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FRENOS, EMBRAGUES Y ACOPLAMIENTOS ACOPLAMIENTOS
FRENOS
Básicamente un freno es un dispositivo que permite controlar la velocidad de un mecanismo o bien llevarlo al reposo absoluto absorbiendo la energía cinética del cuerpo en movimiento y transformándola en energía térmica como consecuencia de la fricción que se genera en el contacto entre dos materiales rugosos. Los tipos de frenos más usuales son: a. Freno de zapata: el material de fricción se encuentra curvado en forma de sección circular, de manera que al ser oprimido contra la superficie de un tambor, desde el interior o exterior del mismo, se genera una fuerza de fricción tangencial que da lugar a una reducción de velocidad o frenado total del dispositivo en cuestión.
90 v
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b. Freno de banda: el material de fricción en este caso es una banda flexible que rodea a un tambor cilíndrico fijo a la maquina a frenar. Al tensionar la banda desde el lado opuesto al fijo, se ejerce una fuerza sobre el tambor, la cual por acción de la fricción se traduce en una fuerza tangencial opuesta a la de giro que permite desarrollar el par de frenado.
c. Freno de disco: básicamente consiste en un disco que gira fijo al eje impulsado, los elementos de fricción, que cubren solo una sección del disco, son oprimidos contra este por distintos medios de accionamiento como pueden ser el neumático o hidráulico, dando lugar de esta forma a la fuerza de fricción que origina el par de frenado.
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d. Freno de placas: la superficie de fricción tiene la forma de un anillo sobre un plato plano, esta se mueve en dirección axial a fin de hacer contacto con otra placa, comúnmente de acero, a la que se le transmite el par de frenado.
e. Freno de cono: tiene un funcionamiento similar al de placa, pero en este caso, las superficies de contacto son las secciones laterales de un cono truncado. f.
Frenos especiales:
1. Frenos electromagnéticos: actúa gracias a la fuerza magnética que se produce al energizar una bobina contenida en el freno, la cual atrae la placa. Si el freno es normal cerrado, al energizar la bobina, se vence la fuerza de un resorte que acciona el freno, permitiendo que el mecanismo gire libremente. 2. Frenos de Foucault: basado en las corrientes parasitas inducidas, que se oponen a las del flujo normal, generando una fuerza de frenado. 3. Frenos neumáticos: se trata de introducir aire comprimido a una cámara, la cual se expande y produce la fricción. 4. Frenos Hidráulicos: similares a los anteriores pero el fluido en este caso es hidráulico.
EMBRAGUES
La función del embrague es conectar o desconectar de la fuente de movimiento, un componente impulsado de manera tal que no sea necesario encender o apagar la fuente cada vez que se desea hacer la maniobra. i.
Los embragues típicos tienen formas constructivas similares a los frenos anteriormente mencionados, siendo estos los embragues cónicos, embragues de disco (símil freno de placa), estos se puede caratular como embragues de fricción.
ii.
Los embragues hidráulicos actúan gracias a la presión ejercida por un cilindro hidráulico, cuyo accionamiento desconecta al embrague.
iii.
Los embragues de una revolución permite que el eje gire una revolución (o las deseadas) y después se desconecta.
iv.
El trinquete permite el movimiento en una sola dirección y actúa moviéndose de a pequeñas fracciones de revolución por ciclo.
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Limitadores de par : permiten realizar una impulsión siempre y cuando el par
transmitido sea menor que un límite prefijado. A mayores pares torsionales, se desacopla automáticamente. Una variable es una serie de bolas colocadas en topes sujetas por la acción de resortes, cuando se llega al valor limite de par las bolas salen de los topes y desacoplan al impulsor.
Parámetros de calculo
1. Par torsional de fricción En cualquier punto, la presión local multiplicada por el área diferencial es en el punto es la Normal. Esta Normal multiplicada por el coeficiente de fricción es la fuerza de fricción que se opone al movimiento, la cual si se multiplica por el radio del punto da como resultado el par. El par total es la suma de todos los pares sobre el área total de la placa, obtenido al integrar sobre la misma, en síntesis, se tiene: [Nm] 2. Tasa de desgaste (WR) Para completar el cálculo, se hace necesario saber el área necesaria para el dispositivo. Aquí interviene la tasa de desgaste que se espera del material de fricción, dato que puede ser suministrado por fabricantes. La tasa de desgaste se basa en la potencia de fricción, por lo tanto: [W] Para la tasa de desgaste se tiene: 2
[W/mm ] Los valores de WR más frecuentes son: 2
0.162 W/mm ; para aplicaciones frecuentes (tasa conservadora). 2
0.116 W/mm ; para servicio promedio. 2
0.462 W/mm ; para frenos que no se usan con frecuencia y puedan enfriarse. 3.
Disipación de energía
La capacidad del freno o embrague estará limitada por dos factores, el tipo de material que se utiliza para la fricción y el grado de disipación de calor del mismo, ya que si el calor se absorbe más rápido de lo que se disipa, habrá un serio inconveniente, agravado si el dispositivo actúa con una frecuencia tal que no permite un correcto enfriado. 3
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Para analizar la energía disipada se suponen dos cuerpos, 1 y 2, los cuales tienen una velocidad angular inicial ω1 y ω2 respectivamente. Suponiendo a los ejes rígidos y al par
de torsión constante, está claro que al final de la operación, ambos cuerpos tendrán la misma velocidad. Para el cuerpo 1 y 2 se tiene;
Integrando estas dos ecuaciones se tiene la velocidad angular instantánea después de un tiempo t;
La velocidad relativa queda; [rad/seg] Cuando ambas velocidades se hacen iguales o, dicho de otra manera, la velocidad relativa se hace cero, la operación concluye, de aquí es posible calcular el tiempo requerido para la misma; [seg] La potencia disipada es por lo tanto; [W] La energía total disipada se obtiene integrando la ecuación anterior desde un tiempo cero hasta el tiempo final tf, de acuerdo a lo dicho; [J] De aquí se aprecia que la energía disipada es proporcional a la diferencia de velocidades entre los cuerpos y no depende del par aplicado. 4. Calentamiento y enfriamiento La ecuación diferencial del calentamiento y enfriamiento hasta una temperatura de equilibrio se expresan respectivamente; [Calentamiento];
[enfriamiento]
Cuyas soluciones son: Calentamiento:
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Enfriamiento: Donde Ta es la temperatura inicial del cuerpo caliente y To la temperatura ambiente.
ACOPLAMIENTOS
Un acoplamiento es un dispositivo cuyo objetivo es conectar dos ejes para transmitir potencia. Se distinguen tres clases de acoplamientos: rígidos, semiflexibles y flexibles. o
Acoplamientos rígidos: se diseñan para que en la unión de los ejes no exista
movimiento relativo entre los mismos. Un ejemplo típico de estos son las bridas. En estas el par torsional se transmite desde el eje impulsor a los elementos de sujeción y de estos al eje impulsado por lo tanto se diseñan los bulones de acuerdo al par a transmitir. o
Acoplamiento flexible: permiten transmitir un par torsional uniforme y al
mismo tiempo absorber ciertas desalineaciones axiales, radiales y angulares. Estos pueden tener un inserto de neopreno, poliuretano, una reja flexible de acero, elastómeros, cadenas, entre otros. o
Acoplamiento hidráulico: permite la transmisión a través de dos ruedas
alabeadas con un fluido hidráulico como intermediario. Una de las ruedas alabeadas, la rueda bomba, gira solidaria al eje motriz, de manera que transforma la energía mecánica de rotación del eje en energía cinética del fluido, el cual impulsa a la rueda turbina en el eje de salida, obteniéndose así, el par de salida. El par se mantiene constante, la perdida se presenta en una caída de aproximadamente 3% en la velocidad, lo que se traduce en pérdida de potencia que se va en calor absorbido por el fluido. La ventaja de este tipo de acoplamientos es que permite arranque progresivo y una separación mecánica entre ambos ejes de manera que suaviza los efectos de bloqueo o sobrecarga.
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