EMBRAGUES y FRENOS INTRODUCCIÓN.Los frenos y los embragues son en esencia un mismo dispositivo. Cualquiera de ellos permite una conexión por fricción fricción,, magnética, hidráulica o mecánica entre dos elementos de máquina.
Si ambos elementos conectados giran, giran, entonces el dispositivo se conoce Como EMBRAGUE. Si uno de los elementos gira y el otro queda fijo, fijo, se conoce como FRENO FRENO..
UN EMBRAGUE, permite una conexión interrumpible entre dos flechas en rotación. ejemplo el cigüeñal de un motor de automóvil y la flecha de entrada a su transmisión (caja de cambios). UN FRENO, permite una conexión interrumpible entre un elemento giratorio y un plano de tierra no giratorio. Ejemplo la rueda de un automóvil y su chasis.
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SELECCIÓN Y ESPECIFICACIÓN DE EMBRAGUES Y FRENOS •
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Los fabricantes de embragues y frenos, proporcionan información sobre las capacidades de par de torsión y potencia de sus diversos modelos. También definen procedimientos para la selección y especificación, en base al par de torsión y potencia. Además sugieren factores de servicio de acuerdo a la aplicación.
MATERIALES PARA EMBRAGUES Y FRENOS •
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Los materiales para las partes estructurales de los frenos y de los embragues, como los discos o tambores, se suelen fabricar en fundición de hierro gris o de acero.
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Las superficies de fricción, por lo general, están recubiertas de un material con un buen coeficiente de fricción y con resistencias a compresión y a la temperatura suficientes para la aplicación.
Los recubrimientos pueden ser: a.- Moldeados: suelen llevar resinas
poliméricas para unir una diversidad de rellenos de polvos o materiales fibrosos.
b.- Materiales Tejidos: se suelen utilizar fibras largas de asbesto.
c.- Los metales sinterizados: tienen una resistencia más elevada contra la temperatura y a compresión que materiales moldeados o tejidos. d.- Materiales sólidos: a veces se utilizan materiales como el corcho, la madera y el hierro fundidos como recubrimiento.
TABLA 15-1
Propiedades de materiales comunes de recubrimiento de embragues
y frenos Material de fricción contra
Coeficiente dinámico
acero o hierro fundido
de fricción Seco
Moldeado Tejido
En aceite
Presión máxima psi
0.25 – 0.45 0.06 - 0.09
150 - 300
0.25 - 0.45 0:08 - 0.10
50 - 100
Metal sinterizado 0.15 -0.45
0.05 - 0.08
150 - 300
0,.15 – 0.25 0.03 - 0.06
100 - 250
kPa
Temperatura máxima °F
1 030 - 2 070 400 - 500 345 - 690
°C 204 - 260
400 - 500
204 - 260
1 030 - 2 070450 - 1250
232 - 677
Hierro fundido o acero endurecido
690 - 720
500
260
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EMBRAGUES DE DISCO
El embrague de disco más simple está formado por dos discos, uno recubierto con un material de alta fricción, oprimidos axialmente con una fuerza normal para generar la fuerza de fricción necesaria para transmitir el par de torsión.
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Un embrague flexible, cuando está nuevo, podría estar en un estado cercano a una presión uniforme, pero con el uso tenderá hacia un estado de desgaste uniforme.
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Un embrague rígido con el uso se acercará con mayor rapidez a un estado de desgaste uniforme.
Los cálculos para cada uno de estos estados son distintos y la hipótesis de desgaste uniforme nos da una clasificación nominal de embrague más conservadora, por lo que es la preferida por algunos diseñadores
Presión uniforme.Figura 15-6 Embrague de disco Axial de una sola superficie dr
r o
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Seccion A - A
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Considere un anillo elemental de área de ancho dr en la cara del embrague. según se muestra en la Figura 15-6. Calculo de la fuerza diferencial que actúa en el anillo: dF = pdA dF = 2!prdr
(15.1a)
dA = 2!rdr
Donde:
r = radio p = presión uniforme en la cara del embrague. F = fuerza axial total sobre el embrague se determinará al integrar esta expresión entre los límites r i y r o. (15.1b) El par de torsión por fricción del elemento de anillo diferencial es :
(15.2a)
dT = rdf df = "dF dT = r"dF
Donde: ! = coeficiente de fricción. El par de torsión total para un disco de embrague es (15.2b)
Para un embrague de discos múltiples , N = numero de
caras de fricción: (15.2c)
Es posible combinar las ecuaciones 15.1 b y 15.2c para dar una expresión del Par de torsión en función de la fuerza axial. (15.3)
Desgaste uniforme W = Razón de desgaste constante, proporcional al producto de la presión p y de la velocidad V. W = pV = constante
(15.4a)
la velocidad en cualquier punto de la cara del embrague es
V = r!
(15.4b)
Si la velocidad angular
= constante pV = pr ! = pr =
!
pr = constante = K
Cte = K
(15.4c)
La presión máxima permisible pmax deberá entonces ocurrir en el radio ri más pequeño (función del material del recubrimiento) K = pmax ri
(15.4d)
pr =
pmaxri
Al combinar las ecuaciones 15.4c y 15.4d nos da una expresión de La presión en función del radio r: (15.4e)
Donde la presión máxima permisible pmax variará en función Del material del recubrimiento utilizado. La Tabla 15-1 muestra los valores recomendados de pmax y los coeficientes de fricción para diversos materiales para recubrimiento de embragues y frenos. La fuerza axial F se determina al integrar la ecuación 15.1a en función De la fuerza diferencial del elemento de anillo de la Figura 15-6, con la ecuación 15.4e sustituyendo a p.
dF = 2!prdr (15.5a)
(15.1a)
Haciendo la misma sustitución se determina el par de torsión al integrar la ecuación 15.2a: (15.5b) En caso de desgaste uniforme, combine las ecuaciones 15.2a y b para una expresión que relacione el par de torsión con la fuerza axial: (15.6) Donde:
N = número de superficies de fricción en el embrague. De la ecuación 15.5b, es posible demostrar que el par de torsión máximo para cualquier radio exterior ro se obtendrá cuando el radio interior es: (15.7)
DEMOSTRACION: Sabemos por la hipotesis de desgaste uniforme que:
(15.5b)
Derivamos: T´/ dri = 0
Advierta que la hipótesis de desgaste uniforme nos Da Una menor capacidad de par para el embrague que la de presión uniforme. El desgaste inicial más elevado a radios más Grandes desplaza el Centro de presión radialmente hacia el interior, dando un brazo de Momento más pequeño para la fuerza de flexión resultante. Por lo general los embragues se diseñan con base En desgaste uniforme. Tendrán mayor capacidad cuando nuevos pero una vez asentados terminarán cerca de la capacidad predicha de diseño.
EJEMPLO 15-1 Diseño de un embrague de disco Problema.- Determinar el tamaño adecuado y la fuerza requerida para un embrague de disco axial. Datos.- El embrague debe pasar 7.5 hp a 1725 rpm con un factor de servicio de 2. Premisas.- Utilice un modelo de desgaste uniforme. Utilice un solo disco seco, con recubrimiento moldeado.
Solución:
1.- El factor de servicio de 2 requiere calcular el embrague con este factor, por lo cual lo diseñaremos para 15 hp en vez de para 7.5 hp. Encuentre el par de torsión requerido para esta potencia a las rpm de diseño. Donde:
T = par de torsion (lb – in) P = potencia a transmitir (hp) ! = velocidad angular (rad/seg)
2.- De la Tabla 15-1 encuentre el coeficiente de fricción y la presión máxima recomendada para un material seco moldeado. Utilice el promedio de rango de los valores mostrados: pmax = 225 psi y ! = 0.35 3.- Sustituya la ecuación 15.7, relacionada con ri a ro para un par de torsión máximo, en la ecuación 15.5b, para obtener
4.- De la ecuacion 15.7:
5.- La fuerza axial ( F) necesaria (de la ecuación 15-5a) es:
6.- La especificación del embrague es. Disco simple Diámetro exterior de 3.6 in Diámetro interior de 2 in, Recubrimiento moldeado de !seca " 0.35 Fuerza axial " 1 108 lb.
