Unidad 5: Frenos y Embragues
Mayo 13
2014
A lo largo de esta unidad se describe y define a fondo el trabajo realizado por frenos y embragues de distinta clasificación, partes comunes de maquinaría en la Ingeniería mecánica. Así mismo muestran las consideraciones físicas y energéticas que rigen el comportamiento dinámico de los mismos.
Mario Alberto Sánchez Góngora
E09021121
Mario Alberto Sánchez Góngora E-09021121
Diseño II: Unidad V
Introducción A lo largo del desarrollo de la ingeniería, ha surgido la necesidad de generar movimientos mediante diversos tipos de maquinaria, los cuales han acarreado consigo la necesidad de controlar la velocidad y la potencia con la que se realizan dichos movimientos. Así, por medio de este tipo de necesidades de la ingeniería, han surgido diversos 1
dispositivos diseñados para encargarse de absorber la energía causada por el dinamismo de las piezas móviles de una maquina o parte de ella. Aquí es donde esta unidad se enfoca, a reconocer, ramificar y analizar las piezas encargadas del trabajo de frenado y control de par, conocidas como frenos y embragues respectivamente.
Introducción A lo largo del desarrollo de la ingeniería, ha surgido la necesidad de generar movimientos mediante diversos tipos de maquinaria, los cuales han acarreado consigo la necesidad de controlar la velocidad y la potencia con la que se realizan dichos movimientos. Así, por medio de este tipo de necesidades de la ingeniería, han surgido diversos 1
dispositivos diseñados para encargarse de absorber la energía causada por el dinamismo de las piezas móviles de una maquina o parte de ella. Aquí es donde esta unidad se enfoca, a reconocer, ramificar y analizar las piezas encargadas del trabajo de frenado y control de par, conocidas como frenos y embragues respectivamente.
Índice Capítulo 1: Frenos
1.1
Definición
1.2
Clasificación 1.2.1
2
Freno de tambor 1.2.1.1
Freno con zapata interior
1.2.1.2
Freno con zapata exterior
1.2.2
Freno de cinta o banda
1.2..3
Freno de disco 1.2..3.1 Componentes 1.2.3.2 Daños al sistema
Capítulo 2: Embragues
2.1
Definición
2.2
Funcionamiento
2.3
Clasificación 2..3.1
Embrague de disco 2..3.1..1
Tipos de disco de embrague
2..3.2
Embrague cónico
2..3.3
Embrague centrífugo 2..3..3.1
Tipos de embrague centrífugo
2..3.4
Embrague de un solo sentido
2..3.5
Convertidor de par 2..3..5.1
Partes de un convertidor de par
Capítulo 3: Consideraciones de Energía
3.1
Fricción y Temperatura
3.2
Materiales de fricción
Capítulo 4: Bibliografía
3
Capítulo 1.- Frenos 1.1 Definición Un freno es un dispositivo utilizado para detener o disminuir el la velocidad (física)/(movimiento) de algún cuerpo, generalmente, un eje, Eje de transmisión 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 4
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 por numerosos tipos de máquinas. Su aplicación es especialmente importante en los vehículos, como automóviles, trenes, aviones, motocicletas o bicicletas. 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.
1.2 Clasificación 1.2.1 Frenos de Tambor El freno de tambor es un tipo de freno en el que la fricción se causa por un par de zapatas que presionan contra la superficie interior de un tambor giratorio, el cual está conectado al eje o la rueda. 5
1.2.1.1 Frenos de tambor con zapata interna
En este caso se pretende estudiar el freno de la si guiente figura.
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a) Zapata larga: la distribución de las fuerzas normales no puede suponerse constante. Se hace la hipótesis de que la presión p en un punto definido por θ es proporcional a la altura sobre el punto de la articulación.
b) de la hipótesis a) se deduce por tanto que la presión p, en un punto cualquiera definido por θ, se puede relacionar con el punto de presión máxima, pa, definido por θa:
La presión máxima se producirá θa=9º (en caso de que el material de fricción llegue hasta este punto) y la presión es cero par a θ=.Un buen diseño de zapata por tanto
concentraría más material de fricción donde hay más presión, y lo omitiría en el talón (θ=).
c) siendo b el ancho de la zapata, se determinará la fuerza F mediante la condición ∑MA=. Se plantea el equilibrio sabiendo que:
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Llamando Mf al momento de las fuerzas de fricción, y MN al momento de las fuerzas normales:
Se calculan a continuación MN y Mf: − Mf (momento de las fuerzas de fricción) M f f = dN( ) r − a ∫ cosθ
La ecuación se integrará entre θ y θ, puntos entre los que se encuentra el material de fricción:
Y por tanto:
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Volviendo de nuevo a la ecuación en la que F se relaciona con MN y Mf se observa que existe en este caso una condición de F = 0, sería el caso en el que se daría un efecto de autotrabado del freno. En el caso que hemos estudiado se produce un efecto autoenergizante puesto que el momento de las fuerzas de rozamiento ayuda a la fuerza de frenado F. Si se invierte el sentido de la rotación del tambor se cambia el sentido de las fuerzas de fricción y entones se pierde el efecto autoenergizante.
Puede calcularse también el par de frenado, T:
Para su posterior aplicación práctica, debe tenerse en cuenta que las ecuaciones anteriores se basan en las siguientes hipótesis: - la presión en un punto de contacto en la zapata es proporcional a la altura sobre el talón. - el efecto de la fuerza centrífuga es despreciable.
- se considera la zapata rígida y se desprecia el e fecto de la deformación. - se considera que el coeficiente de rozamiento es constante e independiente de las condiciones de contacto (temperatura, desgaste, etc..)
1.2.1.2 Freno de tambor con zapata exterior
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La notación y las hipótesis que se emplearán en es te apartado son las mismas que las del apartado anterior.
Tomando momentos en la articulación se pueden hallar las siguientes expresiones para los momentos de las fuerzas de rozamiento y las fuerzas normales:
El equilibrio de la zapata (ΣMA=) proporciona la relación entre estos momentos y la
fuerza sobre la zapata, F: 10
Las reacciones horizontal y vertical se obtienen haciendo ΣF=
Si la rotación del tambor fuese en sentido contrario, existiría autoenergización y la fuerza F tendría la siguiente expresión:
Cuando se emplean elementos con zapatas exteriores como embragues el efecto de la fuerza centrífuga es reducir la fuerza normal, al aumentar ω, hay que aumentar F.
Caso especial a estudiar es cuando la articulación (o pivote) está situado de tal forma que el momento de las fuerzas de fricción en este punto es nulo.
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Se hace la hipótesis de desgaste "cilíndrico", ∆x=constante, es decir : ∆ r =∆ xcosθ
Puesto que la presión es proporcional al desgaste radial, la relación entre la presión en un punto cualquiera y la máxima será:
La presión es máxima, pa, para θ=. Pasando al análisis de fuerzas, se elige a de modo que Mf=. Se toma en este caso θ=θ:
El momento de frenado (teniendo en cuenta la simetría de la zapata la deducción es sencilla), T:
1.2.2 Frenos de cinta o banda 12
Posiblemente el dispositivo de freno más sencillo de concebir es el llamado freno de cinta o freno de banda, el cual consiste fundamentalmente de una cinta flexible, estacionaria, que se tensa alrededor de un cilindro solidario al ej e cuya velocidad se pretende modificar, la fricción existente entre la cinta y el tambor es responsable de la acción del frenado. Se usa en las máquinas de vapor, en los vehículos a motor y en algunos tipos de bicicletas, pero sobre todo en aparatos elevadores.
Este tipo de frenos funciona mediante una cinta o banda flexible de f ricción. Se utiliza en excavadoras mecánicas, montacargas, etc. Su funcionamiento puede explicarse a partir de la siguiente figura:
Debido a la fricción (y con el sentido de giro señalado en la figura), la fuerza de trabajo P2 es menor que la fuerza en el punto de retención, P1. Planteando el equilibrio de un diferencial de cinta, ΣF=:
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La presión que actúa sobre la cinta, p, puede deducirse de la puesto que sobre el diferencial de longitud rdθ y ancho b actúa una fuerza dN:
De la ecuación anterior se deduce directamente que el punto en el que la presión es máxima es:
1.2.3 Frenos de disco El freno de disco es un sistema de frenado usado normalmente para ruedas de vehículos, en el cual una parte móvil (el disco) solidario con la rueda que gira es sometido al rozamiento de unas superficies de alto coeficiente de fricción (las pastillas) que ejercen sobre ellos una fuerza suficiente como para transformar toda o parte de la energía cinética del vehículo en movimiento, en calor, hasta detenerlo o reducir su velocidad, según sea el caso. Esta inmensa cantidad de calor ha de ser evacuada de alguna manera, y 14
lo más rápidamente posible. El mecanismo es similar en esto al f reno de tambor, con la diferencia de que la superficie frenante es menor pero la evacuación del calor al ambiente es mucho mejor, compensando ampliamente la menor superficie frenante.
1.2.3.1 Componentes
Discos Existen diferentes tipos de discos de freno. Algunos son de acero macizo mientras que otros están rayados en la superficie o tienen agujeros que los atraviesan. Estos últimos, denominados discos ventilados, ayudan a disipar el calor.
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Pinzas o mordazas La mordaza es el soporte de las pastillas y los pistones de freno. Los pistones están generalmente hechos de hierro dulce y luego son recubiertos por un cromado. Hay dos tipos de mordazas: flotantes o fijas. Las fijas no se mueven, en relación al disco de freno, y utilizan uno o más pares de pistones. De este modo, al accionarse, presionan las pastillas a ambos lados del disco. En general son más complejas y caras que las mordazas flotantes. Las mordazas flotantes, también denominadas "mordazas deslizantes", se mueven en relación al disco; un pistón a uno de los la dos empuja la pastilla hasta que esta hace contacto con la superficie del disco, haciendo que la mordaza y con ella la pastilla de freno interior se desplacen. De este modo la presión es aplicada a ambos lados del disco y se logra la acción de frenado. Las mordazas flotantes pueden fallar debido al enclavamieto de la mordaza. Esto puede ocurrir por suciedad o corrosión, cuando el vehículo no es utilizado durante tiempos prolongados. Si esto sucede, la pastilla de freno de la mordaza hará fricción con el disco aún cuando el freno no esté siendo utilizado, ocasionando un desgaste acelerado de la pastilla y una reducción en el rendimiento del combustible, junto con una pérdida de la capacidad de frenado debida al recalenamiento del respectivo conjunto de frenado provocando además desequilibrio en el frenado, ya que la rueda con freno recalentado frenará menos.
Pistones y cilindros Los pistones cuentan con una fijación que va alrededor y sellos que impiden el es cape de la presión ejercida por el líquido de frenos, a través del cual son accionados. La mordaza lleva un conducto por el cual entra el l íquido de frenos y eso hace que la mordaza empuje la pastilla contra el disco y, a la vez, que se corra la mordaza para frenar con ambas y se logre uniformizar el frenado y el desgaste. 16
Pastillas de freno Las pastillas están diseñadas para producir una alta fricción con el disco. El material del que estén compuestas determinara la duración, potencia de frenado y su comportamiento en condiciones adversas. Deben ser reemplazadas regularmente, y muchas están equipadas con un sensor que alerta al conductor cuando es necesario hacerlo. Algunas tienen una pieza de metal que provoca que suene un chillido cuando están a punto de gastarse, mientras que otras llevan un material que cierra un circuito eléctrico que hace que se ilumine un testigo en el cuadro del conductor. Hasta hace poco tiempo las pastillas contenían asbesto, que ha sido prohibido por resultar carcinógeno. Por lo tanto, al trabajar con vehículos antiguos se debe tener en cuenta que no se debe inhalar el polvo que pueda estar depositado en las inmediaciones de los elementos de frenada. Actualmente las pastillas están libres al 100% de este material, ya que fue catalogado como carcinógeno.
Tipos de pastillas Cerámicas: Este tipo de pastillas están compuestas por cerámica y fibra de cobre, lo que permite que las pastillas de este tipo controlen la tendencia del freno a perder potencia a temperaturas más altas y se recuperen de manera más rápida luego de detener el vehículo o móvil del disco.
Orgánicas: Están compuestas por materiales comunes y algunos con el grafito, resinas y fibras, estas son de una inmejorable calidad y adherencia al frenar, generan menos calor que las metálicas y este tipo de pastillas necesita un rodaje en los primeros kilómetros Semi metálicas o metálicas: Están compuestas por materiales de fricción como el hierro, la fricción en condiciones de seco y mojado no varían demasiado, por lo que tiene mejor frenada en condiciones de mojado que los otros tipos de pastilla. La duración es muy 17
elevada, llegando a alcanzar los 15.000 kilómetros. El calor desprendido es mucho mayor que los otros tipos.
1.2.3.2 Daños al sitema
Alabeo El alabeo se produce por un sobrecalentamiento de la superficie de frenado que provoca una deformación en el disco. Esto provoca vibraciones en la frenada y una disminución en la potencia de frenado. El alabeo puede ser prevenido con una conducción menos exigente con los frenos, aprovechando el freno motor con un uso inteligente de la caja de cambios para reducir la carga del freno de servicio. Pisar el freno continuamente provoca una gran cantidad de calor, por lo que debe evitarse. para verificar se mide con micrómetro (el espesor) y con un comparador de dial o carátula (para medir la deformación).
Rotura La rotura está en todos los tipos de discos, en los que pueden aparecer grietas entre los agujeros (para los ventilados y super ventilados), y grietas en la superfici e de fricción que tiene el disco.
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Rayado Es producido cuando las pastillas de freno no están bien instaladas o son de material más duro que el material proveniente de los discos, esto al f renar provoca un rayado en el cual hace que el disco, en la superficie de fricción se deforme. la solución para este problema es el rectificado de ambos discos. pero a veces es a causa de la mal instalación de ese sistema
Cristalización El disco se cristaliza cuando, al momento de frenar, el material de fricción del disco con las pastillas generan una mayor temperatura (por ejemplo, al frenar desembragado en la bajada de una cuesta),y a su vez generan que la resina que contiene el material de fricción se haga líquida y suba a la superficie formando una capa que evita el rozamiento y la abrasión entre ambos objetos, provocando que el disco o la pastilla se deterioren, quedando la pastilla con un brillo en la superficie y con textura ultra dura y el disco en cambio de un color azulado, pudiendo aparecer micro fisuras a raíz de dicha cristalización. Para este daño hay que reemplazar el disco o la p astilla de freno por uno nuevo. Sin embargo esta peligrosa práctica puede dejar al vehículo sin frenos, ya que puede causar el "desvanecimiento" de estos, es decir la pérdida momentánea de gran parte o la totalidad de la capacidad de frenado en tanto los frenos no se enfríen. Este percance puede sucederle a quien ignore la teoría del frenaje, la que podría resumirse así: "para poder
cumplir su cometido los sistemas de freno tienen que ejecutar dos funciones, la primera es convertir la energía cinética, es decir la que p osee todo vehículo en movimiento, en otra forma de energía que pueda ser sacada del móvil, causando la reducción de la velocidad o la detención en caso necesario, en la mayoría de los casos la energía cinética es convertida en calor por medio del roce entre za patas y tambores o entre discos y pastillas. La segunda función es la de disipar el calor producido por el roce antes 19
mencionado en el medio ambiente, por lo tanto puede decirse que la capacidad de los frenos está limitada por la cantidad de calor que puedan disipar al medio ambiente, también es necesario saber que con cada frenada se reduce momentáneamente la capacidad de frenado, razón por la cual los frenos deben usarse lo estrictamente necesario y nunca para ir "aguantando" o refrenando un v ehículo en el descenso de una larga o empinada cuesta, cuestión que podría resultar fatal, no sólo para el conductor y sus acompañantes, sino que también para muchas otras personas. La "cristalización" de zapatas y pastillas es una evidencia concluyente de que los frenos fueron abusados y por lo tanto recalentados.
Capítulo 2 2.1 Definición 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 una utomóvil, por ejemplo, permite al conductor controlar la transmisión del par motor desde el motor hacia las ruedas. 20
2.2 funcionamiento Está constituido por un conjunto de piezas situadas entre el motor y los dispositivos de transmisión, y asegura un número de funciones:
En posición acoplado (o "embragado") transmite el par motor suministrado por el motor . En un automóvil, cuando el embrague gira, el motor está vinculado a la transmisión.
En posición desacoplada (o "desembragado") se interrumpe la transmisión. En un automóvil, las ruedas giran libres o están detenidas, y el motor p uede continuar girando sin transmitir este par de giro a las r uedas.
En las posiciones intermedias restablece progresivamente la transmisión de par, mediante rozamiento o fricción.
Si consideramos la ecuación que define la potencia de un motor:
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-1
Potencia = Par x ω = · π · F · r · n · 6 , en la que
r = radio de la muñequilla del cigüeñal
F = fuerza media de la biela sobre la muñequilla
n = revoluciones por minuto del motor (rpm)
ω = velocidad angular = n · · π · 6
-1
Según la cual, en la transmisión de fuerza mediante giro (la de finición misma de momento de fuerza o par) toda disminución de la velocidad de giro (RPM) im plica un aumento de par en la misma proporción. Esta es la razón de ser de las desmultiplicaciones de la caja de cambio y del grupo, reducir la velocidad de giro para ganar par.
Por tanto una disminución a la mitad del régimen del primario con respecto al del motor, implica un aumento al doble del par transmitido al primario, conservándose el producto, o sea la potencia, sin tener cuenta las pérdidas por calor debidas al rozamiento. Esto se entiende fácilmente si se imagina intentando subir una cuesta muy pronunciada, hasta el punto de hacer "patinar" el embrague durante un período prolongado: de esta manera se obtiene el par que el motor no puede dar, mediante reducción de su régimen al entrar la fuerza al cambio. Asimismo, permite moderar los choques mecánicos evitando, por ejemplo, que el motor se detenga o que los componentes de los sistemas se rompan por la brusquedad que se produce entre la inercia de un componente que se encuentra en reposo y la potencia instantánea transmitida por el otro.
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El mecanismo del embrague está formado por los componentes siguientes:
El volante motor 2, atornillado al cigüeñal 1.
El disco de fricción 3 que gira solidario con el eje de entrada al cambio o "primario" 6 gracias a un estriado.
El plato de presión 4, que presiona al disco asegurando su adherencia al volante motor 2 cuando el mecanismo está en posición de reposo (embragado).
Los muelles del mecanismo (en este caso de diafragma), 5 apoyan en el cojinete o "collarín" 7.
Cuando el mando hidráulico (o por cable) del conductor es activado por e l conductor, la palanca desplaza al cojinete, el cual empuja al diafragma, que articula sobre los apoyos 9 que a su vez están fijos a la cubierta o tapa 8 , dejando entonces de hacer fuerza con lo que el disco de fricción ya no apoya sobre el volante. El primario 6 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 cuesta muy pronunciada, haremos lo que se llama " hacer patinar el embrague ».
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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.
2.3 Clasificación 2.3.1 Embrague de disco
El embrague de fricción está formado por una parte motriz (volante motor), que transmite el giro a la parte conducida, usando el efecto de a dherencia de ambos componentes, a los cuales se les aplica una fuerte presión que los acopla fuertemente. El eje primario de la caja de velocidades se apoya en el volante de inercia del motor por medio de un casquillo de bronce. Sobre este eje se monta el disco de embrague que es aplicado fuertemente contra el volante motor por el palto de presión, también conocido como maza de embrague. La maza de embrague es empujada por los muelles que van repartidos por toda su superficie. Al pisar el conductor el pedal de embrague, un mecanismo de palanca articulada desplaza el cojinete de embrague que mueve unas patillas que, basculando sobre su eje, tiran de la maza de embrague que libera al disco impidiendo que el motor le transmita movimiento, haciendo que tampoco llegue a la caja de velocidades aunque el motor esté en funcionamiento.
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Como el disco de embrague debe transmitir a la caja de cambios y a las ruedas todo el esfuerzo de rotación del motor sin que se produzcan resbalamientos. Se intuye que sus forros deban de ser de un material que se adhiera fácilmente a las superficies metálicas y que sea muy resistente al desgaste y al calor. El más empleado es el formado en base de amianto impregnado de resina sintética y prensado en armazón de hilos de cobre, a este material se le llama ferodo. Los forros de ferodo se sujetan al disco mediante remaches, cuyas cabezas quedan incrustadas en el mismo ferodo por medio de avellanados
practicados en él, ya que si rozasen con el volante motor y con el plato de presión, podrían dañarlos. El dimensionado del disco de embrague es un factor primordial que va en función del par a transmitir y del esfuerzo resistente, es decir, del peso del vehículo en cuestión. En este dimensionado se mencionan los valores del diámetro exterior y del espesor del conjunto de guarniciones. 25
Para otorgar flexibilidad al acoplamiento y conseguir una unión progresiva en las maniobras de embragado y desembragado, evitando los tirones, se dispone el disco de forma que el cubo estriado o núcleo (A), que se monta sobre el eje primario de la caja de cambios, se une al plato (B) al que se fijan los forros, por medio de los muelles (C). El plato (B) está provisto de unos cortes radiales (D) por toda su periferia y cada una de la lengüetas (E) formadas se doblan en uno u otro sentido, como se muestra en la figura de al lado. Además, los discos de ferodo se unen al plato, que se enlaza con el cubo por medio de los muelles que están repartidos por toda la circunferencia de unión. De esta forma, la transmisión del giro desde el ferodo al núcleo se realiza de forma elástica, mediante los muelles. Sin embargo, a pesar de este dispositivo de elasticidad del disco, se debe embragar progresivamente y con lentitud, para que exista resbalamiento al principio con el fin de que el movimiento del motor se transmita progresivamente a las ruedas. Ya que si se pretende acoplar bruscamente dicho movimiento se produciría el calado del motor, debido a que es mucha la potencia que debe de desarrollar para vencer la inercia y poner en marcha el vehículo.
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El disco de embrague debe girar cada vez más rápido hasta alcanzar la velocidad de g iro del motor. Si al terminar la maniobra de embraga y al soltar el pedal el disco sigue patinando se quemaría por el calor producido en el rozamiento, diciéndose entonces que el embrague patina.
2.3.1.1 Tipos de disco de embrague
El disco de embrague es el elemento de conexión central del embrague. Junto con el plato de presión del embrague, el disco se ocupa de la unión y separación de motor y de la cadena cinemática. Lo que caracteriza a todos los discos de embrague de LuK es el sistema elástico de forros, que permite el acoplamiento suave del momento de fuerza durante la fase de arranque y una evolución de la presión sobre el pedal, estable ergonómicamente. Para minimizar las variaciones en el número de re voluciones y en el par, el disco de embrague ha de adoptar también la función de amortiguación, para así reducir los ruidos generados y el desgaste de la caja de cambios. El disco de embrague con amortiguador de torsión es la solución para los problemas de vibración torsional en la cadena cinemática más e conómica y que más espacio permite. El centrado del estriado desarrollado por LuK compensa el posible desvío del eje entre
motor y caja de cambios y garantiza una función precisa de amortiguación también en ralentí.
El disco de embrague sin amortiguador de torsión se utiliza junto con el sistema de amortiguación de torsión más efectivo del momento ofrecido por LuK, el volante de inercia de doble masa. Entre cigüeñal y caja de cambios se produce una desalineación 27
debido al juego en motor y caja de cambios, e specialmente en el caso del eje primario de la caja de cambios sin cojinete piloto. En casos críticos dicha desalineación, combinada con discos de embrague rígidos del volante de inercia de dob le masa, puede dar lugar a ruidos en ralentí y a un mayor desgaste.
La solución a este problema es un disco de embrague de compensación de desalineación que, en ralentí y en regímenes de carga bajos, permite una desalineación del buje y, por lo tanto, evita posibles fuerzas radiales. De este modo se garantiza el buen funcionamiento en ralentí del volante de inercia de doble masa, también con desalineación. Para casos en los que el ruido sea especialmente crítico, la mejor solución es, frecuentemente, una combinación de volante de inercia de doble masa y disco de embrague con amortiguador de torsión.
2.3.2 Embragues cónicos
Los embragues se emplean para llevar dos ejes a l a misma velocidad de rotación; el efecto se produce por un par de rozamiento T. El embrague cónico es uno de los tipos de embrag ue más antiguo, tan sólo se emplea en aplicaciones sencillas, es simple y eficaz.
Un embrague se llama de acción axial si los eleme ntos de fricción que entran en contacto se mueven paralelamente al eje de rotación
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El cono puede deslizarse axialmente, un resorte mantiene la conexión (o cierre) del embrague. El embrague se desconecta (o abre) mediante un mecanismo que ajusta en la ranura de cambios.
El ángulo del cono α, diámetro y ancho, son los parámetros de diseño (valores normales para α entre º y 5º).
Para hallar una relación entre la fuerza de trabajo F y el momento de torsión transmitido se parte del esquema de la figura siguiente. Dos hipótesis son posibles según se considere el embrague nuevo o usado: a) distribución de presiones uniforme (embrague nuevo). b) desgaste uniforme (embrague usado).
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Partiendo de la figura 6.10 se puede integrar la pres ión en la superficie de contacto para obtener la fuerza F, se supone p=pm:
De igual forma puede deducirse el momento de torsión transmitido en función de pm:
En esta hipótesis se supone que el desgaste en la dirección del eje de rotación es constante, δ=constante:
El desgaste radial, δr, es proporcional al trabajo de las fuerzas de rozamiento en este 30
punto, y si queremos que el desgaste sea uniforme se tiene que cumplir que:
Conocida la distribución de presiones se pueden calcular la fuerza F y el par transmitido, T:
2.3.3 Embragues centrífugos
El Embrague es acoplado y desacoplado por la fuerza centrifuga producida por el cigüeñal. Cuando la velocidad del motor es baja este se encuentra desacoplado y cuando es alta , el embrague se acopla automáticamente.
2.3.3.1 Tipos de embragues centrífugos
Tipo de conexión directa : el embrague está montado en el cigüeñal y de este modo, el
embrague gira tan rápido como el motor. Requeridos para un trabajo de precisión y durabilidad.
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Tipo reducción: el embrague está montado sobre el eje principal de la transmisión y por lo
tanto la velocidad del motor es reducida asegurando una mayor vida del embrague. Se utilizan embragues centrífugos multidisco y de zapatas húmedas y secas en disposición directa y tipo reducción.
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Embragues húmedos: ésta localizado en la tapa de la carcasa del motor, y parte del
embrague está sumergido en aceite para que su operación se más suave. Muchos de los embragues de disco y de zapatas son de este tipo.
Embargues secos: ésta localizado fuera de la cámara de aceite y siempre está expuesto al
aire por lo que la disipación de calor es buena. Tiene una acción de embrague segura. Tipo de embrague para competencias de velocidad.
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Embrague de zapatas: las zapatas de fricción son impulsadas hacia fuera por la fuerza
centrífuga quedando en contacto con la campana.
2.3.4 Embrague de un solo sentido
El embrague de rodillos es un embrague de un solo sentido, es otro tipo de dispositivo de aplicación que puede bloquear o impulsar a un componente de la transmisión. Los embragues de un solo sentido permiten que los componentes giren únicamente en una dirección. Los embregues de rodillos y horquillas son del tipo de embragues de un solo sentido que se usan en una transmisión automática. 34
Los embragues de un solo sentido tienen una ventaja sobre otros tipos de dispositivos de aplicación debido a que ellos no necesitan una fuerza hidráulica para hacer su trabajo. El embrague de un solo sentido se localiza en dos componentes: Un componente funciona como la pista interior para el embrague mientras el otro componente funciona como la pista exterior. El concepto básico de un embrague de un solo sentido es que los rodillos (para un embrague de rodillos) o las horquillas (para u embrague de horquillas, actúan como “cuñas entre las pistas y obligan a los componentes a bloquearse al mismo
tiempo.
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2.3.5 Convertidor de par
El convertidor de par hidrodinámico es una transmisión hidrodinámica adicional al cambio automático. Constituye el elemento de entrada del cambio automático. El principio del convertidor de par lo aplicó por vez primera Hermann Föttinger, el año 1905, en la construcción naval. Por esa razón, el convertidor de par se designa a menudo como convertidor Föttinger. 36
2.3.5.1 Partes de un convertidor de par 1.- Rodete de bomba: es, al mismo tiempo, la caja del convertidor de par. 2.- Rodete de turbina: impulsa el eje de turbina y, con ello, el cambio. 3.- Estátor o reactor: unida por un piñón libre con la caja del cambio, sólo puede girar en el mismo sentido que los rodetes de bomba y turbina.
El rodete de la bomba gira solidario con el m otor. Por acción de la fuerza centrífuga, el aceite es impulsado hacia fuera entre los álabes del rodete de la bomba. El fluido es conducido al rodete de turbina donde su energía cinética la absorben las paletas, las cuales hacen girar el rodete de la turbina.
Lo que diferencia un convertidor de par de un embrague hidrodinámico, es la presencia del estator, este re-direcciona el fluido del aceite para que no frene al impulsor y ayuda a que se genere el torbellino tórico hasta que el impulsor y la turbina toman la misma velocidad y el pistón de “luckup ” los ayuda juntarse y formar una sola pieza, de allí el estator solo hace presencia en el sistema.
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Funcionamiento del estator Cuando el fluido retorna de la turbina hacia la bomba se encuentra con los álabes del estator, cuya disposición intenta impulsar el estator en sentido inverso que la turbina. Como el estator no puede girar en ese sentido ya que se frena con el eje conmutador de entrada y salida de motor y transmisión, esa fuerza se suma a la provocada por la bomba, incrementando el par transmitido por el convertidor (torbellino tórico)
Curvas de transmisión de par En la fase de conversión, el convertidor de par transforma la reducción del número de revoluciones en un aumento del par motor. En el momento de arrancar el vehículo, al principio sólo gira el rodete de la bomba (impulsor). La turbina todavía está parada. La diferencia de número de revoluciones - designada como resbalamiento - es del 1 00 %. En la medida en que el aceite cede e nergía cinética al rodete de turbina, disminuye el resbalamiento. El número de revoluciones de la bomba se aproxima al de la turbina. El 38
resbalamiento del convertidor representa el criterio necesario de funcionamiento en la conversión del par motor. En caso de un resbalamiento elevado, el aumento del par motor es máximo, es decir, en caso de una gran diferencia de número de revoluciones entre los rodetes de la bomba y de la turbina, la rueda directriz desvía la corriente de aceite. Por tanto, en la fase de conversión, la rueda directriz actúa haciendo aumentar el par motor. Al hacerlo, se apoya en la caja del cambio mediante un piñón libre. En caso de un resbalamiento bajo, por tanto, si los rodetes de la bomba y de la turbina giran aproximadamente al mismo número de revoluciones, la rueda directriz ya no actúa para aumentar el par motor. En tal caso, gracias al piñón libre, ella gira en el mismo sentido que los rodetes de la bomba y de la turbina.
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Capítulo 3.- Consideraciones de energía 3.1 Temperatura y fricción Cuando se detienen los elementos rotatorios de una máquina con un freno, éste debe absorber la energía cinética de rotación → calor. De igual forma durante un deslizamiento
el embrague absorbe energía → calor. La capacidad de un embrague (o freno) está limitada por: 40
− Características del material de fricción. − Capacidad de disipación de calor; si el calor se genera más rápido de lo que se disipa → ∆T
Para tener una idea de lo que sucede en un embrague o freno, consideremos un modelo matemático: T es el momento aplicado por el emb rague que se supone constante, los ejes son rígidos, ω y ω son las velocidades iniciales
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Esta potencia es máxima para t=0 (justo en el momento en el que se produce el embragado). La expresión anterior permite calcular la energía total disipada:
Del análisis de la ecuación anterior se deduce fácilmente que la energía total disipada, E, es independiente del momento o par de tensión d el embrague y proporcional al cuadrado de la diferencia de velocidades.
3.2.- Materiales de fricción comunes en frenos y embragues
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Capítulo 4.- Bibliografía y Páginas de consulta
http://www.unav.es/adi/UserFiles/File/4000005038/cap6%20Frenos%20y%20emb ragues.pdf
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Nash, Frederick C. (18 de septiembre de 1980) [1970]. Fundamentos de mecánica automotriz [Automotive fundamentals]. Traducido por Ing. Juan José Blanco (12 edición). México D.F.: Editorial Diana. pp. 91 y 92. ISBN 9681308654.
http://es.wikipedia.org/wiki/Embrague
http://www.schaeffler.com/content.schaeffler.com.br/es/products_services/lukpr oducts/clutch_systems_new/clutch_discs_new/clutch_discs_lv_new/clutch_discs_ lv_new.jsp
https://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/elementos/Tema04.pdf
http://grupos.emagister.com/ficheros/vcruzada?fdwn=1&idGrupo=1404&idFicher o=116674
http://www.espatentes.com/pdf/2001313_a6.pdf
