UNIDAD V “
EMBRAGUES Y FRENOS
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Los frenos y embragues constituyen una parte fundamental del diseño de elementos de máquinas, actualmente es común ver estos dispositivos principalmente en cualquier tipo de automóviles, incluso su simple mención está relacionada con ellos. Sin embargo, cabe mencionar que a pesar de la enorme aplicación que tienen en la industria automotriz, los frenos y los embragues son también componentes fundamentales en partes de máquinas herramientas, mecanismos móviles, aparatos elevadores, turbinas, etc. En este trabajo de investigación se mencionaran los tipos de frenos y embragues en la actualidad, así como lo más reciente en diseño y la tecnología de materiales en la fabricación de estos.
Embrague: Son acoplamientos temporales, utilizados para solidarizar dos piezas que se encuentran en un mismo eje, para transmitir a una de ellas el movimiento de rotación de la otra, y desacoplarlas a voluntad de un operario externo, cuando se desea modificar el movimiento de una sin necesidad de parar la otra, se halla siempre intercalado entre un motor mecánico o térmico y el órgano de utilización, a fin de poder parar este último sin que deje de funcionar el motor.
Freno: Se llama freno a todo dispositivo capaz de modificar el estado de movimiento de un sistema mecánico mediante fricción, pudiendo incluso detenerlo completamente, absorbiendo la energía cinética de sus componentes y transformándola en energía térmica. El freno está revestido con un material resistente al calor que no se desgasta con facilidad, no se alisa y no se vuelve resbaladizo. Los frenos y embragues están completamente relacionados ya que ambos utilizan la fricción como medio de funcionamiento, en teoría existen cálculos y normas con las que se pueden diseñar y dar mantenimiento a estos dispositivos. Sin embargo en la práctica es difícil prevenir su comportamiento, ya que existen innumerables factores que actúan en contra del comportamiento de estos, como las altas temperaturas, desgaste de los materiales, fallas en el material, etc. No obstante con los avances en la tecnología se ha podido reducir el riesgo de falla y se ha logrado optimizar el funcionamiento, tomando en cuenta que ambos dispositivos representan una gran parte del factor de seguridad del conjunto completo.
Los frenos: son elementos de máquinas que absorben energía cinética o potencial en el proceso de detener una pieza que se mueve o de reducirse la velocidad. La energía absorbida se disipa en forma de calor. La capacidad de un freno depende de la presión unitaria entre las superficies de energía que está
siendo absorbida. El comportamiento de un freno es análogo al de un embrague, con la diferencia que un embrague conecta una parte móvil con otra parte móvil, mientras que el freno conecta una parte móvil con una estructura.
SISTEMAS DE FRENOS Cuando se presiona el pedal de freno, se transmite una fuerza desde el pie hasta los frenos. En la actualidad la fuerza para frenar requerida es mucho mayor de lo que se puede aplicar con la pierna por lo que el sistema de frenado debe incrementar la fuerza aplicada por el pie, esto se logra por medio de dos formas: Ventaja Mecánica (palanca) Incremento de fuerza Multiplicación de fuerza hidráulica
Sistema Básico de Frenos
5.1. FRENOS DE TAMBOR Estos dispositivos están constituidos por una zapata que obliga a entrar en contacto con un cilindro solidario al eje cuya velocidad se pretende controlar, la zapata se construye de forma tal que su superficie útil, recubierta de un material de fricción, calza perfectamente sobre el tambor. Una vez más, al forzarse el contacto entre zapata y tambor, las fuerzas de fricción generadas por el deslizamiento entre ambas superficies producen el par de frenado.
Zapatas: Son bloques de madera o metal que presiona contra la llanta de una rueda mediante un sistema de palancas, existen dos tipos que son: a) De fundición b) Compuestas Este tipo de freno consta de un tambor, por lo general realizado en hierro fundido, solidario al cubo de la rueda, en cuyo interior, al pisar los frenos, se expanden unas zapatas de fricción en forma de "C" que presionan contra la superficie interna del tambor. Ya no se utilizan en el tren delantero de los coches modernos, que es el que soporta el mayor esfuerzo en la frenada, porque presentan desventajas a la hora de disipar el calor, y porque al ser más pesados que los frenos de disco pueden producir efectos negativos en la dirección del vehículo. Sí se utilizan con frecuencia en el eje posterior de muchos vehículos, combinados con discos delanteros.
Partes del freno d e tambor Tambor del freno Zapata Resortes de retorno de las zapatas Plato de anclaje Cable de ajuste Pistón hidráulico Cilindro de rueda
5.1.1. ZAPATA INTERNA
Este tipo de freno se caracteriza por tener zapatas dispuestas interiormente al tambor a frenar. Generalmente la parte que está en rozamiento es de material de alto coeficiente de rozamiento, remachado a las piezas. El freno de zapata se adhiere contra el interior del tambor del freno para reducir o impedir que el tambor gire; este tipo de freno es muy utilizado en automotores. El freno de zapata se adhiere contra el interior del tambor del freno para reducir o impedir que el tambor gire; este tipo de freno es muy utilizado en automotores.
5.1.2. ZAPATA EXTERNA
Esta clase de frenos consta de bloques o zapatas presionadas contra la superficie en rotación o tambor. Las zapatas pueden ser rígidas sobre una palanca pivoteada como en las figuras 1 y 2 o pueden ser pivoteadas sobre una palanca.
Frenos de d os zapatas exteriores: Estos frenos comúnmente se usan para reducir la flexión del eje del tambor y para disminuir la carga sobre los cojinetes y la cantidad de calor generada. Son usadas en máquinas industriales.
Estos frenos comúnmente se usan para reducir la flexión del eje del tambor y para disminuir la carga sobre los cojinetes y la cantidad de calor generada. Son usadas en máquinas industriales.
5.2. FRENOS Y EMBRAGUES DE DISCO Se componen de un disco montado sobre el cubo de la rueda, y una mordaza colocada en la parte externa con pastillas de fricción en su interior, de forma que, al aplicar los frenos, las pastillas presionan ambas caras del disco a causa de la presión ejercida por una serie de pistones deslizantes situados en el interior de la mordaza. La mordaza puede ser fija y con dos pistones, uno por cada cara del disco. Pero también existen mordazas móviles, que pueden ser oscilantes, flotantes o deslizantes, aunque en los tres casos funcionan de la misma manera: la mordaza se mueve o pivota de forma que la acción de los pistones, colocados sólo a un lado, desplaza tanto la mordaza como la pastilla. Son más ligeros que los frenos de tambor y disipan mejor el calor, pues los discos pueden ser ventilados, bien formados por dos discos unidos entre sí dejando en su interior tabiques de refrigeración, bien con taladros transversales o incluso ambas cosas. La imagen muestra un freno de disco el cual funciona a base de fricción por lo que su fabricación debe ser de alta calidad y los materiales deben tener determinadas características lo que más adelante se analizara Este sistema de frenado tiene las siguientes ventajas: 1. No se cristalizan, ya que se enfrían rápidamente. 2. Cuando el rotor se calienta y se dilata, se hace más grueso, aumentando la presión contra las pastillas. 3. Tiene un mejor frenado en condiciones adversas, cuando el rotor desecha agua y el polvo por acción centrífuga. Por otra parte, las desventajas de los frenos de disco, comparados con los de tambor, son que no tienen la llamada acción de servo o de aumento de potencia, y sus pastillas son más pequeñas que las zapatas de los frenos de tambor, y se gastan más pronto.
Frenos de disco cerrado El disco se aloja se aloja en un cárter solidario a la rueda. El apriete se efectúa sobre varios sectores regularmente repartidos sobre la periferia, el frenado se obtiene por la separación de dos discos, cada uno de los cuales se aplica contra la cara interna correspondiente del cárter giratorio.
Freno de disco exterior
El disco es solidario del árbol o de la rueda. El apriete se efectúa mediante un sector limitado y rodeado por unos estribos, en el interior de los cuales se desplazan unos topes de fricción.
El frenado con discos se puede realizar mediante: 1. Discos: Inicialmente fueron de acero, ahora suelen ser de fundición. 2. Pastillas : Suelen ser de aleaciones de cobre, estos elementos de frenado se colocan en la rueda directamente o en el cuerpo del eje.
Las ventajas e inconvenientes, frente al frenado con zapatas de este tipo de frenado son:
Ventajas
Frenado poco ruidoso. Menores gastos de conservación. Mayor periodo de vida. La mayor parte del calor desprendido durante el frenado la absorben los discos, a los cuales se les proviene de un sistema de ventilación. Materiales protegidos de agentes externos. Se comportan bien hasta los 230 Km/h; a partir de esta velocidad el desgaste aumenta considerablemente.
Inconvenientes
Menor aprovechamiento de la adherencia. Para solucionar este problema se suelen utilizar sistemas mixtos de zapatas y discos junto con sistemas de antipatinaje. Mayor distancia de parada. No tienen la llamada acción de servo o de aumento de potencia, y sus pastillas son más pequeñas que las zapatas de los frenos de tambor, y se gastan más pronto
5.3. EMBRAGUES CENTRÍFUGOS Consiste en un cierto número de zapatas, distribuidas simétricamente, en capacidad de deslizar radialmente a lo largo de guías solidarias al eje conductor, y
así de entrar en contacto con la cara interior de un tambor solidario al eje conducido. Un compresor de aire acondicionado en un carro tiene un embrague magnético. Esto permite que el compresor cierre mientras el motor esta encendido. Cuando la corriente fluye a través de un anillo magnético, el embrague embona. Tan pronto como la corriente para, tal como cuando apagas el interruptor de un aire acondicionado el embrague desembona. Este tipo de embrague esta ventilado contra las altas temperaturas de fricción que provoca el rozamiento, este sistema es utilizado en varios modelos de automóviles nuevos. Como un embrague es un implemento de rozamiento que permite la conexión y la desconexión de ejes. El diseño de los embragues y los frenos es comparable en muchos aspectos. Esto se ilustra bien mediante un embrague de múltiples discos, el cual se usa también como freno. Un problema de diseño más evidente en el diseño de frenos comparado con del diseño de embragues es el de la generación y la disipación del calor. En el análisis de un embrague es muy frecuente imaginar que las partes no se mueven entre sí, aun cuando no se debe pasar por alto el hecho que la transmisión de potencia por rozamiento generalmente envuelve algún deslizamiento. Por esta razón, cuando se necesita tener transmisión positiva de potencia debe apelarse a un implemento positivo tal como un embrague de mandíbulas.
5.4. EMBRAGUES Y FRENOS DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS, CORRIENTES PARÁSITAS Y DE HISTÉRESIS Por lo general los embragues de fricción se operan de manera electromecánica. Tiene muchas ventajas, como tiempo de respuesta muy breves, la facilidad de control, inicios y paros muy suaves, y están disponibles energizados acoplados o energizaos desacoplados a prueba de falla. Se suministran versiones tanto de embragues, así como módulos combinados embrague y frenos.
a) Em br agu es de par tícu las m agn é tic as. No tienen un contacto de fricción directo entre disco del embrague y carcaza, y no hay material de fricción que se desgaste. El espacio o entre hierro entre superficies está 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 ala carcaza, sin deslizamiento. Es posible controlar el par de torsión, modificándola corriente de la bobina; entonces, cuando el par de torsión aplicando exceda el valor establecido por la corriente de la bobina, suponiendo un voltaje constante, el dispositivo se deslizara.
b) Em b ra g u es d e h is té res is m ag né ti ca . No tiene un contacto macacino entre los elemento de rotación y por lo tanto al desacoplarse tiene una fricción cero. El rotor que también se conoce como taza de arrastre, es arrastrado (o frenado) por el campo magnético establecido por la bobina de campo (o imán permanente). El par de torsión de un embrague de histéresis se controla de manera independiente de la velocidad. Estos dispositivos son en extremo suaves, silenciosos y de larga vida, ya que no hay contacto mecánico dentro del embrague, excepto en sus cojinetes.
c) Embragues de corrientes parasitas. Son similares en construcción a los dispositivos de Histéresis, en el caso que no tienen un contacto mecánico entre rotor y polos. La bobina establece corrientes parasitas o de Eddy, que se acoplan de manera magnética el embrague. En este tipo de embrague siempre existirá algún deslizamiento ya que tiene que haber un movimiento relatico entre rotor y polo; por lo que un freno de corrientes parasitas no podrá mantener estacionaría una carga, solo reducir su velocidad de una a otro valor. Tiene ventajas similares a los dispositivos de histéresis.
5.5. CONVERTIDOR DE PAR Es un mecanismo que se utiliza en los cambios automáticos en sustitución del embrague, y realiza la conexión entre la caja de cambios y el motor. En este sistema no existe una unión mecánica entre el cigüeñal y el eje primario de cambio, sino que se aprovecha la fuerza centrífuga que actúa sobre un fluido (aceite) situado en el interior del convertidor. Consta de tres elementos que forman un anillo cerrado en forma tiroidal (como una dona), en cuyo interior está el aceite. Una de las partes es el impulsor o bomba, unido al motor, con forma de disco y unas acanaladuras interiores en forma de aspa para dirigir el aceite. La turbina tiene una forma similar y va unida al cambio de marchas. En el interior está el reactor o estator, también acoplado al cambio. Cuando el automóvil está parado, las dos mitades principales del convertidor giran independientes. Pero al empezar a acelerar, la corriente de aceite se hace cada vez más fuerte, hasta el punto de que el impulsor y la turbina (es decir, motor y cambio), giran solidarios, arrastrados por el aceite.
Funcionamiento
Esquem a de func ionamiento
El funcionamiento del convertidor de par se puede asemejar al funcionamiento de dos ventiladores enfrentados uno del otro. El primero se encuentra conectado y encendido, mientras que el otro apagado, el movimiento y la fuerza del aire que golpea las aspas del ventilador apagado hacen que este empiece a impulsarse e intentar mantener la velocidad hasta llegar al punto de igualar la velocidad del otro ventilador.
Funcionam iento Real
El convertidor se acciona al impulsar el aceite del cárter hacia el impulsor y de este el aceite va hacia las aspas internas de la turbina (rodete conducido), girando en el mismo sentido que el impulsor.
Cuando el aceite sale del impulsor reacciona contra los aspas del estator aumentando la fuerza de giro (par - motor), cuando el aceite choca con la parte frontal de las aspas, antes de que la velocidad sea la misma del impulsor; cuando la velocidad de la turbina se va igualando a la del impulsor la fuerza o par- motor va disminuyendo, mientras que el estator permanece fijo debido al cojinete de un solo sentido que le impide girar en sentido contrario a los rodetes. Cuando las velocidades del impulsor y la turbina son iguales termina la reacción sobre el estator y éste gira en el mismo sentido que los rodetes, por el motivo que el aceite choca con la parte interna de las aspas, funcionando el conjunto como un embrague hidráulico y con una relación de velocidad y par de 1:1: es decir, el eje conducido unido a la turbina gira a igual velocidad y con la misma fuerza que el eje motor.
Al elemento conductor se le llama impulsor o bomba, porque es el que recibe el movimiento del motor, al que está unido, e impulsa el aceite contra el conducido. El elemento conducido se llama turbina, y va acoplada a la caja de cambios. Pero el convertidor de par incluye un tercer elemento que viene a mejorar las condiciones de funcionamiento en la circulación del aceite, se trata del estator, dentro del estator se encuentra un cojinete de un solo sentido, lo que permite que este solo gire en un determinado sentido. Está montado sobre un mecanismo de rueda libre que le permite desplazarse libremente cuando los elementos del convertidor giran a una velocidad aproximadamente igual.
Partes que forman realmente un convertidor de par que funciona como tal, son las siguientes Impulsor Turbina
Estator Carcasa giratoria Soporte Eje de salida
5.6. MATERIALES DE FRICCIÓN Los materiales para las partes estructurales de los embragues, se suelen fabricar en fundición de hierro gris o de acero. Las superficies de fricción, por lo general, están recubiertas por un material con un buen coeficiente de fricción y con resistencias a compresión y temperaturas suficientes para la aplicación. Alguna vez la fibra de asbesto fue el ingrediente más común para recubrimientos para frenos y embragues, pero en muchas aplicaciones ya no se usa debido al riesgo que presenta como cancerígeno. Los recubrimientos pueden ser moldeados, tejidos, sinterizados o de algún material sólido. Los recubrimientos moldeados suelen llevar resinas polimétricas para unir una diversidad de rellenos de polvos de materiales fibrosos. A veces se agregan chispas de latón o zinc, para mejorar la conducción termina y la resistencia al desgastes, y reduce el rayado de tambores y discos. En materiales tejidos se suelen utilizar fibras largas de asbestos. Los metales sinterizados tienen una resistencia más elevada contra la temperatura y a compresión que materiales moldeados o tejidos. A veces también se utilizan materiales como el corcho, la madera y el hierro fundido como recubrimiento. El siguiente cuando muestra algunas propiedades a la fricción, terminas y mecánicas de nos cuantos materiales para recubrimientos a la fricción.
5.7. CONSIDERACIONES DE ENERGÍA, FRICCIÓN Y TEMPERATURA. El sistema de frenos fundamenta su funcionamiento en dos principios básicos de la física: • •
La Ley de Pascal La Fricción
LEY DE PASCAL: Establece que cuando se aplica presión a un líquido confinado en in recipiente cerrado la fuerza se transmite igual y sin disminución en todas direcciones. Se expresa matemáticamente de la siguiente forma:
F= P x A Donde:
F: fuerza (lb) o (N) P: presión (lb/pulg2) o (kg/cm2) A: área (pulg2) o (cm2)
Durante una aplicación típica de frenos solo se desplaza aproximadamente 5 ml de fluido de frenos desde el cilindro maestro hasta el interior del sistema hidráulico para que ocurra la acumulación de presión.
FRICCIÓN La ley de conservación de la energía establece que “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. La energía cinética y la calorífica son dos tipos de energía, la primera es aquella energía que tienen los cuerpos al estar en movimiento y la segunda es la energía que absorben o liberan los cuerpos en forma de calor. Cuando un vehículo se encuentra en movimiento tiene una cierta energía cinética y si queremos detenerlo tenemos que transformar esa energía en otro tipo de energía que no involucre el movimiento del vehículo, tal como como la energía calórica. Lo anterior se logra mediante la fricción, que es la fuerza que se opone al movimiento entre dos objetos que se encuentran en contacto. La fricción de un material se determina por su coeficiente de fricción, designado por la letra griega µ (miu), donde µ = 0 significa que no hay fricción entre las superficies en contacto y µ = 1 significa que hay una fricción máxima entre las superficies de contacto. La codificación en cuanto a los coeficientes de fricción ha sido establecida por la SAE (Society of Automotive Engineers), según lo muestra la siguiente tabla:
La fricción es directamente proporcional al peso, esto significa que conforme el cuerpo aumenta en peso también aumenta la fricción al ponerse en contacto con otro cuerpo. La fricción depende del material de fricción, temperatura y acabado de la superficie del tambor o rotor.
