INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS TEMA: UNIDAD 5. FRENOS Y EMBRAGUES
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MATERIA: - DISEÑO DISEÑO MECÁNICO II -
DOCENTE: ING. GILB ERTO D A MIÁN LÓPEZ LÓPEZ
P R E S E N T A:
Agustín German José José Alberto COATZACOALCOS., VERACRUZ. DICIEMBRE DE 2014
UNIDAD 5. EMBRAGUES Y FRENOS
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.
5.1. FRENOS DE TAMBOR Estos dispositivos están constituidos por una zapata que obliga a entrar en contacto con un cilindro solidario al eje cuya velocidad se pretende controlar, la zapata se construye de forma tal que su superficie útil, recubierta de un material de fricción, calza perfectamente sobre el tambor. Una vez más, al forzarse el contacto entre zapata y tambor, las fuerzas de fricción generadas por el deslizamiento entre ambas superficies producen el par de frenado.
Zapatas: Son bloques de madera o metal que presiona contra la llanta de una rueda mediante un sistema de palancas, existen dos tipos que son: a) De fundición b) Compuestas Este tipo de freno consta de un tambor, por lo general realizado en hierro fundido, solidario al cubo de la rueda, en cuyo interior, al pisar los frenos, se expanden unas zapatas de fricción en forma de "C" que presionan contra la superficie interna del tambor. Ya no se utilizan en el tren delantero de los coches modernos, que es el que soporta el mayor esfuerzo en la frenada, porque presentan desventajas a la hora de disipar el calor, y porque al ser más pesados que los frenos de disco pueden producir efectos negativos en la dirección del vehículo. Sí se utilizan con frecuencia en el eje posterior de muchos vehículos, combinados con discos delanteros.
Partes del freno de tambor: Tambor del freno Zapata Resortes de retorno de las zapatas Plato de anclaje Cable de ajuste Pistón hidráulico
5.1.1. ZAPATA INTERNA Zapatas de freno están hechos típicamente de dos piezas de chapa de acero soldadas entre sí. El material de fricción es ya sea remachada a la mesa de revestimiento o unido con adhesivo. La pieza en forma de medialuna se llama la Web y contiene agujeros y las ranuras de diferentes formas para muelles de retorno, hardware de sujeción, acoplamiento de freno de mano y componentes de auto-ajuste. Toda la fuerza de aplicación del cilindro de rueda se aplica a través de la web a la mesa de la guarnición y el forro del freno. El borde de la mesa de guarnición generalmente tiene tres muescas o pestañas a cada lado llamado nibs "V" en forma. El resto puntas contra las almohadillas de soporte de la placa de respaldo a la que se instalan los zapatos.
Cada conjunto de freno tiene dos zapatos, uno primario y secundario. La zapata primaria se encuentra hacia la parte delantera del vehículo y el revestimiento se ha posicionado de manera diferente que el zapato secundario. Muy a menudo los dos zapatos son intercambiables, por lo que una inspección detallada de cualquier variación es importante. Los forros deben ser resistentes contra el calor y el desgaste y tienen un alto coeficiente de fricción no afectado por las fluctuaciones de temperatura y humedad. Los materiales que componen la zapata de freno incluyen, modificadores de la fricción, metal en polvo, tales como metales plomo, zinc, latón, aluminio y otros que resisten el calor se desvanecen, aglutinantes, agentes de curado y cargas, tales como virutas de caucho para reducir el ruido del freno. Las zapatas de freno están formadas por dos chapas de acero soldadas en forma de media luna y recubiertas un su zona exterior por los ferodos o forros de freno, que son los encargados de efectuar el frenado por fricción con el tambor. Los forros de freno se unen a la zapata metálica por medio de remaches embutidos en el material hasta los 3/4 de espesor del forro para que no rocen con el tambor, o bien pegados con colas de contacto. El encolado favorece la amortiguación de vibraciones y, como consecuencia, disminuyen los ruidos que éstas ocasionan durante el frenado.
5.1.2. ZAPATA EXTERNA 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. 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.
5.2. FRENOS Y EMBRAGUES DE DISCO Se componen de un disco montado sobre el cubo de la rueda, y una mordaza colocada en la parte externa con pastillas de fricción en su interior, de forma que, al aplicar los frenos, las pastillas presionan ambas caras del disco a causa de la presión ejercida por una serie de pistones deslizantes situados en el interior de la mordaza.
La mordaza puede ser fija y con dos pistones, uno por cada cara del disco. Pero también existen mordazas móviles, que pueden ser oscilantes, flotantes o deslizantes, aunque en los tres casos funcionan de la misma manera: la mordaza se mueve o pivota de forma que la acción de los pistones, colocados sólo a un lado, desplaza tanto la mordaza como la pastilla. Son más ligeros que los frenos de tambor y disipan mejor el calor, pues los discos pueden ser ventilados, bien formados por dos discos unidos entre sí dejando en su interior tabiques de refrigeración, bien con taladros transversales o incluso ambas cosas. La imagen muestra un freno de disco el cual funciona a base de fricción por lo que su fabricación debe ser de alta calidad y los materiales deben tener determinadas características lo que más adelante se analizara
Este sistema de frenado tiene las siguientes ventajas: 1. No se cristalizan, ya que se enfrían rápidamente. 2. Cuando el rotor se calienta y se dilata, se hace más grueso, aumentando la presión contra las pastillas.
3. Tiene un mejor frenado en condiciones adversas, cuando el rotor desecha agua y el polvo por acción centrífuga. Por otra parte, las desventajas de los frenos de disco, comparados con los de tambor, son que no tienen la llamada acción de servo o de aumento de potencia, y sus pastillas son más pequeñas que las zapatas de los frenos de tambor, y se gastan más pronto.
Frenos de disco cerrado El disco se aloja se aloja en un cárter solidario a la rueda. El apriete se efectúa sobre varios sectores regularmente repartidos sobre la periferia, el frenado se obtiene por la separación de dos discos, cada uno de los cuales se aplica contra la cara interna correspondiente del cárter giratorio.
Freno de disco exterior El disco es solidario del árbol o de la rueda. El apriete se efectúa mediante un sector limitado y rodeado por unos estribos, en el interior de los cuales se desplazan unos topes de fricción.
El frenado con discos se puede realizar mediante: 1) Discos: Inicialmente fueron de acero, ahora suelen ser de fundición. 2) Pastillas: Suelen ser de aleaciones de cobre, estos elementos de frenado se colocan en la rueda directamente o en el cuerpo del eje. Las ventajas e inconvenientes, frente al frenado con zapatas de este tipo de frenado son:
Ventajas
Frenado poco ruidoso.
Menores gastos de conservación.
Mayor periodo de vida.
La mayor parte del calor desprendido durante el frenado la absorben los discos, a los cuales se les proviene de un sistema de ventilación. Materiales protegidos de agentes externos. Se comportan bien hasta los 230 Km/h; a partir de esta velocidad el desgaste aumenta considerablemente.
Inconvenientes
Menor aprovechamiento de la adherencia. Para solucionar este problema se suelen utilizar sistemas mixtos de zapatas y discos junto con sistemas de antipatinaje. Mayor distancia de parada.
5.3. EMBRAGUES CENTRÍFUGOS.
Consiste en un cierto número de zapatas, distribuidas simétricamente, en capacidad de deslizar radialmente a lo largo de guías solidarias al eje conductor, y así de entrar en contacto con la cara interior de un tambor solidario al eje conducido. Un compresor de aire acondicionado en un carro tiene un embrague magnético. Esto permite que el compresor cierre mientras el motor esta encendido. Cuando la corriente fluye a través de un anillo magnético, el embrague embona. Tan pronto como la corriente para, tal como cuando apagas el interruptor de un aire acondicionado el embrague desembona. Este tipo de embrague esta ventilado contra las altas temperaturas de fricción que provoca el rozamiento, este sistema es utilizado en varios modelos de automóviles nuevos.
Como un embrague es un implemento de rozamiento que permite la conexión y la desconexión de ejes. El diseño de los embragues y los frenos es comparable en muchos aspectos. Esto se ilustra bien mediante un embrague de múltiples discos, el cual se usa también como freno. Un problema de diseño más evidente en el diseño de frenos comparado con del diseño de embragues es el de la generación y la disipación del calor. En el análisis de un embrague es muy frecuente imaginar que las partes no se mueven entre sí, aun cuando no se debe pasar por alto el hecho que la transmisión de potencia por rozamiento generalmente envuelve algún deslizamiento. Por esta razón, cuando se necesita tener transmisión positiva de potencia debe apelarse a un implemento positivo tal como un embrague de mandíbulas.
5.4. EMBRAGUES Y FRENOS DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS, CORRIENTES PARÁSITAS Y DE HISTÉRESIS. Son de varios tipos. Embragues
y
frenos
de
partículas
magnéticas. No tienen un contacto de fricción directo entre disco y carcasa. El espacio entre superficies está lleno de un fino polvo ferroso. Al energizarse la bobina, las partículas de polvo forman cadenas a lo largo de las líneas de flujo del campo magnético, acoplando el disco a la carcasa.
Embragues
y
frenos
de
histéresis
magnética. No tiene un contacto mecánico entre los elementos en rotación. El rotor que también se conoce como taza de arrastre, es arrastrado por el campo magnético establecido por la bobina de campo (o imán permanente).
Embragues de corrientes
parásitas. Son
similares
en
construcción a los dispositivos de histéresis, en el hecho que no tienen un contacto mecánico entre rotor y polos. La bobina establece corrientes parásitas, que acoplan de manera magnética el embrague.
5.5. CONVERTIDOR DE PAR En el uso moderno, un convertidor de par es generalmente un tipo de acoplamiento de fluido que se utiliza para transferir el poder rotatorio de un motor primario, tal como un motor de combustión interna o un motor eléctrico, a una carga accionada giratoria. El convertidor de par normalmente toma el lugar de un embrague mecánico en un vehículo con una transmisión automática, lo que permite que la carga se separe de la fuente de alimentación. Por lo general se encuentra entre placa flexible del motor y la transmisión.
En un convertidor, como hemos visto arriba hay un mínimo de tres elementos rotativos: la bomba, que es accionada mecánicamente por el movimiento de entrada, la turbina, que impulsa la carga, y el estator, que se interpone entre la bomba y la turbina, y que altera la dirección del flujo de aceite de retorno a los álabes de la bomba. En el trabajo del convertidor de par se pueden diferenciar tres etapas:
Arranque: es el momento en que se aprieta el acelerador y el motor hace girar la bomba con bastante potencia, pero la turbina está en reposo porque el automóvil está detenido y su inercia se opone al movimiento. Durante esta etapa se produce la mayor amplificación del torque. El fluido que llena el convertidor no gira, es solo bombeado a la turbina para hacerla girar y retorna con gran velocidad.
Aceleración: el automóvil va ganado en velocidad, pero todavía hay una diferencia relativamente grande de velocidad de giro entre la bomba y la turbina. Bajo esta condición, el convertidor produce una alta amplificación del par, pero
menor
que
en
las
condiciones
de
arranque. El
índice
de
multiplicación dependerá de la diferencia real entre las velocidades de giro de ambas piezas, así como otros factores de diseño.
Acoplamiento: la turbina ha acelerado y gira a una velocidad muy próxima a la de la bomba. La amplificación del par casi es inexistente y el convertidor de par se está comportando de una manera similar a un embrague hidráulico.
5.6. MATERIALES DE FRICCIÓN. 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 más 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.
5.7. CONSIDERACIONES DE ENERGÍA, FRICCIÓN Y TEMPERATURA. Cuando se detienen los elementos rotatorios de una máquina con un freno, este debe absorber la energía cinética de rotación, lo que implica la generación de calor que se pierde. De la misma manera, durante el deslizamiento, el embrague absorbe energía en forma de calor. En estas circunstancias la capacidad de un embrague (o de un freno) está limitada por: - La capacidad del material de fricción - La capacidad de disipación del calor. Si no hay buena disipación el material evidentemente se recalentará Para tener una idea de lo que ocurre en el proceso de frenado o embragado por fricción, se considerará un modelo tal como el que se ve en la Figura 8.3. Se aplicará al embrague un par T, que se supone constante. Se supone a su vez que los
velocidades iniciales de las partes a embragar (o
frenar según el caso).
Figura 8.3. Esquema de un embrague o freno de platillos A un lado y otro de la superficie de contacto se cumplirá (en ausencia de deslizamiento y efectos de amortiguamiento viscoso).
