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.
HISTORIA La mas reciente evidencia que tenemos acerca de la existencia de la rueda se remonta casi seis mil años. Y sin embargo aun no sabemos cuando ni como surgió la necesidad del impedimento del avance de aquellos vehículos primitivos. El primer freno que puede haber existido talvez haya sido alguna especie de ancla o algún dispositivo sostenido en el chasis que pudiera haber sido enterrado en la tierra, mientras este se movía. Cuando la bicicleta apareció hace un par de siglos, la única manera de desacelerar era presionando el zapato sobre la rueda aunque era muy peligroso y provocaba cierto desbalance en el aparato. Por eso, en 1783 Kirkpatrick Macmillan, un herrero escocés invento el freno de cuchara que consistía en una palanca que presionaba un bloque de madera contra la llanta (actualmente la banda de hierro). Posteriormente, una mejoría enorme en el poder de frenado apareció, los frenos de tambor de expansión interna, atribuido al francés Louis Renault. Inicialmente los tambores eran de acero estampado, lo que aumentaba el ruido de la frenada que generalmente no era muy agradable. Los tambores de hierro fundido aparecieron poco después y en 1919 un diseño hispano-sueco introdujo un aluminio refinado con líneas de hierro. Los frenos de tambor hicieron un buen trabajo, sin embargo la disipación de calor era un gran problema debido a rozamiento entre los materiales y los sistemas de refrigeración no eran lo suficientemente avanzados como para mantener factible este diseño de frenos, y conforme las velocidades de los automóviles fueron aumentando se hacia menos viable la idea. Alrededor de 1890 entran los frenos de disco, aunque sea poco creible una de las primeras versiones de estos frenos fueron usados en las llantas delanteras de un carro electrico diseñado por Elmer Ambrose Sperry en 1998, en donde una electroimán forza a un dispositio protector contra el rotor. El primer diseño que se conoce que disponia de frenos de disco es el Crosley 49', después aparecieron en los frenos de aviones. En 1950 los Franceses e Ingleses introducieron en grandes cantidades los frenos de disco en las producciones de sus automóviles comerciales. En 1961 apareció el servofreno, como ayuda al esfuerzo que ejerce el conductor sobre el pedal; y en 1965, Volvoañadió una válvula limitadora de presión. En 1963, Mercedes comenzó a instalar de serie sistemas de frenos con 3 circuitos. En la carrera por disipar mejor el calor, en 1966 Porsche lanzó el disco autoventilado. En 1985 comenzó comenz ó a ofrecerse de serie (Mercedes Clase S y Ford Scorpio, los primeros) el ABS, en lo que fueron los inicios de la aplicación de la electrónica a los sistemas de frenado. Abierto ya el camino, la llegada de más sistemas electrónicos a los frenos fue cuestión de tiempo: en 1986 llegó el control de tracción (ASD y ASR) que funciona en conexión con el ABS; en 1994, el ESP; en 1996, y posteriormente la asistencia a la frenada.
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
Para que se pueda frenar es necesario pisar el pedal de los frenos. Este, mediante el principio de palanca acciona una bomba de frenos, técnicamente conocida como cilindro maestro. El cilindro maestro envía el fluido conocido como liga de frenos, desde su depósito hasta cada una de las ruedas. Por razones de seguridad, existen dos líneas o circuitos que distribuyen la liga a las ruedas. Por eso se llaman frenos de doble circuito.
TIPOS DE FRENOS FRENO 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 DE TAMBOR Tambor del freno Zapata Resortes de retorno de las zapatas Plato de anclaje Cable de ajuste Pistón hidráulico Cilindro de rueda
FRENO DE DISCOS 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.
FRENO DE CINTA 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 eje 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.
FRENOS HIDRAULICOS El sistema de frenos hidráulicos usado en el automóvil es un sistema de múltiple sesión de pistones. Ya que este sistema permite que se transmitan fuerzas hacia dos o mas pistones en la manera indicada en la figura. El sistema de frenado hidráulico desde el cilindro maestro hasta los cilindros de las llantas en la mayoría de los automóviles opera de manera similar al sistema ilustrado en la figura. Cuando el pedal del freno es accionado, la presión del pedal de freno mueve el pistón dentro del cilindro maestro, forzando el fluido del freno desde el cilindro maestro por medio del tubo y la manguera flexible del cilindro de las llantas. El cilindro de las llantas contiene dos pistones colocados de forma opuesta y desconectados, cada uno de ellos sostiene la zapata de frenado ajustada dentro del tambor. Cada uno de los pistones presiona la zapata contra la pared del tambor provocando el frenado de la rotación de la llanta. Cuando la presión en el pedal es liberada, el resorte en la zapata de frenado regresa los pistones en los cilindros de las llantas a su posición liberada. Esta acción fuerza el desplazamiento del líquido de frenos de vuelta por medio de la manguera al cilindro maestro. La fuerza aplicada en el pedal de frenado produce una fuerza proporcional en cada uno de los pistones de salida los cuales aplican la fuerza sobre las zapatas friccionantes contra el giro de la llanta retardando la rotación.
FRENOS MOTORES Electrodinámicos: Cuyo fundamento es hacer que el motor trabaje como generador. Sólo se aplican a ejes motores. Estos a su vez pueden ser:
Reostáticos: Se aplican en locomotoras eléctricas. Se basa en que la inercia del motor, una vez desconectado de la red, hace que éste siga girando, pasando a funcionar como generador y de este modo la energía mecánica acumulada se va disipando en unas resistencias en forma de energía eléctrica, creando a su vez las corrientes circulantes por los devanados un par contrario al de giro, que hace que disminuya la velocidad del motor hasta valores en que los frenos de fricción puedan actuar y detener la máquina. De recuperación: Se basa en conseguir transformar la energía cinética del tren en energía eléctrica reenviándola a la red. Se suele aplicar en el caso de trenes de cercanías y con grandes pendientes. Por ultimo existe una última clasificación de frenos que no utilizan adherencia para lograr el frenado ya sea total o parcial ya que suelen utilizar otros medios diferentes a los antes mencionados.
Patín electromagnético frotante: Debido a su gran desgaste sólo se utiliza como freno de urgencia. Frenos de Foucault: Basado en crear corrientes parásitas que a su vez crean esfuerzos de frenado. Frenos aerodinámicos: En un avión en vuelo, disminuyen rápidamente la velocidad por un fuerte aumento de la resistencia al avance, dispuestos en las alas o a lo largo del fuselaje, están constituidos por elementos móviles, que se pueden levantar en el aumento deseado, se utilizan sobre todo durante los picados y en ciertas acrobacias. Frenos neumáticos: Su funcionamiento se basa en que el esfuerzo de frenado aplicado por las zapatas o discos proviene indirectamente del hecho de mover el pistón de un cilindro. Su esquema es el siguiente: Según el tipo de frenado que se quiera hacer éste puede ser: 1) Frenado continúo: el que realiza normalmente el maquinista o un viajero en caso de parada de emergencia. 2) Frenado automático: el que ocurre si hay una avería en el propio sistema de frenado. 3) Frenado de apriete y aflojamiento graduado: si se realiza de una forma escalonada.
Tipos de frenos neumáticos: 1- De aire comprimido. 2- De vacío. 3- Una combinación de los dos. LOS FRENOS DE ZAPARA EXTERNA O DE BLOQUE : constan de zapatas o de bloques presionados contra la superficie de un cilindro giratorio llamado tambor de freno. La palanca puede estar rígidamente montada sobre una palanca articulada, como muestra la figura 1, o puede estar articulada a la palanca, como muestra la figura 2 Figura 1 Figura 2 El diseño de un FRENO DE BLOQUE sencillo se puede hacer con base en el análisis de fuerzas y momentos de la palanca y de la zapata, a manera de un cuerpo libre, se puede suponer que la fuerza normal N y la fuerza de rozamiento fN actúan en el punto medio de contacto de la zapata, sin cometer un error apreciable, para ángulos menores de 60°. Sumando momentos alrededor de la articulación fija O, o Nótese que para una rotación del tambor en el sentido del movimiento de las agujas del reloj, la fuerza de rozamiento fN ayuda a la fuerza F en la aplicación del freno y el freno es parcialmente autoactuante. Para un coeficiente de rozamiento dado, el freno puede diseñarse para que sea completamente autoactuante (o autocerrante). Para que esta condición exista, F debe ser igual a cero o negativo en la ecuación anterior. Podemos suponer también que el peso W es despreciable; entonces Es decir, que cuando el freno es autocerrante El momento de frenado T para una situación autocerrante es Lb-plg Donde f = Coeficiente de rozamiento N = Fuerza normal total en lb. R = Radio del tambor del freno en plg
LOS FRENOS DE ZAPATA DOBLE se utilizan comúnmente para reducir las cargas en el eje y en los cojinetes, para obtener mayor capacidad y para reducir la cantidad de calor generado por pulgada cuadrada, la fuerza normal NL que actúa sobre la zapata izquierda no es necesariamente igual a la fuerza normal NR que actúa sobre la zapata derecha. Para frenos de doble bloque, cuyas zapatas tengan ángulos de contacto pequeños, digamos que menos de 60°, el momento de frenado puede aproximarse por
si el ángulo de contacto de la zapata es mayor a 60°, se requiere una evaluación mas precisa del momento de frenado para las zapatas articuladas, el cual esta dado entonces por
El diseño de FRENOS DE ZAPATA INTERNA del tipo simétrico su diseño se puede aproximar por medio de las siguientes ecuaciones: El momento de frenado T puede determinarse por Donde: Coeficiente de rozamiento Ancho de la cara de la zapata en plg Radio interno del tambor en plg Angulo central comprendido desde la articulación de la zapata hasta la punta de revestimiento en grados Angulo central comprendido desde la articulación de la zapata hasta la punta del revestimiento en grados. Presión máxima en psi (zapata derecha) Presión máxima en psi (zapata izquierda)
LOS FRENOS DE BANDA: constan de una banda flexible enrollada parcialmente alrededor del tambor, se accionan halando la banda fuertemente contra el tambor. La capacidad del freno depende del ángulo de abrazamiento, del coeficiente de rozamiento y de las tensiones en la banda. Para este tipo de freno el sentido de rotación del tambor es tal que la banda anclada al marco constituye el ramal tenso F1, como se muestra En cuanto a correas con velocidad cero, la relación entre el ramal tirante y el ramal flojo de la banda es: Donde F1 = Tensión en el ramal tirante de la banda en Lb F2 = Tensión en el ramal flojo de la banda en Lb e = base de los logaritmos naturales f = coeficiente de rozamiento
Angulo de abrazamiento en radianes La capacidad del momento de frenado T es: Lb-Plg Donde r = radio del tambor de freno en plg. Este tipo de freno de banda no tiene propiedades autocerrantes.
PROBLEMAS DE APLICACIÓN DE FRENOS 1. Un freno de simple de banda tiene el ramal tirante de la banda unido a una articulación fija. El ángulo de abrazamiento es de 280° alrededor de un tambor de 18 Plg. De diámetro. Si se sostiene un momento de 1500 Lb-Plg a 900 rpm y el coeficiente de rozamiento es 0.2 determinar las tensiones requerida en la correa
Solución: De la Ec. = = 2.665 y obtenemos 266.5 Lb 2. Un ascensor de 250 Kg desciende a una velocidad constante de 3 m/s merced a la acción de un freno-motor. En caso de fallo del freno-motor, existe un sensor de velocidad que lo detecta, y da la orden de entrar en funcionamiento a plena capacidad al freno de emergencia de doble zapata interior representado en la figura, que detiene al ascensor. El tiempo que transcurre desde que se produce el fallo hasta que entra en acción el freno de emergencia es de un segundo. El eje en que se encuentran el freno motor y el freno de emergencia tiene una masa de 140 Kg y un radio de giro de 180 mm. El freno de emergencia posee zapatas con revestimiento moldeado y tiene un radio de tambor de 400 mm.. Suponiendo que la articulación de cada zapata (talón) se va a situar en un extremo de la misma, indicar cuál es el extremo adecuado en cada una para lograr la máxima capacidad de frenado con el mínimo esfuerzo. Determinar el ancho de zapata necesario para que el freno de emergencia sea capaz de detener el ascensor en medio segundo La presión de las articulaciones que da lugar a un mayor par de frenado en relación al esfuerzo requerido es la que hace que ambas zapatas sean autoaplicantes En el momento de producirse un fallo la velocidad del ascensor, la relación entre la coordenada “Y” que actúa en el ascensor y la coordenada “P” que indica el giro del eje es
El ascensor y la coordenada P que indica el giro del eje es
Ro= 7.5 m/s Por tanto mientras hasta que comienza a actuar el freno de emergencia la situación es así: 250 g - T = 250 ÿ T x 0.4 =(140 x 0.182) ÿ 250 x 9.8 - T = 250 x 0.44 2450 - T =100 ÿ T x 0.4 =(140 x 0.182) ÿ T = 11.34 ÿ 2450 - 11.34 ÿ = 100¨p ¨p = 22 r/s p = 7.5 + 22 t Entonces = 0.4(7.5 + 22t) = 3 + 8.8 t Tomando 1 Seg de caída libre del ascensor las velocidades son: = 11.8 m/seg p = 22.5 r/s Y en este momento empieza a actuar el freno de emergencia 250 g -T =y T x 0.4 - p = (140 x 0.182) 2450 - T = 250 x 0.4 ÿ T = 2450 - 100 ÿ 0.4 T - P = 4536 ¨p 0..4(2450 - 100 ÿ) - P = 4539 p 980 - p - P = 4536 y ÿ = 22 - 0.0225 P P = (22 - 0.0225P)t + 29.5 Dado que se desea para el ascensor para 0.5 segundos 0 = (22 - 0.0225P) 0.5 + 29.5 40.5=0.01125P P = 3600 Nm Esto es por lo tanto el par que debe aplicar el freno. Como son dos zapatas, El valor de p se dividirá entre 2 P = 1800 N m Como nos dicen que el revestimiento es moldeado pu = 690 Kpa, u = 0.47 Entonces 1800 =
b = 0.023 m = 23 cm
Este es el ancho de zapata necesario.
Un Embrague es un sistema que permite controlar el acoplamiento mecánico entre el motor y la caja de cambios. El embrague permite que se puedan insertar las diferentes marchas o interrumpir la transmisión entre el motor y las ruedas. Los embragues utilizados en los automóviles son por fricción entre un disco solidario con la caja de cambios y de una maza solidaria al cigüeñal del motor. El disco se coloca entre la maza y el volante de inercia y el presionado por un resorte llamado diafragma. Cuando el embrague está sin accionar (motor embragado) el disco tiene un gran rozamiento con la maza y transmite toda la fuerza generada en el motor. Cuando se acciona el embrague (motor desembragado) el diafragma es comprimido por el conductor y el disco queda suelto, siendo incapaz de transmitir la fuerza del motor a la caja de cambios. Según la posición del pedal del embrague se puede conseguir un acoplamiento total (pedal suelto) o acoplamientos parciales (pedal a medio pisar) que nos permiten variar la fuerza transmitida por el motor a la transmisión. El embrague transmite la potencia del motor a la transmisión manual mediante su acoplamiento o desacoplamiento. También, hace la salida más suave, hace posible detener el vehículo sin parar el motor y facilita las operaciones del mismo. Un mecanismo de embrague tiene que ser resistente, rápido y seguro. Resistente debido a que por él pasa todo el par motor. Rápido y seguro para poder aprovechar al máximo dicho par, en todo el abanico de revoluciones del motor Colocación de un Embrague en un Automóvil moderno Embrague Mecánico Sistema de Embrague Embrague Hidráulico
Embrague Mecánico: Los movimientos del pedal del embrague son transmitidos al embrague usando un cable. Este mecanismo se basa en el accionamiento del sistema de embrague, mediante un cable de acero, unido por uno de sus extremos al pedal de embrague, y por el otro a una horquilla de embrague, unida ésta a su vez con el cojinete de embrague.
Al pisar el pedal, el cable tira de la horquilla, aplicándole un esfuerzo capaz de desplazar al cojinete de embrague, deformando a su vez el diafragma del mecanismo de embrague, con el consiguiente desembragado del sistema. Al soltar el pedal, la fuerza de dicho diafragma, hace desplazar al cojinete en sentido contrario, y ésta a su vez al cable, con el consiguiente retorno del pedal de embrague a su estado de reposo. En el sistema de accionamiento del embrague por cable, encontramos básicamente dos variedades: Por una parte tenemos el sistema en el que el cojinete de embrague, en posición de reposo, está en constante contacto con el diafragma, o con las patillas de accionamiento, según proceda. Y por otra, está el sistema en el que el cojinete de embrague y el diafragma, en posición de reposo, tienen una separación denominada guarda. Esta separación, se obtiene gracias a un muelle situado en la horquilla del embrague. La separación guarda, es ajustable por el extremo del cable. En la actualidad, en los sistemas en los que el cojinete está siempre en contacto con el diafragma, para absorber de manera automática el juego entre el cojinete de embrague y el diafragma, existen dispositivos como cables auto-regulables, o pedales dotados de unas serretas que, a medida que se va gastando el disco, regulan la posición del cable.
Embrague Hidráulico: Los movimientos del pedal del embrague son transmitidos al embrague por presión hidráulica. Una varilla de empuje conectada al pedal de embrague genera presión hidráulica en el cilindro maestro cuando el pedal es presionado y esa presión hidráulica desconecta el embrague. En este sistema se utiliza, para desplazar al cojinete de embrague y en consecuencia al mecanismo de embrague, un cilindro emisor (o bomba), y un cilindro receptor (o bombín). Están comunicados entre si, a través de una tubería, el sistema funciona por medio del movimiento de unos émbolos situados dentro de los cilindros, dicho movimiento se efectúa a través de un líquido (el mismo que es utilizado en los sistemas de frenado). Cuando presionamos el pedal de embrague, este actúa directamente sobre el cilindro emisor, desplazando su émbolo, éste a su vez ejerce una presión sobre el líquido, que desplaza al émbolo del cilindro receptor.
El cilindro receptor (o bombín), se comunica con el cojinete de embrague (en la mayoría de los casos), por medio de una horquilla. Esta está accionada por el cilindro receptor, por medio de un vástago, que permanece en contacto con el émbolo de dicho cilindro. Al desplazarse el émbolo por la fuerza del líquido, se desplaza el vástago y acciona la horquilla.Otra variedad con la que nos podemos encontrar es que el cilindro receptor y el cojinete de embrague, sean una misma pieza. Con lo que el desplazamiento axial del cojinete de embrague, es aplicado del cilindro receptor directamente a dicho cojinete. Los diámetros de los dos cilindros, (emisor y receptor) son diferentes, por lo que la fuerza ejercida por el conductor sobre el pedal de embrague (aplicada directamente sobre el cilindro emisor), se multiplica, permitiendo al conductor un esfuerzo menos para el desembragado.
Embrague autoajustable: Embrague que incorpora entre su carcasa y diafragma cuñas de ajuste que le permiten ir auto ajustándose conforme va desgastándose el disco. Embrague de fricción: Los embragues de fricción basados en la unión de dos piezas que al adherirse forman el efecto de una sola. Son aquellos caracterizados porque el mecanismo de transmisión de movimiento, y en consecuencia de potencia, se logra mediante el contacto entre dos superficies rugosas, una solidaria al eje conductor, la otra al conducido. Existen dos configuraciones comunes en los embragues de fricción, los embragues de disco y los cónicos, en el primero, las superficies de contacto entre los ejes a acoplarse corresponden a sendos anillos circulares y en el segundo, la acción de contacto entre los ejes conductor y conducido se logra a través de un par de superficies cónicas rugosas, esta disposición permite incrementar la fuerza normal entre las superficies de contacto, con el consiguiente aumento de la capacidad de transmisión de momento entre los ejes conductor y conducido.
Embrague pilotado: Dispositivo que elimina el accionamiento del embrague por parte del conductor. El control del embrague lo realiza una centralita electrónica en función de las acciones del conductor. El embrague pilotado permite realizar los cambios de marcha de forma manual pero sin necesidad de accionar el embrague. Por medio de sensores se conoce el accionamiento de la caja de cambios, la velocidad del vehículo, la forma de accionar el acelerador, las revoluciones del motor y con todos los datos, la centralita acciona una bomba hidráulica que actúa sobre el embrague. También se determina la rapidez de actuación sobre el embrague y el deslizamiento necesario para evitar que se produzcan brusquedades durante el cambio de marchas. Embragues electromagnéticos: Embragues que basan su funcionamiento en el principio de los efectos de la acción de los campos magnéticos.
Están formados por un elemento conductor fijado al volante de inercia en el que se encuentra polvo metálico, un elemento conducido ensamblado sobre el primario de la caja de cambios con una bobina que es alimentada a través de unas escobillas y un calculador electrónico, que recibe información de la posición de la palanca de cambios, del régimen del motor, de la velocidad del vehículo, y de la posición del pedal del acelerador. El embrague es gestionado por corrientes de intensidad variable. En otras ocasiones, el calculador es gestionado por un grupo hidráulico el cual proporciona, mediante un cilindro receptor, la fuerza necesaria para desplazar la horquilla de embrague y el cojinete de embrague, y en consecuencia el mecanismo de embrague. Una de las marcas que actualmente montan un mecanismo de embrague pilotado electrónicamente, es SAAB, el sistema se denomina SENSONIC.
Embragues dentados: Están caracterizados porque la conexión entre los ejes conductor y conducido se logran mediante dos miembros dentados que giran solidariamente con cada eje, de manera que los dientes de uno calcen en los huecos del otro. Existen dos tipos comunes de embragues de dientes, embragues de dientes cuadrados y de dientes en espiral, el segundo capaz de transmitir momento, y en consecuencia movimientos en dos sentidos, mientras que el primero en un solo sentido. Este tipo de embragues se pude observar en la siguiente figura
Embragues unidireccionales: Son aquellos embragues diseñados para transmitir movimiento, y consecuentemente potencia, cuando el eje conductor gira en un solo sentido. Al invertir el sentido de rotación del eje conductor, los ejes de la transmisión se comportan como si no estuvieran acoplados. Embrague unidireccional 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 mas 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 si, 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.
Embragues de discos o laminas Un embrague de múltiples discos se muestra en la figura, las laminas A son generalmente de acero y están colocadas sobre estrías en el eje C, para permitir el movimiento axial (excepto para el último disco). Las laminas B son generalmente de bronce y están colocadas en estrías del elemento D El numero de parejas de superficies que transmiten podenca es uno menos que la suma de los discos de acero y bronce, y es además un numero par si el diseño es tal que no se requiere cojinetes axiales. n = nacero + nBrronce - 1 Para el sistema mostrado, n = 5 + 4 - 1 = 8 parejas de superficies en contacto La capacidad del momento de torsión esta dada por: Donde: Capacidad de momento, Lb-Plg Carga axial, Lb Coeficiente de rozamiento La fuerza axial esta dada por: donde p es la presión media La capacidad de potencia es Para desgaste uniforme, la variación de presión esta dada por Donde C es una constante y r es el radio del elemento diferencial Embragues Cónicos
Un embrague Cónico debe su eficiencia a la sección de cuña de la parte cónica en la parte receptora La capacidad de momento de torsión de un embrague cónico con sus partes ajustadas con base en presión uniforme es: Donde: T = Momento. Lb-Plg F = Fuerza Axial, Lb f = Coeficiente de rozamiento R0= Radio exterior de contacto Ri = Radio interior de contacto, Plg Rm = Radio Medio b = Ancho de cara
Acoplamiento de embragues Cónicos Un problema que se presenta con los embragues cónicos y no ocurre con los embragues de múltiples discos es la posibilidad de que se necesite una fuerza mayor para acoplar el embrague que la que se requiere durante la operación cuando el receptor y el cono giran a la misma velocidad. El análisis se complica por el hecho que la dirección de las fuerzas de rozamiento depende de la forma de acoplamiento, esto es, de la relación entre el movimiento rotatorio relativo y el movimiento axial relativo del receptor y el cono. Un procedimiento conservador consiste en suponer que no se presenta movimiento rotatorio relativo durante el acoplamiento, para la cual la fuerza axial máxima, Fe necesaria para acoplar el receptor y el cono es: Esta fuerza es la máxima requerida para obtener la fuerza normal deseada Fn, la cual a su vez desarrolla la fuerza de rozamiento que produce el momento de rozamiento deseado. Fuerza Axial para mantener acoplados el receptor y el cono La fuerza requerida para mantener acoplados el cono y el receptor, teniendo en cuenta el rozamiento varia entre: Debido a la vibración, le rozamiento puede no ser muy confiable y es conservador suponer que la fuerza axial para mantener acoplados las partes la da mayor valor de
Fuerza Axial requerida para desacoplar el receptor y el cono
Normalmente, con los ángulos de cono comúnmente usados, no se necesita una fuerza para desacoplar las partes, aun cuando es posible que si , sea necesaria una fuerza axial Fd para desacoplar las partes:
PROBLEMAS DE APLICACIÓN DE EMBRAGUES 1. Un embrague de múltiples discos tiene 4 discos de acero y 3 discos de bronce y cada superficie tiene un área de contacto de 4 Plg y un radio medio de 2 Plg. El coeficiente de rozamiento es 0.25 ¿Cuál es la capacidad de potencia para una fuerza axial de 90 Lb, si el embrague gira a 400 rpm? Suponer desgaste uniforme en las placas del embrague 2. Deducir la capacidad de momento de Torsión de una pareja de superficies presionadas entre si con una fuerza axial F. Suponer Presión Uniforme Se considera un área diferencial Fuerza diferencial normal = dN = pdA= P(2rdr). Momento diferencial de rozamiento = dT = rdQ = r(fp2rdr), integrando con p y f como constantes, el momento total es: La fuerza axial F = p()(Ro2-Ri2), de donde la presión media Reemplazando este valor de p en , se obtiene
MATERIALES DE FRICCION USADOS EN FRENOS Y EMBRAGUES Algunos Frenos y Embragues trabajan con fricción, los dos materiales que están en contacto deben tener un alto coeficiente de fricción. Este parámetro es usado en todos los cálculos de diseño, y debe tener un valor Fijo. Los materiales deben ser resistentes a la intemperie así como a la humedad y las altas temperaturas. Una característica calorífica excelente debe ser cuando se convierte satisfactoriamente la energía mecánica en calor en el embrague o freno. Esto significa que la alta capacidad de calor y las propiedades térmicas son proporcionales a las altas temperaturas. Los materiales deben ser resistentes en general y tener una alta dureza. Últimamente se han optado por materiales de carbono, o con alto contenido del mismo, actualmente también existen materiales con incrustaciones de asbesto que mejora las propiedades térmicas de los frenos y embragues, también se ha optado por materiales de aleación como el tungsteno y el vanadio aunque son muy caros por eso las aleaciones con alto contenido de carbono son la mas viables. Algunos de los materiales típicamente usados en la fabricación de frenos y embragues se listan en la tabla siguiente, mostrando los coeficientes de fricción, las temperaturas máximas y las presiones máximas en KPa. En la columna de lado izquierdo muestra 2 materiales los cuales están sometidos a contacto.
La siguiente tabla muestra algunos parámetros de desgaste respecto al tipo de movimiento Rotary: rotatorio, Oscillatory: oscilatorio, Reciprocating: Reciproco Como parámetros están la Presión en Psi, la Velocidad en ft/min y el coeficiente de ficción.
