Frenos y Embragues

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    30-Nov-2015
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  • FRENOS Y EMBRAGUES

  • INTRODUCCINLos frenos y embragues constituyen una parte fundamental del diseo de elementos de mquinas, es comn ver estos dispositivos en cualquier tipo de automviles. Son tambin componentes fundamentales en mquinas-herramientas, mecanismos mviles, aparatos elevadores, turbinas, etc.

  • Freno: Un freno es un dispositivo que se usa para llevar al reposo un sistema en movimiento, para bajar su velocidad o para controlar su velocidad hasta un cierto valor en condiciones cambiantes. Embrague: Son acoplamientos temporales, utilizados para solidarizar dos piezas que se encuentran en ejes coaxiales, para transmitir a una de ellas el movimiento de rotacin de la otra a voluntad.

  • CLASIFICACIN DE FRENOS Y EMBRAGUES [1]

  • EMBRAGUES Y FRENOS DE FRICCINSon los de uso comn. Dos o ms superficies son oprimidas entre s mediante una fuerza perpendicular o normal, para crear un par de torsin por friccin.

  • FRENOS DE TAMBOR CON BANDASon posiblemente el dispositivo de frenado ms sencillo de concebir. Se utilizan en aparatos elevadores, mquinas excavadoras, en montacargas y otra maquinaria.Figura 1. Freno de banda Una de las desventajas que tiene este tipo de freno es el momento flector que produce en el eje.

  • FRENO DE TAMBOR CON ZAPATAS INTERNAS EXPANSIBLESEstos dispositivos estn constituidos por una zapata, la cual esta recubierta de un material de friccin que calza perfectamente sobre el tambor y es empujada por un cilindro contra el tambor para crear el par de torsin por friccin.Se utilizan en automviles, maquinaria textil, excavadoras y mquinas herramientas.

    Transmiten un torque elevado, a un a bajas velocidades y requieren fuerzas de conexin y desconexin intensas.Figura 2. Freno de zapatas internas expansibles

  • DISEO DE FRENOS Y EMBRAGUES DE FRICCIN Estimar o determinar la distribucin de la presin sobre las superficies de friccin.

    Hallar una relacin entre la presin mxima y la presin en un punto cualquiera.

    Aplicar condiciones de equilibrio esttico para determinar la fuerza, el torque y las reacciones en los apoyos.En el anlisis de todos los tipos de frenos y embragues de friccin se emplea el mismo procedimiento general:

  • FRENO DE CINTAFigura 3. Geometra y fuerzas que actan 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:De las ecuaciones anteriores se deduce:Sustituyendo el valor de dN e integrando se tiene:

  • Expresin para el par de frenado:La presin que acta sobre la cinta, p, puede deducirse del supuesto que sobre el diferencial de longitud rd y ancho b acta una fuerza dN:Por lo tanto:De la ecuacin anterior se deduce directamente que el punto en el que la presin es mxima es:

  • MN Momento de la fuerza normal. Mf Momento de la fuerza de friccin.De acuerdo con el paso 1, se supone que la presin en cualquier punto es proporcional a la distancia vertical desde el pasador, por lo tanto se tiene:Figura 4. Geometra y fuerzas que actan en un freno de tambor con zapata interna expansible [1]. FRENO DE TAMBOR CON ZAPATA INTERNA

  • FRENO DE DISCOVentajas:

    Cuando el disco se calienta y se dilata, se hace ms grueso, aumentando la presin contra las pastillas.

    Tiene un mejor frenado en condiciones adversas, cuando el rotor desecha agua y el polvo por accin centrfuga.

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

    Desventajas:

    No poseen la accin autoenergizante.Las pastillas son mas pequeas y se desgastan mas rpido que las de los frenos de tambor.Figura 5. Freno de disco.

  • EMBRAGUE CNICOEMBRAGUE DE DISCOEl embrague cnico es uno de los tipos de embrague ms antiguo, tan slo se emplea en aplicaciones sencillas, es simple y eficaz.En muchas aplicaciones los embragues de disco han desplazado a los cnicos, debido a que presentan una gran superficie de friccin en un espacio reducido, adems la superficie disipadora de calor es ms efectiva. Figura 6. Embrague de cnico.Figura 7. Embrague de disco.Una desventaja que presenta es que tiende a bloquearse.

  • DISEODistribucin de presin uniforme (embrague nuevo).

    Desgaste uniforme (embrague usado).Para hallar una relacin entre la fuerza de trabajo F y el momento de torsin transmitido, dos hiptesis son posibles segn se considere el embrague nuevo o usado:

  • Con el embrague nuevo supondremos una distribucin uniforme de la presin en el disco.T Torque transmitido.La hiptesis de desgaste uniforme supone: pm Presin de contacto mxima.Figura 8. Esquema de disco de embrague.EMBRAGUE DE DISCO

  • EMBRAGUE CNICOModelo de distribucin de presin uniforme: Se supone que: Integrando la presin en la superficie de contacto se puede obtener la fuerza F:De igual forma puede deducirse el momento de torsin transmitido en funcin de pm :Figura 9. Esquema de un embrague cnico.

  • Modelo de desgaste uniforme:En esta hiptesis se supone que el desgaste en la direccin del eje de rotacin es constante, = constante.Para que el desgaste sea uniforme se tiene que cumplir que:Conocida la distribucin de presiones se puede calcular la fuerza F y el torque transmitido, T:Figura 10. Desgaste radial y axial de un embrague cnico.

  • CONSIDERACIONES ENERGETICAS Expresando la ecuacin de movimiento para la inercia 1 y 2 se tiene:Tiempo total para la operacin de embragado.Energa total disipada.Velocidad relativa.Rapidez o intensidad de disipacin de calor.Figura 11. Representacin dinmica de un embrague o freno.

  • MATERIALES DE FRICCIN Coeficiente de friccin alto y uniforme.

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

    Buena conductividad trmica y capacidad de resistir altas temperaturas.

    Alta resistencia al desgaste, rayado y raspadura.Las propiedades de un material de friccin para freno o embrague deben ser las siguientes:

  • Tabla 1. Materiales de friccin para embragues.Tabla 2. Algunas propiedades de revestimientos para frenos.

  • EMBRAGUES DE CONTACTO POSITIVOFigura 12. Embrague de quijadas cuadradas.Figura 13. Embrague de dientes de sierra.Entre sus caractersticas se distinguen:No tienen deslizamiento.

    Transmiten grandes torques.

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

    Su conexin es ruidosa.Estos embragues se acoplan mediante interferencia mecnica, y este acoplamiento se obtiene con quijadas de forma cuadrada o de dientes de sierra, o con dientes de formas diversas.

  • EMBRAGUES UNIDIRECCIONALESOperan automticamente con base en la velocidad relativa entre los dos elementos. Actan sobre la circunferencia y permiten la rotacin relativa slo en una direccin. AplicacionesSon utilizados en gras para impedir que la carga se caiga si, por ejemplo, se interrumpe la potencia en el eje.Otra aplicacin comn de estos embragues es la masa trasera de una bicicleta.Transportadores inclinados.Ventiladores.Bombas.Figura 14. Embrague de rampa y bolas.

  • Embrague de resorte Contiene un resorte enrollado con firmeza alrededor del eje. La rotacin en una direccin aprieta el resorte con ms fuerza sobre el eje, para transmitir el par de torsin. La rotacin contraria afloja ligeramente el resorte, lo que provoca que se deslice. Embrague de uasConsta de una pista interior y una exterior, el espacio entre las pistas est lleno con uas de forma rara, que permiten el movimiento en una sola direccin pero en la otra se traban y bloquean las pistas. Figura 15. Embrague de resorte [2]. Figura 16. Embrague de uas [3].

  • EMBRAGUES Y FRENOS MAGNTICOSEl espacio o entrehierro entre superficies esta lleno de un fino polvo ferroso. Al energizarse la bobina, las partculas de polvo forman cadenas a lo largo de las lneas de flujo del campo magntico, acoplando el disco a la carcaza, sin deslizamiento. Partculas magnticas Figura 17. Embrague de partculas magnticas [4].

  • Corrientes parsitas (o de eddy)Son similares a los dispositivos de histresis, en el hecho que no tienen un contacto mecnico entre rotor y polos. La bobina establece corrientes parsitas o de eddy, que acoplan de manera magntica el embrague.Figura 18. Embrague de corrientes de eddy.

  • Histresis magnticaNo tienen un contacto mecnico entre los elementos en rotacin y, por lo tanto, al desacoplarse tiene una friccin cero. El rotor es arrastrado (o frenado) por el campo magntico establecido por la bobina de campo. Figura 19. Embrague de histresis magntica [5].

  • Figura 20. Embrague de friccin de operacin magntica [4].

  • VENTAJAS DE LOS EMBRAGUES Y FRENOS MAGNTICOSPermiten un control preciso del torque.

    Respuesta rpida.

    Vida til bastante prolongada.

    Son silenciosos y suaves.AplicacinEstos dispositivos se utilizan para controlar el par de torsin en ejes, en aplicaciones como mquinas bobinadoras, donde deba aplicarse una fuerza constante a una trama o hilo de material, conforme se va embobinando.

  • REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFIANorton, Robert L., Diseo de maquinas , Mxico, Prentice Hall, 1999, [1].Formsprag Clutch, Overrunning Indexing Backstopping Clutches, Catalogo, Warren, MI 48089, EE.UU, [3].Warner Electric, Wrap Spring Clutches and Clutch/Brakes, Catalogo, South Beloit, IL., 61080, [2]. Warner Electric, Magnetic Particle Clutches and Brakes, Catalogo, South Beloit, IL., 61080, [4]. Magtrol, Hysteresis Brakes and Clutches, Catalogo, [5].

  • Bernard J., Bo Jacobson, Steven R., Elementos de maquinas, McGraw-Hill. Joseph E. Shigley, Diseo en ingeniera mecnica, 6 edicin, McGraw-Hill.