REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANASAN TOME - ESTADO ANZOÁTEGUI

EMBRAGUES Y FRENOS

DISEÑO DE ELEMENTOS DE MAQUINA II

Junio 2011 Ing. Vicente Díaz P

INTRODUCCIÓN

Los frenos y embragues constituyen una Los frenos y embragues constituyen una parte fundamental del diseño de elementos parte fundamental del diseño de elementos de máquinas, es común ver estos de máquinas, es común ver estos dispositivos en cualquier tipo de máquinas, dispositivos en cualquier tipo de máquinas, automóviles, maquinas-herramientas, automóviles, maquinas-herramientas, mecanismos móviles, aparatos elevadores, mecanismos móviles, aparatos elevadores, turbinas, etc.turbinas, etc.

Freno: Freno: Un freno es un dispositivo que se Un freno es un dispositivo que se usa para llevar al reposo un sistema en usa para llevar al reposo un sistema en movimiento, para bajar su velocidad o para movimiento, para bajar su velocidad o para controlar su velocidad hasta un cierto valor controlar su velocidad hasta un cierto valor en condiciones cambiantes.en condiciones cambiantes.

Embrague:Embrague: Son acoplamientos temporales, Son acoplamientos temporales, utilizados para solidarizar dos piezas que se utilizados para solidarizar dos piezas que se encuentran en ejes coaxiales, para transmitir encuentran en ejes coaxiales, para transmitir a una de ellas el movimiento de rotación de a una de ellas el movimiento de rotación de la otra a voluntad.la otra a voluntad.

CLASIFICACIÓN DE FRENOS Y EMBRAGUES

EMBRAGUES Y FRENOS DE FRICCIÓN

Son los de uso común. Dos o más Son los de uso común. Dos o más superficies son oprimidas entre sí superficies son oprimidas entre sí mediante una fuerza perpendicular o mediante una fuerza perpendicular o normal, para crear un par de torsión por normal, para crear un par de torsión por fricción.fricción.

Están constituidos por una parte motriz, que transmite el giro a una parte conducida, utilizando la adherencia entre los dos elementos y una presión aplicada que los une fuertemente entre si.

Está compuesto por el disco de embrague y el plato de presión.

EMBRAGUES DE FRICCIÓN DE DISCO SIMPLE O MONODISCO

Partes

Denominada campana. Unida al volante de inercia del motor mediante tornillos, encierra entre ella y el volante al resto de las piezas, y gira solidaria con él.

Tapa metálica

Es un disco metálico sobre el cual, en su parte periférica, van unidas mediante remaches dos coronas circulares denominadas forros de embrague, constituidos por amianto, resinas sintéticas e hilos de cobre o latón, que constituyen un material altamente resistente a la fricción. En su parte central lleva un manguito estriado en su interior, dentro del cual se aloja un extremo del eje primario de la caja de cambios, que está estriado exteriormente con un diseño acoplable al que el disco de embrague lleva en su interior.

Disco de embrague

Forros del embrague

6

1.- Disco de embrague.2.- Corte radial.3.- Platillo.4.- Muelles.5.- Manguito estriado.6.- Forro de amianto.7.- Remache.

Tipo Massey

Metálico, con forma de corona circular del mismo tamaño que los forros de embrague, lleva unos soportes sobre los cuales actúan las patillas.

Plato de presión

Embrague de muellesEn este embrague la presión se efectúa por medio de una serie de muelles repartidos uniformemente sobre la periferia del plato opresor, para que la presión sea igual en toda la corona circular.

Generalmente 9 ó 12. Se apoyan por uno de sus extremos sobre la campana y por el otro

sobre el plato de presión.

Diafragma: Por su menor número de componentes reduce la fricción y el desgaste,

garantiza un mejor funcionamiento, buen rendimiento y aumenta la durabilidad. La fuerza

de apriete aumenta con el desgaste del disco, lo que evita que el embrague patine

prematuramente. No requiere de ningún ajuste. Su accionamiento es más suave y fácil

montaje.

Muelles o Diafragma

Generalmente 3 ó 4. Actúan como palancas de primer género y tienen un punto de apoyo y giro unido a la campana. Por uno de sus extremos las patillas actúan sobre el soporte del plato opresor y por el otro sobre el anillo de patillas.

Patillas

Formado por un rodamiento axial con un orificio central por el que pasa el eje primario. Este collarín se apoya por un lado en el anillo de patillas y por el otro recibe el empuje de la horquilla.

Collarín

1. Carcasa

2. Disco de embrague

3. Forro

4. Diafragma

5. Collarín de empuje

6. Eje primario

7. Eje intermediario

Embrague de Diafragma

FRENOS DE TAMBOR CON BANDA

Son posiblemente el dispositivo Son posiblemente el dispositivo de frenado más sencillo de de frenado más sencillo de concebir. Se utilizan en concebir. Se utilizan en aparatos elevadores, máquinas aparatos elevadores, máquinas excavadoras, en montacargas excavadoras, en montacargas y otra maquinaria.y otra maquinaria.

• Una de las desventajas que Una de las desventajas que tiene este tipo de freno es el tiene este tipo de freno es el momento flector que produce momento flector que produce en el eje.en el eje.

FRENO DE TAMBOR CON ZAPATAS INTERNAS EXPANSIBLES

• Estos dispositivos están constituidos por una zapata, la cual esta recubierta de un material de fricción que calza perfectamente sobre el tambor y es empujada por un cilindro contra el tambor para crear el par de torsión por fricción.

• Se utilizan en automóviles, maquinaria textil, excavadoras y máquinas herramientas.

• Transmiten un torque elevado, a un a bajas velocidades y requieren fuerzas de conexión y desconexión intensas.

DISEÑO DE FRENOS Y EMBRAGUES DE

FRICCIÓN

1. Estimar o determinar la distribución de la presión sobre las superficies de fricción.

3. Hallar una relación entre la presión máxima y la presión en un punto cualquiera.

5. Aplicar condiciones de equilibrio estático para determinar la fuerza, el torque y las reacciones en los apoyos.

En el análisis de todos los tipos de frenos y embragues En el análisis de todos los tipos de frenos y embragues de fricción se emplea el mismo procedimiento general:de fricción se emplea el mismo procedimiento general:

FRENO DE CINTA

Geometría y fuerzas que actúan en un freno de cinta.

Debido al sentido de giro mostrado en la figura P1>P2.

Planteando el equilibrio de un diferencial de cinta, ∑F=0:

( )sin sin 02 2

d dP dP P dN

θ θ+ + − =

( )cos cos 02 2

d dP dP P dN

θ θ µ+ − − =

De las ecuaciones anteriores se deduce:

0dN Pd y dP dNθ µ= − =

Sustituyendo el valor de dN e integrando se tiene:

1

2

1 10

2 2

lnP

P

P PdPd e

P P Pφ µφµ θ µφ= ⇒ = ⇔ =∫ ∫

Expresión para el par de frenado:

1 2( )T P P r= −

La presión que actúa sobre la cinta, p, puede deducirse del supuesto que sobre el diferencial de longitud rdθ y ancho b actúa una fuerza dN:

dN pbrd Pd pbrdθ θ θ= ⇒ =

Por lo tanto:

De la ecuación anterior se deduce directamente que el punto en el que la presión es máxima es:

Pp

br=

1a

Pp

br=

EMBRAGUE CÓNICO

EMBRAGUE DE DISCO

El embrague cónico es uno de los tipos de embrague más antiguo, tan sólo se emplea en aplicaciones sencillas, es simple y eficaz.

En muchas aplicaciones los embragues de disco han desplazado a los cónicos, debido a que presentan una gran superficie de fricción en un espacio reducido, además la superficie disipadora de calor es más efectiva.

Embrague de cónico.

Embrague de disco.

• Una desventaja que presenta es que tiende a bloquearse.

DISEÑO

– Distribución de presión uniforme (embrague nuevo).– Desgaste uniforme (embrague usado).

Para hallar una relación entre la fuerza de trabajo F y el momento de torsión transmitido, dos hipótesis son posibles según se considere el embrague nuevo o usado:

CONSIDERACIONES ENERGETICAS

Expresando la ecuación de movimiento para la inercia 1 y 2 se tiene:..

11T I θ− =..

22T I θ=

. . .1 2

1 2 1 21 2

I IT t

I Iθ θ θ ω ω

+= − = − −

.1 2 1 2

11 2

( )0

( )

I It

T I I

ω ωθ −= ⇒ =+

.1 2

1 21 2

disI I

P T T T tI I

θ ω ω += = − −

1

21 2 1 2

01 2

( )

2( )t

disI I

E P dtI I

ω ω−= =+∫

Tiempo total para la operación de embragado.

Energía total disipada.

Velocidad relativa.

Rapidez o intensidad de disipación de calor.

Representación dinámica de un embrague o freno.

MATERIALES DE FRICCIÓN

Coeficiente de fricción alto y uniforme.

Propiedades poco dependientes de condiciones externas (p.ej. humedad).

Buena conductividad térmica y capacidad de resistir altas temperaturas.

Alta resistencia al desgaste, rayado y raspadura.

Las propiedades de un material de fricción para freno o embrague deben ser las siguientes:

Materiales de fricción para embragues.

Algunas propiedades de revestimientos para frenos.

FRENO DE DISCO

Ventajas:

• Cuando el disco se calienta y se dilata, se hace más grueso, aumentando la presión contra las pastillas.

• Tiene un mejor frenado en condiciones adversas, cuando el rotor desecha agua y el polvo por acción centrífuga.

• Disipan mas calor que los de tambor, pues los discos pueden ser ventilados,

Desventajas:

• No poseen la acción autoenergizante.• Las pastillas son mas pequeñas y se desgastan

mas rápido que las de los frenos de tambor.

Freno de disco.

EMBRAGUES HIDRÁULICOS

Es un embrague automático que permite que el motor transmita el par cuando llega a un determinado régimen de giro.Se basa en la transmisión de energía de una bomba centrífuga a una turbina por medio de un aceite.

Está constituido por dos coronas giratorias, que tienen forma de semitoroide, provistas de unos tabiques planos llamados álabes. La corona motriz va unida al árbol motor y constituye la bomba centrífuga, la otra, unida al primario de la caja constituye la turbina o corona arrastrada.

Ambas coronas van alojadas en una carcasa estanca y están separadas por un pequeño espacio para que no se produzca rozamiento entre ellas.

1. Eje Motriz2. Volante de Inercia3. Turbina4. Alabes5. Rotor6. Deflector7. Eje Primario

Ventajas

Ausencia de desgaste.Gran duración.Es muy elástico.Es muy progresivo.Bajo coste de mantenimiento, no exigiendo más atención que el cambio periódico del aceite.La capacidad de transmisión de potencia de estos embragues es directamente proporcional al cubo de la velocidad de giro y a la quinta potencia de su diámetro.

EMBRAGUES DE CONTACTO POSITIVO

Embrague de quijadas cuadradas.

Embrague de dientes de sierra.

Entre sus características se distinguen:

• No tienen deslizamiento.

• Transmiten grandes torques.

• Son acoplados a velocidades relativamente bajas (60 rpm máximo para embragues de quijada y 300 rpm máximo para embragues de dientes).

• Su conexión es ruidosa.

Estos embragues se acoplan mediante interferencia mecánica, y este acoplamiento se obtiene con quijadas de forma cuadrada o de dientes de sierra, o con dientes de formas diversas.

Mr

F

α

α

α

α

F

F1

F1 = Mr

Embrague de dientes de sierra.

Sea α el ángulo del diente, si suponemos que empuja un sólo diente la acción F1 debida al parM será:

α

α

α

F

F1

F1

= Mr

Las componentes normal y tangencial al diente de F y F1 son:

Normal: F1.cos α + F sen αTangencial: F1.sen α - F cos α

Siendo µ = tg ρ (ρ ángulo de rozamiento) el coeficiente de rozamiento, habrá deslizamiento deun diente sobre otro cuando:

ααµαα cos•F- senF=) sen•F+ cos(F •11 ⋅⋅

Dividiendo por cos α:

) tg- (tgF=) tg tg+(1•F

F- tgF= tg• tg•F+ tgF

F- tgF= tg) tg•F+(F

•1

•1•1

•11

ραρααραρ

αρα

⋅

⋅

)-tg(= tg tg+1

tg- tg=

F

F

1ρα

ραρα

⋅

Como:

⇒⋅ rF=M 1 )-tg(

rF=M

ρα⋅

De donde la fuerza de empuje F para transmitir un par M viene dada por:

r

)-tg(M=F

ρα⋅

cdg

r

ω

M

m/2

m/2R

Kα

EMBRAGUE CENTRIFUGO.

Cálculo de un embrague centrífugo

cdg

r

ω

M

m/2

m/2R

Kα

Sea r el c.d.g. de los contrapesos y R el radio interno de la carcasa.

αω sen•x•Krm=F 2 −⋅⋅

La fuerza tangencial que origina:

µ•FFt =

( )αωµ sen•x•Kr••m•F 21 −=

El par motor transmitido es:

( )αωµ sen•x•Krm•R•=RF=M 21t −⋅⋅⋅

Ecuación que permite calcular en función de las características de los contrapesos m, R y r la ωmínima necesaria para transmitir un par motor M.

EMBRAGUES UNIDIRECCIONALES

Operan automáticamente con base en la velocidad relativa entre los dos elementos. Actúan sobre la circunferencia y permiten la rotación relativa sólo en una dirección.

Aplicaciones

• Son utilizados en grúas para impedir que la carga se caiga si, por ejemplo, se interrumpe la potencia en el eje.

• Otra aplicación común de estos embragues es la masa trasera de una bicicleta.

• Transportadores inclinados.• Ventiladores.• Bombas.

Embrague de rampa y bolas.

Embrague de resorte

Contiene un resorte enrollado con firmeza alrededor del eje. La rotación en una dirección aprieta el resorte con más fuerza sobre el eje, para transmitir el par de torsión. La rotación contraria afloja ligeramente el resorte, lo que provoca que se deslice.

Embrague de uñas

Consta de una pista interior y una exterior, el espacio entre las pistas está lleno con uñas de forma rara, que permiten el movimiento en una sola dirección pero en la otra se traban y bloquean las pistas.

Embrague de resorte [2].

Embrague de uñas [3].

EMBRAGUES Y FRENOS MAGNÉTICOS

El espacio o entrehierro entre superficies esta 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 carcaza, sin deslizamiento.

Partículas magnéticas

Embrague de partículas magnéticas.

Corrientes parásitas (o de eddy)

Son similares a los dispositivos de histéresis, en el hecho que no tienen un contacto mecánico entre rotor y polos. La bobina establece corrientes parásitas o de eddy, que acoplan de manera magnética el embrague.

Embrague de corrientes de eddy.

Histéresis magnéticaHistéresis magnética

No tienen un contacto mecánico entre los elementos en rotación y, por lo tanto, al desacoplarse tiene una fricción cero. El rotor es arrastrado (o frenado) por el campo magnético establecido por la bobina de campo.

Embrague de histéresis magnética [5].

Embrague de fricción de operación magnética [4].

VENTAJAS DE LOS EMBRAGUES Y FRENOS MAGNÉTICOS

• Permiten un control preciso del torque.

• Respuesta rápida.

• Vida útil bastante prolongada.

• Son silenciosos y suaves.

Aplicación

Estos dispositivos se utilizan para controlar el par de torsión en ejes, en aplicaciones como máquinas bobinadoras, donde deba aplicarse una fuerza constante a una trama o hilo de material, conforme se va embobinando.

Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber.- Albert Einstein

El cerebro no es un vaso por llenar, sino una lámpara por encender.  - Plutarco