinas, es común ver estos dispositivos en cualquier tipo de máquinas, automóviles, maquinas-herramientas, mecanismos móviles, aparatos elevadores, turbinas, etc.

Freno: Un freno es un dispositivo que se usa para llevar al reposo un sistema en movimiento, para bajar su velocidad o para controlar su velocidad hasta un cierto valor en condiciones cambiantes. Embrague: Son acoplamientos temporales, utilizados para solidarizar dos piezas que se encuentran en ejes coaxiales, para transmitir a una de ellas el movimiento de rotación de la otra a voluntad.

CLASIFICACIÓN DE FRENOS Y EMBRAGUES

EMBRAGUES Y FRENOS DE FRICCIÓN Son los de uso común. Dos o más superficies son oprimidas entre sí mediante una fuerza perpendicular o normal, para crear un par de torsión por fricción.

EMBRAGUES DE FRICCIÓN DE DISCO SIMPLE O MONODISCO

Están constituidos por una parte motriz, que transmite el giro a una parte conducida, utilizando la adherencia entre los dos elementos y una presión aplicada que los une fuertemente entre si. Está compuesto por el disco de embrague y el plato de presión.

Partes

Tapa metálica Denominada campana. Unida al volante de inercia del motor mediante tornillos, encierra entre ella y el volante al resto de las piezas, y gira solidaria con él.

Disco de embrague Es un disco metálico sobre el cual, en su parte periférica, van unidas mediante remaches dos coronas circulares denominadas forros de embrague, constituidos por amianto, resinas sintéticas e hilos de cobre o latón, que constituyen un material altamente resistente a la fricción. En su parte central lleva un manguito estriado en su interior, dentro del cual se aloja un extremo del eje primario de la caja de cambios, que está estriado exteriormente con un diseño acoplable al que el disco de embrague lleva en su interior.

Forros del embrague

6

1.- Disco de embrague. 2.- Corte radial. 3.- Platillo. 4.- Muelles. 5.- Manguito estriado. 6.- Forro de amianto. 7.- Remache.

Tipo Massey

Plato de presión

Metálico, con forma de corona circular del mismo tamaño que los forros de embrague, lleva unos soportes sobre los cuales actúan las patillas.

Embrague de muelles En este embrague la presión se efectúa por medio de una serie de muelles repartidos uniformemente sobre la periferia del plato opresor, para que la presión sea igual en toda la corona circular.

Muelles o Diafragma Generalmente 9 ó 12. Se apoyan por uno de sus extremos sobre la campana y por el otro sobre el plato de presión.

Diafragma: Por su menor número de componentes reduce la fricción y el desgaste, garantiza un mejor funcionamiento, buen rendimiento y aumenta la durabilidad. La fuerza de apriete aumenta con el desgaste del disco, lo que evita que el embrague patine prematuramente. No requiere de ningún ajuste. Su accionamiento es más suave y fácil montaje.

Patillas

Generalmente 3 ó 4. Actúan como palancas de primer género y tienen un punto de apoyo y giro unido a la campana. Por uno de sus extremos las patillas actúan sobre el soporte del plato opresor y por el otro sobre el anillo de patillas.

Collarín

Formado por un rodamiento axial con un orificio central por el que pasa el eje primario. Este collarín se apoya por un lado en el anillo de patillas y por el otro recibe el empuje de la horquilla.

Embrague de Diafragma

1. Carcasa 2. Disco de embrague 3. Forro

4. Diafragma 5. Collarín de empuje 6. Eje primario 7. Eje intermediario

FRENOS DE TAMBOR CON BANDA Son posiblemente el dispositivo de frenado más sencillo de concebir. Se utilizan en aparatos elevadores, máquinas excavadoras, en montacargas y otra maquinaria. • Una de las desventajas que tiene este tipo de freno es el momento flector que produce en el eje.

FRENO DE TAMBOR CON ZAPATAS INTERNAS EXPANSIBLES • Estos dispositivos están constituidos por una zapata, la cual esta recubierta de un material de fricción que calza perfectamente sobre el tambor y es empujada por un cilindro contra el tambor para crear el par de torsión por fricción. • Se utilizan en automóviles, maquinaria textil, excavadoras y máquinas herramientas. • Transmiten un torque elevado, a un a bajas velocidades y requieren fuerzas de conexión y desconexión intensas.

DISEÑO DE FRENOS Y EMBRAGUES DE FRICCIÓN En el análisis de todos los tipos de frenos y embragues de fricción se emplea el mismo procedimiento general: 1. Estimar o determinar la distribución de la presión sobre las superficies de fricción. 2. Hallar una relación entre la presión máxima y la presión en un punto cualquiera. 3. Aplicar condiciones de equilibrio estático para determinar la fuerza, el torque y las reacciones en los apoyos.

FRENO DE CINTA Debido al sentido de giro mostrado en la figura P1>P2. Planteando el equilibrio diferencial de cinta, ∑F=0:

de

un

Geometría y fuerzas que actúan en un freno de cinta.

De las ecuaciones anteriores se deduce:

Sustituyendo el valor de dN e integrando se tiene:

Expresión para el par de frenado:

La presión que actúa sobre la cinta, p, puede deducirse del supuesto que sobre el diferencial de longitud rdθ y ancho b actúa una fuerza dN:

Por lo tanto:

De la ecuación anterior se deduce directamente que el punto en el que la presión es máxima es:

EMBRAGUE CÓNICO El embrague cónico es uno de los tipos de embrague más antiguo, tan sólo se emplea en aplicaciones sencillas, es simple y eficaz. • Una desventaja que presenta es que tiende a bloquearse. Embrague de cónico.

EMBRAGUE DE DISCO En muchas aplicaciones los embragues de disco han desplazado a los cónicos, debido a que presentan una gran superficie de fricción en un espacio reducido, además la superficie disipadora de calor es más efectiva. Embrague de disco.

DISEÑO Para hallar una relación entre la fuerza de trabajo F y el momento de torsión transmitido, dos hipótesis son posibles según se considere el embrague nuevo o usado: – Distribución de presión uniforme (embrague nuevo). – Desgaste uniforme (embrague usado).

CONSIDERACIONES ENERGETICAS Expresando la ecuación de movimiento para la inercia 1 y 2 se tiene:

Velocidad relativa.

Tiempo total para la operación de embragado.

Rapidez o intensidad de disipación de calor.

Energía total disipada.

Representación dinámica de un embrague o freno.

MATERIALES DE FRICCIÓN Las propiedades de un material de fricción para freno o embrague deben ser las siguientes: Coeficiente de fricción alto y uniforme.

Propiedades poco dependientes de condiciones externas (p.ej. humedad). Buena conductividad térmica y capacidad de resistir altas temperaturas. Alta resistencia al desgaste, rayado y raspadura.

Materiales de fricción para embragues.

Algunas propiedades de revestimientos para frenos.

FRENO DE DISCO Ventajas: • Cuando el disco se calienta y se dilata, se hace más grueso, aumentando la presión contra las pastillas. • Tiene un mejor frenado en condiciones adversas, cuando el rotor desecha agua y el polvo por acción centrífuga. • Disipan mas calor que los de tambor, pues los discos pueden ser ventilados,

Desventajas: • No poseen la acción autoenergizante. • Las pastillas son mas pequeñas y se desgastan mas rápido que las de los frenos de tambor.

Freno de disco.

EMBRAGUES HIDRÁULICOS Es un embrague automático que permite que el motor transmita el par cuando llega a un determinado régimen de giro. Se basa en la transmisión de energía de una bomba centrífuga a una turbina por medio de un aceite. Está constituido por dos coronas giratorias, que tienen forma de semitoroide, provistas de unos tabiques planos llamados álabes. La corona motriz va unida al árbol motor y constituye la bomba centrífuga, la otra, unida al primario de la caja constituye la turbina o corona arrastrada. Ambas coronas van alojadas en una carcasa estanca y están separadas por un pequeño espacio para que no se produzca rozamiento entre ellas.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Eje Motriz Volante de Inercia Turbina Alabes Rotor Deflector Eje Primario

Ventajas Ausencia de desgaste. Gran duración. Es muy elástico. Es muy progresivo. Bajo coste de mantenimiento, no exigiendo más atención que el cambio periódico del aceite. La capacidad de transmisión de potencia de estos embragues es directamente proporcional al cubo de la velocidad de giro y a la quinta potencia de su diámetro.

EMBRAGUES DE CONTACTO POSITIVO Estos embragues se acoplan mediante interferencia mecánica, y este acoplamiento se obtiene con quijadas de forma cuadrada o de dientes de sierra, o con dientes de formas diversas. Entre sus características se distinguen:

Embrague de quijadas cuadradas.

• No tienen deslizamiento. • Transmiten grandes torques. • Son acoplados a velocidades relativamente bajas (60 rpm máximo para embragues de quijada y 300 rpm máximo para embragues de dientes). • Su conexión es ruidosa.

Embrague de dientes de sierra.

Embrague de dientes de sierra.

 



 F1

F

  M r







F

M F1 = r

OTROS TIPOS DE EMBRAGUES DE INTERÉS EN AGRICULTURA. Cálculo de un embrague de garras El embrague de garras es usado en mecanización agraria como elemento de seguridad de las transmisiones. Calcular un embrague de garras supone calcular la fuerza F1 necesaria para transmitir un par M. Sea  el ángulo del diente, si suponemos que empuja un sólo diente la acción F1 debida al par M será:

 



F1

F

M F1 = r

Las componentes normal y tangencial al diente de F y F1 son: Normal: F1.cos  + F sen  Tangencial: F1.sen  - F cos  Siendo  = tg  ( ángulo de rozamiento) el coeficiente de rozamiento, habrá deslizamiento de un diente sobre otro cuando: (F1  cos  + F • sen )   = F1 • sen - F • cos 

Dividiendo por cos : (F1 + F • tg  )  tg  = F1 • tg  - F F1 • tg  + F • tg  • tg  = F1 • tg  - F F • (1 + tg   tg  ) = F1 • (tg  - tg  )

F tg  - tg  = = tg( -  ) F1 1 + tg   tg 

Como: M = F1  r  M =

Fr tg( -  )

De donde la fuerza de empuje F para transmitir un par M viene dada por: F=

M  tg( -  ) r

EMBRAGUE CENTRIFUGO.



cdg

m/2 K

r

R

 

M



 m/2



Cálculo de un embrague centrífugo 

cdg

m/2 K

r

R

 

M



 m/2



Sea r el c.d.g. de los contrapesos y R el radio interno de la carcasa. F = m   2  r  K • x • sen

La fuerza tangencial que origina: Ft  F • 



F1   • m •  2 • r  K • x • sen



El par motor transmitido es:



Mt = F1  R =  • R • m   2  r  K • x • sen



Ecuación que permite calcular en función de las características de los contrapesos m, R y r la  mínima necesaria para transmitir un par motor M.

EMBRAGUES UNIDIRECCIONALES Operan automáticamente con base en la velocidad relativa entre los dos elementos. Actúan sobre la circunferencia y permiten la rotación relativa sólo en una dirección.

Aplicaciones

Embrague de rampa y bolas.

• Son utilizados en grúas para impedir que la carga se caiga si, por ejemplo, se interrumpe la potencia en el eje. • Otra aplicación común de estos embragues es la masa trasera de una bicicleta. • Transportadores inclinados. • Ventiladores. • Bombas.

Embrague de resorte Contiene un resorte enrollado con firmeza alrededor del eje. La rotación en una dirección aprieta el resorte con más fuerza sobre el eje, para transmitir el par de torsión. La rotación contraria afloja ligeramente el resorte, lo que provoca que se deslice. Embrague de resorte [2].

Embrague de uñas Consta de una pista interior y una exterior, el espacio entre las pistas está lleno con uñas de forma rara, que permiten el movimiento en una sola dirección pero en la otra se traban y bloquean las pistas. Embrague de uñas [3].

EMBRAGUES Y FRENOS MAGNÉTICOS Partículas magnéticas El espacio o entrehierro entre superficies esta lleno de un fino polvo ferroso. Al energizarse la bobina, las partículas de polvo forman cadenas a lo largo de las líneas de flujo del campo magnético, acoplando el disco a la carcaza, sin deslizamiento.

Embrague de partículas magnéticas.

Corrientes parásitas (o de eddy) Son similares a los dispositivos de histéresis, en el hecho que no tienen un contacto mecánico entre rotor y polos. La bobina establece corrientes parásitas o de eddy, que acoplan de manera magnética el embrague.

Embrague de corrientes de eddy.

Histéresis magnética No tienen un contacto mecánico entre los elementos en rotación y, por lo tanto, al desacoplarse tiene una fricción cero. El rotor es arrastrado (o frenado) por el campo magnético establecido por la bobina de campo.

Embrague de histéresis magnética [5].

Embrague de fricción de operación magnética [4].

VENTAJAS DE LOS EMBRAGUES Y FRENOS MAGNÉTICOS • Permiten un control preciso del torque. • Respuesta rápida.

• Vida útil bastante prolongada. • Son silenciosos y suaves.

Aplicación Estos dispositivos se utilizan para controlar el par de torsión en ejes, en aplicaciones como máquinas bobinadoras, donde deba aplicarse una fuerza constante a una trama o hilo de material, conforme se va embobinando.

Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber. - Albert Einstein

El cerebro no es un vaso por llenar, sino una lámpara por encender. - Plutarco