RODRIGOsnm

1

FRENOS, EMBRAGUES Y ACOPLAMIENTOS

FRENOS

Básicamente un freno es un dispositivo que permite controlar la velocidad de un

mecanismo o bien llevarlo al reposo absoluto absorbiendo la energía cinética del

cuerpo en movimiento y transformándola en energía térmica como consecuencia de la

fricción que se genera en el contacto entre dos materiales rugosos. Los tipos de frenos

más usuales son:

a. Freno de zapata: el material de fricción se encuentra curvado en forma de

sección circular, de manera que al ser oprimido contra la superficie de un

tambor, desde el interior o exterior del mismo, se genera una fuerza de fricción

tangencial que da lugar a una reducción de velocidad o frenado total del

dispositivo en cuestión.

90v90

90v90

b. Freno de banda: el material de fricción en este caso es una banda flexible que

rodea a un tambor cilíndrico fijo a la maquina a frenar. Al tensionar la banda

desde el lado opuesto al fijo, se ejerce una fuerza sobre el tambor, la cual por

acción de la fricción se traduce en una fuerza tangencial opuesta a la de giro

que permite desarrollar el par de frenado.

c. Freno de disco: básicamente consiste en un disco que gira fijo al eje impulsado,

los elementos de fricción, que cubren solo una sección del disco, son oprimidos

contra este por distintos medios de accionamiento como pueden ser el

neumático o hidráulico, dando lugar de esta forma a la fuerza de fricción que

origina el par de frenado.

RODRIGOsnm

2

d. Freno de placas: la superficie de fricción tiene la forma de un anillo sobre un

plato plano, esta se mueve en dirección axial a fin de hacer contacto con otra

placa, comúnmente de acero, a la que se le transmite el par de frenado.

e. Freno de cono: tiene un funcionamiento similar al de placa, pero en este caso,

las superficies de contacto son las secciones laterales de un cono truncado.

f. Frenos especiales:

1. Frenos electromagnéticos: actúa gracias a la fuerza magnética que se

produce al energizar una bobina contenida en el freno, la cual atrae la

placa. Si el freno es normal cerrado, al energizar la bobina, se vence la

fuerza de un resorte que acciona el freno, permitiendo que el mecanismo

gire libremente.

2. Frenos de Foucault: basado en las corrientes parasitas inducidas, que se

oponen a las del flujo normal, generando una fuerza de frenado.

3. Frenos neumáticos: se trata de introducir aire comprimido a una cámara, la

cual se expande y produce la fricción.

4. Frenos Hidráulicos: similares a los anteriores pero el fluido en este caso es

hidráulico.

EMBRAGUES

La función del embrague es conectar o desconectar de la fuente de movimiento, un

componente impulsado de manera tal que no sea necesario encender o apagar la

fuente cada vez que se desea hacer la maniobra.

i. Los embragues típicos tienen formas constructivas similares a los frenos

anteriormente mencionados, siendo estos los embragues cónicos, embragues

de disco (símil freno de placa), estos se puede caratular como embragues de

fricción.

ii. Los embragues hidráulicos actúan gracias a la presión ejercida por un cilindro

hidráulico, cuyo accionamiento desconecta al embrague.

iii. Los embragues de una revolución permite que el eje gire una revolución (o las

deseadas) y después se desconecta.

iv. El trinquete permite el movimiento en una sola dirección y actúa moviéndose

de a pequeñas fracciones de revolución por ciclo.

RODRIGOsnm

3

Limitadores de par: permiten realizar una impulsión siempre y cuando el par

transmitido sea menor que un límite prefijado. A mayores pares torsionales, se

desacopla automáticamente. Una variable es una serie de bolas colocadas en topes

sujetas por la acción de resortes, cuando se llega al valor limite de par las bolas salen

de los topes y desacoplan al impulsor.

Parámetros de calculo

1. Par torsional de fricción

En cualquier punto, la presión local multiplicada por el área diferencial es en el punto

es la Normal. Esta Normal multiplicada por el coeficiente de fricción es la fuerza de

fricción que se opone al movimiento, la cual si se multiplica por el radio del punto da

como resultado el par. El par total es la suma de todos los pares sobre el área total de

la placa, obtenido al integrar sobre la misma, en síntesis, se tiene:

[Nm]

2. Tasa de desgaste (WR)

Para completar el cálculo, se hace necesario saber el área necesaria para el dispositivo.

Aquí interviene la tasa de desgaste que se espera del material de fricción, dato que

puede ser suministrado por fabricantes. La tasa de desgaste se basa en la potencia de

fricción, por lo tanto:

[W]

Para la tasa de desgaste se tiene:

[W/mm2]

Los valores de WR más frecuentes son:

0.162 W/mm2; para aplicaciones frecuentes (tasa conservadora).

0.116 W/mm2; para servicio promedio.

0.462 W/mm2; para frenos que no se usan con frecuencia y puedan enfriarse.

3. Disipación de energía

La capacidad del freno o embrague estará limitada por dos factores, el tipo de material

que se utiliza para la fricción y el grado de disipación de calor del mismo, ya que si el

calor se absorbe más rápido de lo que se disipa, habrá un serio inconveniente,

agravado si el dispositivo actúa con una frecuencia tal que no permite un correcto

enfriado.

RODRIGOsnm

4

Para analizar la energía disipada se suponen dos cuerpos, 1 y 2, los cuales tienen una

velocidad angular inicial ω1 y ω2 respectivamente. Suponiendo a los ejes rígidos y al par

de torsión constante, está claro que al final de la operación, ambos cuerpos tendrán la

misma velocidad. Para el cuerpo 1 y 2 se tiene;

Integrando estas dos ecuaciones se tiene la velocidad angular instantánea después de

un tiempo t;

La velocidad relativa queda;

[rad/seg]

Cuando ambas velocidades se hacen iguales o, dicho de otra manera, la velocidad

relativa se hace cero, la operación concluye, de aquí es posible calcular el tiempo

requerido para la misma;

[seg]

La potencia disipada es por lo tanto;

[W]

La energía total disipada se obtiene integrando la ecuación anterior desde un tiempo

cero hasta el tiempo final tf, de acuerdo a lo dicho;

[J]

De aquí se aprecia que la energía disipada es proporcional a la diferencia de

velocidades entre los cuerpos y no depende del par aplicado.

4. Calentamiento y enfriamiento

La ecuación diferencial del calentamiento y enfriamiento hasta una temperatura de

equilibrio se expresan respectivamente;

[Calentamiento]; [enfriamiento]

Cuyas soluciones son:

Calentamiento:

RODRIGOsnm

5

Enfriamiento:

Donde Ta es la temperatura inicial del cuerpo caliente y To la temperatura ambiente.

ACOPLAMIENTOS

Un acoplamiento es un dispositivo cuyo objetivo es conectar dos ejes para transmitir

potencia. Se distinguen tres clases de acoplamientos: rígidos, semiflexibles y flexibles.

o Acoplamientos rígidos: se diseñan para que en la unión de los ejes no exista

movimiento relativo entre los mismos. Un ejemplo típico de estos son las

bridas. En estas el par torsional se transmite desde el eje impulsor a los

elementos de sujeción y de estos al eje impulsado por lo tanto se diseñan los

bulones de acuerdo al par a transmitir.

o Acoplamiento flexible: permiten transmitir un par torsional uniforme y al

mismo tiempo absorber ciertas desalineaciones axiales, radiales y angulares.

Estos pueden tener un inserto de neopreno, poliuretano, una reja flexible de

acero, elastómeros, cadenas, entre otros.

o Acoplamiento hidráulico: permite la transmisión a través de dos ruedas

alabeadas con un fluido hidráulico como intermediario. Una de las ruedas

alabeadas, la rueda bomba, gira solidaria al eje motriz, de manera que

transforma la energía mecánica de rotación del eje en energía cinética del

fluido, el cual impulsa a la rueda turbina en el eje de salida, obteniéndose así,

el par de salida. El par se mantiene constante, la perdida se presenta en una

caída de aproximadamente 3% en la velocidad, lo que se traduce en pérdida de

potencia que se va en calor absorbido por el fluido. La ventaja de este tipo de

acoplamientos es que permite arranque progresivo y una separación mecánica

entre ambos ejes de manera que suaviza los efectos de bloqueo o sobrecarga.