Introduccin

Los frenos y embragues constituyen una parte fundamental del diseo de

elementos de mquinas, actualmente es comn ver estos dispositivos

principalmente en cualquier tipo de automviles, incluso su simple mencin

est relacionada con ellos.

Sin embargo, cabe mencionar que a pesar de la enorme aplicacin que

tienen en la industria automotriz, los frenos y los embragues son tambin

componentes fundamentales en partes de mquinas herramientas,

mecanismos mviles, aparatos elevadores, turbinas, etc. En este trabajo de

investigacin se mencionarn los tipos de frenos y embragues en la

actualidad, as como lo ms reciente en diseo y la tecnologa de materiales

en la fabricacin de estos.

FRENOS Son elementos de mquinas que absorben energa cintica o potencial en el proceso de

detener una pieza que se mueve o de reducirse la velocidad. La energa absorbida se disipa en

forma de calor. La capacidad de un freno depende de la presin unitaria entre las superficies

de energa que est siendo absorbida. El freno est revestido con un material resistente al

calor que no se desgasta con facilidad, no se alisa y no se vuelve resbaladizo.

El comportamiento de un freno es anlogo al de un embrague, con la diferencia que un

embrague conecta una parte mvil con otra parte mvil, mientras que el freno conecta una

parte mvil con una estructura.

Los frenos y embragues estn completamente relacionados ya que ambos utilizan la friccin

como medio de funcionamiento, en teora existen clculos y normas con las que se pueden

disear y dar mantenimiento a estos dispositivos. Sin embargo en la prctica es difcil prevenir

su comportamiento, ya que existen innumerables factores que actan 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 tecnologa 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.

SISTEMAS DE FRENOS Cuando se presiona el pedal de freno, se transmite una fuerza desde el pie hasta los frenos. En

la actualidad la fuerza 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 Mecnica (palanca)

Incremento de fuerza Multiplicacin de fuerza hidrulica.

Sistema Bsico de Frenos

Para que se pueda frenar es necesario pisar el pedal de los frenos. Este, mediante el principio de palanca acciona una bomba de frenos, tcnicamente conocida como cilindro maestro. El cilindro maestro enva el fluido conocido como liga de frenos, desde su depsito hasta cada una de las ruedas. Por razones de seguridad, existen dos lneas o circuitos que distribuyen la liga a las ruedas. Por eso se llaman frenos de doble circuito.

PRINCIPALES TIPOS DE FRENOS FRENO DE TAMBOR Estos dispositivos estn 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 til, recubierta de un material de friccin, calza perfectamente sobre el

tambor. Una vez ms, al forzarse el contacto entre zapata y tambor, las fuerzas de friccin

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 fundicin

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 friccin 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 ms pesados que los

frenos de disco pueden producir efectos negativos en la direccin del vehculo. S se utilizan

con frecuencia en el eje posterior de muchos vehculos, combinados con discos delanteros.

FRENO DE DISCOS Se componen de un disco montado sobre el cubo de la rueda, y una mordaza colocada en la

parte externa con pastillas de friccin en su interior, de forma que, al aplicar los frenos, las

pastillas presionan ambas caras del disco a causa de la presin 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 tambin

existen mordazas mviles, 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

accin de los pistones, colocados slo a un lado, desplaza tanto la mordaza como la pastilla.

Son ms ligeros que los frenos de tambor y disipan mejor el calor, pues los discos pueden ser

ventilados, bien formados por dos discos unidos entre s dejando en su interior tabiques de

refrigeracin, bien con taladros transversales o incluso ambas cosas.

La imagen muestra un freno de disco el cual funciona a base de friccin por lo que su

fabricacin debe ser de alta calidad y los materiales deben tener determinadas caractersticas

lo que ms adelante se analizara

Este sistema de frenado tiene las siguientes ventajas:

1. No se cristalizan, ya que se enfran rpidamente. 2. Cuando el rotor se calienta y se dilata, se hace ms grueso, aumentando la presin contra las pastillas.

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

Por otra parte, las desventajas de los frenos de disco, comparados con los de tambor, son que

no tienen la llamada accin de servo o de aumento de potencia, y sus pastillas son ms

pequeas que las zapatas de los frenos de tambor, y se gastan ms pronto.

FRENO DE CINTA Posiblemente el dispositivo de freno ms sencillo de concebir es el llamado freno de cinta o

freno de banda, el cual consiste fundamentalmente de una cinta flexible, estacionaria, que se

tensa alrededor de un cilindro solidario al eje cuya velocidad se pretende modificar, la friccin

existente entre la cinta y el tambor es responsable de la accin del frenado.

Se usa en las mquinas de vapor, en los vehculos a motor y en algunos tipos de bicicletas, pero

sobre todo en aparatos elevadores como gras.

FRENOS HIDRAULICOS El sistema de frenos hidrulicos usado en el automvil es un sistema de mltiple sesin de

pistones. Ya que este sistema permite que se transmitan fuerzas hacia dos o ms pistones.

El sistema de frenado hidrulico desde el cilindro maestro hasta los cilindros de las llantas en la

mayora de los automviles.

Cuando el pedal del freno es accionado, la presin del pedal de freno mueve el pistn dentro

del cilindro maestro, forzando el fluido del freno desde el cilindro maestro por medio del tubo

y la manguera flexible del cilindro de las llantas. El cilindro de las llantas contiene dos pistones

colocados de forma opuesta y desconectados, cada uno de ellos sostiene la zapata de frenado

ajustada dentro del tambor. Cada uno de los pistones presiona la zapata contra la pared del

tambor provocando el frenado de la rotacin de la llanta. Cuando la presin en el pedal es

liberada, el resorte en la zapata de frenado regresa los pistones en los cilindros de las llantas a

su posicin liberada. Esta accin fuerza el desplazamiento del lquido de frenos de vuelta por

medio de la manguera al cilindro maestro. La fuerza aplicada en el pedal de frenado produce

una fuerza proporcional en cada uno de los pistones de salida los cuales aplican la fuerza sobre

las zapatas friccionantes contra el giro de la llanta retardando la rotacin.

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 rgidamente montada sobre una palanca articulada, como muestra la figura 1, o

puede estar articulada a la palanca, como muestra la figura 2

El diseo de un FRENO DE BLOQUE sencillo se puede hacer con base en el anlisis de fuerzas y momentos de la palanca y de la zapata, a manera de un cuerpo libre, se puede suponer que la

fuerza normal N y la fuerza de rozamiento fN actan en el punto medio de contacto de la

zapata, sin cometer un error apreciable, para ngulos menores de 60. Sumando momentos

alrededor de la articulacin fija.

LOS FRENOS DE ZAPATA DOBLE se utilizan comnmente 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 acta sobre la zapata izquierda no es

necesariamente igual a la fuerza normal NR que acta sobre la zapata derecha. Para frenos de

doble bloque, cuyas zapatas tengan ngulos de contacto pequeos, digamos que menos de

60, el momento de frenado puede aproximarse por si el ngulo de contacto de la zapata es

mayor a 60, se requiere una evaluacin ms precisa del momento de frenado para las zapatas

articuladas.

EMBRAGUES

Un Embrague es un sistema que permite controlar el acoplamiento mecnico entre el motor y la caja de cambios. El embrague permite que se puedan insertar las diferentes marchas o

interrumpir la transmisin entre el motor y las ruedas. Los embragues utilizados en los

automviles son por friccin entre un disco solidario con la caja de cambios y de una maza

solidaria al cigeal del motor. El disco se coloca entre la maza y el volante de inercia y el

presionado por un resorte llamado diafragma. Cuando el embrague est sin accionar (motor

embragado) el disco tiene un gran rozamiento con la maza y transmite toda la fuerza generada

en el motor. Cuando se acciona el embrague (motor desembragado) el diafragma es

comprimido por el conductor y el disco queda suelto, siendo incapaz de transmitir la fuerza del

motor a la caja de cambios.

Segn la posicin del pedal del embrague se puede conseguir un acoplamiento total (pedal

suelto) o acoplamientos parciales (pedal a medio pisar) que nos permiten variar la fuerza

transmitida por el motor a la transmisin.

El embrague transmite la potencia del motor a la transmisin manual mediante su

acoplamiento o desacoplamiento. Tambin, hace la salida ms suave, hace posible detener el

vehculo sin parar el motor y facilita las operaciones del mismo. Un mecanismo de embrague

tiene que ser resistente, rpido y seguro. Resistente debido a que por l pasa todo el par

motor. Rpido y seguro para poder aprovechar al mximo dicho par, en todo el abanico de

revoluciones del motor.

Existen diversos tipos de embrague, aunque todos ellos pueden agruparse es tres grandes

grupos. Los de friccin basan su funcionamiento en la adherencia de dos piezas, cuyo efecto produce una unin entre ellas y equivalen a una sola. Tambin estn los hidrulicos, cuyo elemento de unin es el aceite. Y por ltimo los embragues electromagnticos, que son los que menos se utilizan, que basan su funcionamiento en la accin de los campos magnticos.

EL EMBRAGUE DE FRICCIN. El embrague de friccin est formado por una parte motriz (volante motor), que transmite el

giro a la parte conducida, usando el efecto de adherencia de ambos componentes, a los cuales

se les aplica una fuerte presin que los acopla fuertemente.

El eje primario de la caja de velocidades se apoya en el volante de inercia del motor por medio

de un casquillo de bronce. Sobre este eje se monta el disco de embrague que es aplicado

fuertemente contra el volante motor por el palto de presin, tambin conocido como maza de

embrague. La masa de embrague es empujada por los muelles que van repartidos por toda su

superficie. Al pisar el conductor el pedal de embrague, un mecanismo de palanca articulada

desplaza el cojinete de embrague que mueve unas patillas que, basculando sobre su eje, tiran

de la maza de embrague que libera al disco impidiendo que el motor le transmita movimiento,

haciendo que tampoco llegue a la caja de velocidades aunque el motor est en

funcionamiento.

Como el disco de embrague debe transmitir a la caja de cambios y a las ruedas todo el esfuerzo

de rotacin del motor sin que se produzcan resbalamientos. Se intuye que sus forros deban de

ser de un material que se adhiera fcilmente a las superficies metlicas y que sea muy

resistente al desgaste y al calor. El ms empleado es el formado en base de amianto

impregnado de resina sinttica y prensado en armazn de hilos de cobre, a este material se le

llama ferodo. Los forros de ferodo se sujetan al disco mediante remaches, cuyas cabezas

quedan incrustadas en el mismo ferodo por medio de avellanados practicados en l, ya que si

rozasen con el volante motor y con el plato de presin, podran daarlos.

El dimensionado del disco de embrague es un factor primordial que va en funcin del par a

transmitir y del esfuerzo resistente, es decir, del peso del vehculo en cuestin. En este

dimensionado se mencionan los valores del dimetro exterior y del espesor del conjunto de

guarniciones.

EL EMBRAGUE HIDRULICO El embrague hidrulico que ms tarde evolucionara llamndose convertidor de par, acta

como embrague automtico entre el motor y la caja de cambios que, en estos casos, suele ser

automtica o semiautomtica. Dicho embrague permite que el motor gire al ralent (en vaco) y

adems transmite el par motor cuando el conductor acelera.

Est fundado en la transmisin de energa que una bomba centrfuga comunica a una turbina

por mediacin de un lquido que generalmente es aceite mineral.

Para comprender bien este principio se puede poner el ejemplo de dos ventiladores (figura

inferior) colocados uno frente al otro. El ventilador (1), conectado a la red, mueve el aire y lo

proyecta como impulsor o bomba sobre el otro ventilador (2) que est sin conectar; ste

ltimo, al recibir el aire, se pone a girar como una turbina.

Constitucin del embrague hidrulico Est constituido, como puede verse en la figura inferior, por dos coronas giratorias (bomba y

turbina) que tienen forma de semitoroide geomtrico y estn provistas de unos tabiques

planos , llamados alabes. Una de ellas, llamada rotor conductor, va unida al rbol motor por

medio de tornillos y constituye la bomba centrfuga; la otra, unida al primario de la caja de

cambios con giro libre en el volante, constituye la turbina o corona arrastrada.

Ambas coronas van alojadas en una carcasa estanca y estn separadas por un pequeo espacio

para que no se produzca rozamiento entre ellas

Funcionamiento Cuando el motor gira, el aceite contenido en la carcasa es impulsado por la bomba,

proyectndose por su periferia hacia la turbina, en cuyos alabes incide paralelamente al eje.

Dicho aceite es arrastrado por la propia rotacin de la bomba o rotor conductor, formndose

as un torbellino trico.

La energa cintica del aceite que choca contra los alabes de la turbina, produce en ella una

fuerza que tiende a hacerla girar. Cuando el motor gira a ralent, la energa cintica del aceite

es pequea y la fuerza transmitida a la turbina es insuficiente para vencer el par resistente. En

estas condiciones, hay un resbalamiento total entre bomba y turbina con lo que la turbina

permanece inmvil. El aceite resbala por los alabes de la turbina y es devuelto desde el centro

de sta al centro de la bomba, en donde es impulsado nuevamente a la periferia para seguir el

ciclo.

A medida que aumentan las revoluciones del motor, el torbellino de aceite se va haciendo ms

consistente, incidiendo con ms fuerza sobre los alabes de la turbina. Esta accin vence al par

resistente y hace girar la turbina, mientras se verifica un resbalamiento de aceite entre bomba

y turbina que supone el acoplamiento progresivo del embrague.

Cuando el motor gira rpidamente desarrollando su par mximo, el aceite es impulsado con

gran fuerza en la turbina y sta es arrastrada a gran velocidad sin que exista apenas

resbalamiento entre ambas (ste suele ser de un 2 % aproximadamente con par de

transmisin mximo). El par motor se transmite ntegro a la transmisin de embrague,

cualquiera que sea el par resistente y, de esta forma, aunque se acelere rpidamente desde

ralent, el movimiento del vehculo se produce progresivamente, existiendo un resbalamiento

que disminuye a medida que la fuerza cintica va venciendo al par resistente.

Al subir una pendiente, la velocidad del vehculo disminuye por aumentar el par resistente,

pero el motor contina desarrollando su par mximo a costa de un mayor resbalamiento, con

lo que se puede mantener ms tiempo la directa sin peligro de que el motor se cale.

Embrague electromagntico El sistema de embrague electromagntico est constituido por una corona de acero que se

monta sobre el volante de inercia del motor. En el interior de esta corona va alojada una

bobina, que al pasar la corriente elctrica a travs de ella produce un campo magntico en la

zona del entrehierro formado entre la corona y el disco de acero.

Dicho disco va montado en el primario de la caja de cambios por medio de un estriado,

sustituyendo al disco de embrague convencional. El espacio existente en el interior de la

corona se cierra con chapas de acero, y se rellena con polvo magntico, que se aglomera en el

entrehierro por la accin del campo magntico creado por la bobina, haciendo solidarios a la

corona con el disco. De esta forma, cuando pasa corriente por el arrollamiento de la bobina se

produce la aglomeracin del polvo magntico consiguiendo el embragado del motor. Por el

contrario, si no pasa corriente por la bobina el polvo magntico no se aglomera en el

entrehierro, lo que permite girar en vaco a la corona sin arrastrar el disco. Con lo cual el motor

permanece desembragado.

En el instante en que comienza a pasar corriente por la bobina se inicia la aglomeracin del

polvo magntico, que tarda un cierto tiempo en completarse, adems del retardo a la

aparicin del flujo magntico que se produce en todas las bobinas. Este efecto consigue que el

embrague sea progresivo.