SELECCIÓN DE RODAMIENTOS, EMBRAGUES Y FRENOS JAIRO ALONSO JAIMES SOLANO E-mail:
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ARIEL ANDRES ANDRES CENTENO CENTENO MARTINEZ MARTINEZ E-mail:
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RESUMEN: En este documento se describe todo lo relacionado con la buena selección de rodamientos, embragues y frenos para el diseño de elementos de máquinas, los cuales son muy esenciales en la parte automotriz, motores de alta velocidad y maquinaria de producción automática.
1. INTRODUCCION: La ventaja más grande de los rodamientos radica en que el rozamiento inicial de arranque no es mucho mayor que en funcionamiento y además en que el coeficiente de rozamiento, salvo para valores extremos, varía poco con la carga y con la velocidad.
tipos básicos:
De bolas De rodillos
Ambos tipos se fabrican fabrican para soportar cargas radiales, axiales o la combinación de ambas. Un rodamiento de bolas se compone de cuatro partes:
Anillo interior Anillo exterior Bolas Aula o separador
Estas propiedades hacen a los rodamientos especialmente indicados para máquinas que arrancan y paran con mucha frecuencia y que están sometidos a cargas.
2. CONTENIDO 2.1 Definiciones 2.1.1 RODAMIENTOS: Los rodamientos son elementos mecánicos que aseguran un enlace móvil entre dos elementos de un mecanismo, uno que se encuentra en rotación con respecto al otro; siendo su función principal el de permitir la rotación relativa de dichos elementos bajo carga, con precisión y con un rozamiento mínimo. mínimo. 2.2 Características: Entre sus características principales son las siguientes:
Requieren poco lubricante. Exigen poco mantenimiento. Ocupan poco espacio axial.
2.3Tipos de rodamientos: Los rodamientos se pueden clasificar en dos
Para aumentar el área de contacto y permitir mayores cargas las bolas corren en muecas toroidales construidas en los anillos. El radio de estas muecas es ligeramente superior al de las bolas, habiendo un pequeño huelgo radial.
2.3.1 Tipos de rodamientos de bolas
De ranura profunda Con abertura de entrada de bolas De contacto angular De tapa o escudo Sellado Con autoalineacion externa Con doble fila de bolas Autoalineante De empuje o carga axial De empuje autoalineante
Los rodamientos de ranura profunda y una s ola hilera de bolas soportan carga radial y cierta carga axial. Se construyen introduciendo las bolas entre los anillos y colocándoles a continuación el separador que además de colocarlas equidistantes, impide que se salgan de sus pistas de rodadura. Los rodamientos de contacto angular el cual se caracteriza porque la conformación de sus pistas producen un gran empuje angular además del radial. Los rodamientos de autoalineación externa se utiliza cuando existe cierto grado de desalineamiento que los rodamientos de bolas no llegan a soportar. Los rodamientos de doble hilera de bolas se utilizan que cuando por razones de espacio no pueden montarse juntos dos rodamientos de una sola hilera de bolas. Los rodamientos de bolas para empuje axial exige un montaje adecuado y soluciona montajes en los que se presenta primordialmente empujes axiales.
2.3.2 Tipos de rodamiento de rodillos
Los rodamientos de rodillos cilíndricos se caracterizan porque soportan más cargas que los cojinetes de bolas del mismo tamaño debido a su mayor superficie de contacto, pero requieren una alineación de montaje casi perfecta y sin cargas axiales. ( Fig. 1 ). El rodamiento de rodillos esféricos se utiliza cuando hay grandes cargas y deslizamiento. (Fig. 2). Los rodamientos de agujas son muy útiles cuando se cuentan con un espacio limitado radial. (Fig. 3). Los rodamientos de rodillos cónicos combinan las ventajas de los rodamientos de bolas y cilíndricos, soportan carga axiales y radiales. (Fig. 4). Los rodamientos axiales de rodillos tienen aplicaciones semejantes a los rodamientos axiales de bolas pero soportan más carga. (Fig. 5).
2.4 Vida útil de los rodamientos La vida útil del rodamiento, es el período durante el cual los rodamientos siguen en funcionamiento y cumplen las funciones para las que están diseñados. Esta vida del rodamiento se puede definir como el número total de revoluciones soportadas, el número total de horas de trabajo a velocidad constante, la vida frente al ruido, la vida frente a la abrasión, la vida de la grasa o la vida frente a la fatiga de los elementos rodantes, dependiendo de cuál de ellas provoca la pérdida de servicio del rodamiento.
2.4.1 Índice básico de vida y vida frente a la fatiga Cuando los rodamientos funcionan bajo carga, las pistas de rodadura de sus anillos interior y exterior y los elementos rodantes están sujetos a un stress cíclico repetido. Debido a la fatiga del metal de las superficies de contacto rodantes de las pistas de rodadura y los elementos rodantes, es posible que se desprendan pequeñas partículas del material del rodamiento. Este fenómeno se conoce como “descamación”.
El índice básicode carga de los rodamientos radiales se define como una carga radial central de dirección y magnitud constantes, mientras que el índice básico de carga de los rodamientos de apoyo se define como una carga axial de magnitud constante en la misma dirección que el eje central. Los índices de carga se listan como C r para los rodamientos radiales y C a para los rodamientos de apoyo en las tablas de dimensiones. 2.4.1.2 Selección del tamaño del rodamiento en
función del índice básico de carga
Entre la carga de los rodamientos y el índice básico de vidaexiste la siguiente relación:
La vida frente ala fatiga de los elementos rodantes viene representada por el número total de revoluciones a partir del cual la superficie del rodamiento empezará a descamarse debido al stress. Este fenómeno se conoce como vida frente a la fatiga.
En el caso de los rodamientos que operan a una Velocidadconstante, es conveniente expresar la vida frente a la fatiga en horas. La vida frente a la fatiga de los rodamientos utilizados en automóviles y en otros vehículos se expresa en kilómetros.Si designamos el índice básico de vida como Lh (h), la velocidad del rodamiento como n (rpm), el factor de vida frente a la fatiga como f h, y el factor de velocidad como f n, obtenemos las relaciones mostradas en la tabla:
2.4.1.1 Índice básico de carga El índice básico de carga se define como la carga constante aplicada a los rodamientos con anillos exteriores estáticos que pueden soportar los anillos interiores para un índice de vida de un millón de revoluciones (10* 6 rev).
2.5 Selección de rodamientos Antes de proceder a presentar una selección del tipo y tamaño de los rodamientos existen una serie de normas para su selección:
Para pequeños montajes, normalmente se emplean rodamientos de bolas.
Co= capacidad de carga estatica en Kgf indicadas en tablas para cada rodamiento. fs= coeficientes de esfuerzos estaticos. Fo= carga estatica equivalente en Kp.
Para soporte de grandes dimensiones y fuertemente cargados deben emplearse rodamientos de rodillos.
2.6 Lubricacion de rodamientos
Los rodamientos rígidos de bolas son apropiados para velocidades elevadasde giro y aunque son radiales, soportan empujes axiales.
Para el buen funcionamiento de los rodamientos es condición indispensable una buena lubricación, ya que: reduce el rozamiento de rodadura, protege las distintas partes delrodamiento de la herrumbre y el polvo, absorbe el calor que se desarrolla durante el funcionamiento y atenúa las vibraciones del rodamiento durante el funcionamiento.
Los rodamientos de bolas de contacto angular, los de rodillos a rotula y rodillos cónicos son propios para esfuerzos radiales y pueden soportar empujes axiales. Los rodamientos de rodillos cilíndricos no soportan esfuerzos axiales; solo puede soportar grandes esfuerzos radiales. Los rodamientos axiales de bolas solamente soportan esfuerzos axiales. Los rodamientos axiales de rodillos a rotula pueden soportar cargas importantes axiales y radiales.
El cálculo de las dimensiones de un rodamiento según la forma de trabajo puede hacerse para cargas dinámicas y estáticas. La carga es dinámica si el rodamiento gira Constantemente. La carga es estática cuando el rodamiento esta en reposo o ejecuta movimientos muy lentos de giro. El tamaño de un rodamiento se determina para cargas dinámicas con la fórmula:
Existe una amplia gama de grasas y aceites pa ra la lubricación de rodamientos. La selección del lubricante depende fundamentalmente de las condiciones de funcionamiento, en especial de la gama de velocidades y temperaturas. La grasa es el lubricante más ut ilizado en rodamientos, ya que es fácil de manejar y requiere un dispositivo de obturación muy simple. La lubricación por aceite se utiliza en caso de grandes velocidades de giro y elevadas temperaturas, cuando la forma o disposición de los rodamientos no permita regular la afluencia de grasa, o cuando sea preciso enfriar los soportes por circulación de lubricante. 2.7 Manejo de rodamientos Los rodamientos son elementos de alta precisión. Un manejo inadecuado provocará su falla prematura y un mal funcionamiento de la maquinaria. Los rodamientos manejados adecuadamente, pueden responder fiablemente a una amplia gama de condiciones de trabajo. Al considerarlos como un elemento de precisión de una máquina, pueden dañarse con un manejo inadecuado aún antes de empezar a trabajar. 2.7.1 Se deben tener en cuenta estos principios
Cp= capacidad de carga dinamica en Kp ofrecida en catalogos para cada rodamiento. fL= coeficiente de esfuerzos dinamicos. fn= coeficiente de velocidad, depende del numero de revoluciones. ft= coeficiente de temperatura de trabajo. F= carga dinamica equivalente en Kp.
Cuando se trata de rodamientos para cargas estaticas la formula se tranforma en :
Conservar limpio el rodamiento y el ambiente que lo rodea, para lo cual se espera hasta el último momento para extraerlo de su caja que lo contiene. El rodamiento está tratado térmicamente para alcanzar unos determinados niveles de dureza. Se puede considerar frágil ante impactos o fuerzas excesivas realizadas durante montajes o desmontajes poco cuidadosos.
No calentar los rodamientos a temperaturas superiores a 120º C ya que podría llegar a reducirse su dureza y por lo tanto acortar su vida.
La temperatura necesaria para el montaje de un rodamiento se calcula según la relación:
2.7.2 Precauciones a tener en cuenta en el Montaje
Elegir un lugar limpio. ΔT es
Revisar el árbol, alojamiento y radios (dimensiones, acabado y formas geométricas). Verificar las dimensiones del eje y alojamiento. Usar herramientas de montaje adecuadas que no tengan desgaste.
la variación de temperatura en ° C la variación de longitud en mm α es el coeficiente de dilatación lineal del acero
ΔLes
-6
(12 x 10 ) 1/° C d es el diámetro interior del rodamiento.
Limpiar el árbol, alojamiento y radios. Tener cuidado al tocar las superficies rectificadas del rodamiento para impedir posibles rastros de óxido. Al montar los anillos interior y exterior por separado, aplicar la fuerza también a cada uno por separado evitando montar, por ejemplo, el aro exterior golpeando el aro interior montado. 8. Evitar impactos. ¡No golpear con MARTILLO directamente al rodamiento!. 9. Los rodamientos de rodillos cónicos se montan ajustándolos contra otro rodamiento, generalmente del mismo tipo. Este ajuste se realizará con tuercas de apriete o discos de compensación entre otros métodos. Estos ajustes suponen una precarga para los rodamientos, que deberá considerar la carga a soportar, una vez alcanzada la temperatura de funcionamiento deseada.
Montaje por presión. Montaje por calor.
En el montaje por presión, la fuerza se aplica con una prensa hidráulica. En los rodamientos más pequeños se puede emplear un martillo con cabeza de caucho. Nunca se debe golpear un rodamiento directamente con un martillo metálico. El montaje por calor se puede hace r de varias formas. Usando un horno, plancha caliente, calentador por inducción o baño de aceite.
Al montar un rodamiento por calor se deben tomar las siguientes precauciones:
Limpie el equipo de montaje y el área de trabajo antes de empezar. No exceder los 120º C (248º F).
Después del montaje, durante el enfriamiento, los rodamientos se contraerán en dirección axial y radial. Consecuentemente, se debe presionar el rodamiento firmemente contra el chaflán del árbol.
2.8 Recomendaciones generales
2.7.2.1 Tipos de montajes
Normalmente se calientan los rodamientos entre 30 y 40º C por encima de la temperatura ambiental.
Almacenar los rodamientos en su embalaje original, en ambientes completamente secos y libres de productos químicos corrosivos, como ácidos, amoníaco o cloruro de cal. Almacenar los rodamientos grandes en posición horizontal para que su superficie frontal quede apoyada. Mantener el lugar de montaje limpio y seco. Procurar que los alojamientos, los árboles y otras piezas que tengan que ver con el montaje estén completamente limpios, libres de anticorrosivos y residuos de pinturas. Utilizar herramientas adecuadas para el montaje de los rodamientos. No utilizar herramientas de uso general. Manejar los rodamientos cuidadosamente. Los golpes fuertes pueden producir ralladuras, roturas o cuarteos. Utilizar únicamente los lubricantes recomendados por los fabricantes de los rodamientos. La cantidad de grasa se calcula mediante la relación G = 0,005 D B, donde G es la cantidad de grasa en gramos. D es el diámetro exterior del rodamiento en mm. B es la anchura total del rodamiento en mm. No calentar ni lavar durante el montaje los rodamientos que poseen dos tapas de protección o de obturación.
3. EMBRAGUES El embrague es el elemento encargado de transmitir la potencia del motor a voluntad del operario y se puede considerar como un transmisor de par a un régimen de giro. Todo embrague debe estar diseñado de forma que sea progresivo y elástico, para que el movimiento no se transmita bruscamente o a tirones cuando varía el régimen de las revoluciones del motor. 3.1 Características de los embragues
Debe estar dotado de la resistencia suficiente para poder transmitir la totalidad del esfuerzo de par motor al resto de la transición. Debe ser progresivo y suave que para que tanto en el desembragado como en el embragado se produzca sin tirones ni golpes. Una vez embragado no debe existir entre los dos discos ni el más mínimo desplazamiento o patinado, de forma que parezca u8n conjunto rígido.
Tienen la ventaja de ser capaces de transmitir un Par de torsión mayor que con embragues de disco del mismo diámetro exterior y fuerza impulsora.
Las operaciones de embrague y desembrague deben poderse efectuar con rapidez, sin que la velocidad del vehículo sufra retrasos apreciables.
Actúa como embrague automático entre el motor y La caja de cambios. Permite que el motor transmita el par motor cuando llega a un determinado régimen de giro.
3.2.3 Embrague hidráulico
Se debe poder accionar, por parte del conductor con un esfuerzo razonablemente pequeño.
3.2Tipos de embragues Según sus características los embragues pueden clasificarse en:
Embrague de disco Sencillo Doble Múltiple Embrague cónico Embrague hidráulico Embrague neumático Embrague magnético
3.2.1 Embrague de disco
3.2.4 Embrague neumático
El embrague de disco, conocido también como embrague de plato o axial, es capaz de transmitir la potencia de la flecha de entrada a la salida, debido a la fuerza de fricción desarrollada por el contacto entre los dos platos o discos quelo conforman.
Este embrague es movido por un tubo re forzado De hule pegado a la superficie interior o exterior del miembro propulsor.
3.2.2 Embrague cónico
Los embragues magnéticos se usan en motores De carretera, como embrague de malacate y en equipos donde se requiera que el par sea mayor de 1500 lb-pie (2102.3 N.m).
Los embragues de cono tiene su mayor uso en aplicaciones de velocidad periférica relativamente baja.
3.2.5Embrague magnético
3.3Sistema de accionamiento
Reglaje defectuoso.
Los sistemas de mando empleados para el accionamiento de embragues pueden ser de tres tipos:
Disco engrasado o sucio.
Forros desgastados.
Falta de presión en los muelles.
Vibración del vehículo al embragar
Accionamiento mecánico Accionamiento hidráulico Accionamiento neumático
El accionamiento mecánico se emplea generalmente para pequeños turismos.
Indica que el disco no asienta bie n en el volante Por estar deformado.
Las velocidades rascan al cambiar
Indica el mal reglaje del embrague, de forma que al pisar el pedal a fondo, no se suelta el disco por completo.
Ruidos al pisar el pedal
Indica falta de grasa en el c ollarín o que el cojinete axial está en mal estado.
Golpeteo en su funcionamiento
Puede ser motivado por las siguientes causas:
El accionamiento hidráulicos para embragues de alta presión se usa con el fin de aminorar el esfuerzo a transmitir en el pedal y para que el accionamiento se suave, se intercala entre el pedal y la palanca de desembrague en un sistema hidráulico.
Por desgaste en el casquillo del árbol primario.
Platillo de apoyo del collarín desencajado.
Volante de inercia flojo.
3.5 Calculo en el embrague 3.5.1 Compatibilidad
Hallar el área exterior e interior del disco, volante o plato a ser calculado. Obtener el área total restando el área exterior menos el área interior. A través de una regla de tres calculamos su compatibilidad tomando al área mayor total como el 100%.
3.5.2Perdidas
El accionamiento neumático es poco empleado, el Consiste en un depósito que envía el aire a un servo – embrague a través de una tubería flexible. 3.4Averías en los embragues
El embrague patina.
Puede suceder por las siguientes causas:
Hallar el área exterior y interior del disco, volante o plato a ser calculado. Restando las áreas exteriores de los elementos a ser calculados obtenemos la perdida en la parte exterior, mientras que con la resta de las partes interiores obtenemos la perdida en la parte interior.
4. FRENOS
Son elementos de máquinas que absorben energía cinética o potencial en el proceso de deteneruna 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 es tá siendo absorbida. El comportamiento de un freno es a nálogo al de un embrague, con la diferencia que u n embrague conecta una parte móvil con otra parte móvil, mientras que el freno conecta una parte móvil con una estructura. 4.1 SISTEMAS DE FRENOS
Tipo de cuña
Freno neumático
Freno hidráulico
Freno de banda
4.2.1 Freno de zapata Es sensible a los cambios de coeficientes de frenado producidos por el sobrecalentamiento o la inclusión del polvo o agua, lo cual lo hace inestable cuando trabajan en pares.
Cuando se presiona el pedal de freno, se transmite una fuerza desde el pie hasta los frenos. En la actualidad lafuerza 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)
Multiplicación de fuerza hidráulica
4.2.2 Freno de tambor
Tipo leva
Un sistema de frenos de leva tiene los mismos componentes que un freno hidráulico de anclaje sencillo o doble que tenga un cilindro de rueda de dos extremos. Sin embargo el de leva usa una en S o plana para empujar las zapatas de freno contra las superficies de rozamiento del tambor del freno. 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 ó circuitos que distribuyen a liga a las ruedas. 4.2 Clasificación de los frenos
Freno de zapata
Freno de tambor
Tipo de leva
Tipo de cuña
Su funcionamiento en las zapatas equivale al de los frenos que llevan dos cilindros dobles en las ruecas. Ambas zapatas del freno funcionan también para adelante debido al efecto automático hacia adelante y de reversa.
Se determina una relación entre la máxima presión y la presión en cualquier punto. Se emplean las condiciones del equilibrio estático para obtener la fuerza de frenado o el par de torsión y las reacciones de apoyo.
4.4 Método de cálculo El método en general se trata de encontrar un tiempo de frenado, para llegar a este y otros resultados se emplean métodos tales como el análisis dinámico del sistema, conservación de la energía.
5. CONCLUSIONES
La lubricación de los rodamientos se debe hacer con grasa y no exceder el límite permitido ya que puede causar calentamiento.
4.2.3 Freno neumático Los frenos del tubo interior de expansión se utilizan en malacates y como embrague. Este tipo de freno puede funcionar con aire, aceite o combinaciones de aire y aceite.
4.2.4 Freno hidráulico El sistema de frenos hidráulicos usado en el automóvil es un sistema de múltiple sesión de pistones. Ya queeste sistema permite que se transmitan fuerzas hacia dos o más pistones.
El sistema de frenos es muy esencial en cualquier aplicación que tenga que ver con velocidad. El embrague es el encargado de transmitir potencia al motor. Los tres sistemas mencionados anterior mente son componentes fundamentales en maquinas-herramientas, mecanismos móviles.
6. REFERENCIAS [1] SELECCIÓN DE RODAMIENTOS http://es.scribd.com/doc/109681586/SELECCION-DERODAMIENTOS [2] EMBRAGUES http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/element os/Tema04.pdf
4.3 Selección de frenos Se puedenanalizar muchos tipos de frenos siguiendo unprocedimiento general, que comprende las siguientes tareas:
Se calcula, se modela o se mide la distribución de la presión en las s uperficies de fricción.
[3] DISEÑO Y CONSTRUCCION DE FRENOS http://ri.ues.edu.sv/1725/1/Dise%C3%B1o_y_construcci on_de_un_sistema_didactico_de_freno_y_embrague.p df. [4] FRENOS http://ocw.uc3m.es/ingenieria-mecanica/diseno-demaquinas/material-de estudio/frenos embragues_transparencias.pdf