INSTITUTO TECNOLGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

TEMA:

UNIDAD 5. FRENOS Y EMBRAGUES

MATERIA:

- DISEO MECNICO II -

DOCENTE:

ING. GILBERTO DAMIN LPEZ

P R E S E N T A:

Agustn German Jos Alberto

COATZACOALCOS., VERACRUZ.

DICIEMBRE DE 2014

UNIDAD 5. EMBRAGUES Y FRENOS

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 mencionaran 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.

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 rotacin 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 mecnico o trmico y el rgano de utilizacin,

a fin de poder parar este ltimo sin que deje de funcionar el motor.

Freno: Se llama freno a todo dispositivo capaz de modificar el estado de

movimiento de un sistema mecnico mediante friccin, pudiendo incluso detenerlo

completamente, absorbiendo la energa cintica de sus componentes y

transformndola en energa trmica. El freno est 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 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.

5.1. FRENOS 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.

Partes del freno de tambor:

Tambor del freno

Zapata

Resortes de retorno de las zapatas

Plato de anclaje

Cable de ajuste

Pistn hidrulico

5.1.1. ZAPATA INTERNA

Zapatas de freno estn hechos tpicamente de dos piezas de chapa de acero

soldadas entre s. El material de friccin 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 sujecin, acoplamiento de freno de mano y componentes de

auto-ajuste. Toda la fuerza de aplicacin del cilindro de rueda se aplica a travs de

la web a la mesa de la guarnicin y el forro del freno. El borde de la mesa de

guarnicin generalmente tiene tres muescas o pestaas 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 vehculo 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 inspeccin

detallada de cualquier variacin es importante.

Los forros deben ser resistentes contra el calor y el desgaste y tienen un alto

coeficiente de friccin no afectado por las fluctuaciones de temperatura y

humedad. Los materiales que componen la zapata de freno incluyen,

modificadores de la friccin, metal en polvo, tales como metales plomo, zinc, latn,

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 estn 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 friccin con el tambor.

Los forros de freno se unen a la zapata metlica 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

amortiguacin de vibraciones y, como consecuencia, disminuyen los ruidos que

stas 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 rgidamente montada sobre una palanca articulada.

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.

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 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.

Frenos de disco cerrado

El disco se aloja se aloja en un crter solidario a la rueda. El apriete se efecta

sobre varios sectores regularmente repartidos sobre la periferia, el frenado se

obtiene por la separacin de dos discos, cada uno de los cuales se aplica contra la

cara interna correspondiente del crter giratorio.

Freno de disco exterior

El disco es solidario del rbol o de la rueda. El apriete se efecta mediante un

sector limitado y rodeado por unos estribos, en el interior de los cuales se

desplazan unos topes de friccin.

El frenado con discos se puede realizar mediante:

1) Discos: Inicialmente fueron de acero, ahora suelen ser de fundicin.

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 conservacin.

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 ventilacin.

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 CENTRFUGOS.

Consiste en un cierto nmero de zapatas, distribuidas simtricamente, en

capacidad de deslizar radialmente a lo largo de guas solidarias al eje conductor, y

as 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

magntico. Esto permite que el compresor cierre mientras el motor esta

encendido. Cuando la corriente fluye a travs de un anillo magntico, 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 friccin que provoca el rozamiento, este

sistema es utilizado en varios modelos de automviles nuevos.

Como un embrague es un implemento de rozamiento que permite la conexin y

la desconexin de ejes. El diseo de los embragues y los frenos es comparable en

muchos aspectos. Esto se ilustra bien mediante un embrague de mltiples discos,

el cual se usa tambin como freno. Un problema de diseo ms evidente en el

diseo de frenos comparado con del diseo de embragues es el de la generacin

y la disipacin del calor. En el anlisis de un embrague es muy frecuente imaginar

que las partes no se mueven entre s, aun cuando no se debe pasar por alto el

hecho que la transmisin de potencia por rozamiento generalmente envuelve

algn deslizamiento. Por esta razn, cuando se necesita tener transmisin positiva

de potencia debe apelarse a un implemento positivo tal como un embrague de

mandbulas.

5.4. EMBRAGUES Y FRENOS DE PARTCULAS MAGNTICAS, CORRIENTES

PARSITAS Y DE HISTRESIS.

Son de varios tipos.

Embragues y frenos de partculas

magnticas. No tienen un contacto de friccin

directo entre disco y carcasa. El espacio entre

superficies est 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 carcasa.

Embragues y frenos de histresis

magntica. No tiene un contacto mecnico entre

los elementos en rotacin. El rotor que tambin se

conoce como taza de arrastre, es arrastrado por el

campo magntico establecido por la bobina de

campo (o imn permanente).

Embragues de

corrientes parsitas. Son similares en

construccin a los dispositivos de histresis, en

el hecho que no tienen un contacto mecnico

entre rotor y polos. La bobina establece

corrientes parsitas, que acoplan de manera

magntica 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 combustin interna o un motor elctrico, a una

carga accionada giratoria. El convertidor de par normalmente toma el lugar de un

embrague mecnico en un vehculo con una transmisin automtica, lo que

permite que la carga se separe de la fuente de alimentacin. Por lo general se

encuentra entre placa flexible del motor y la transmisin.

En un convertidor, como hemos visto arriba hay un mnimo de tres elementos

rotativos: la bomba, que es accionada mecnicamente 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 direccin del flujo de aceite de retorno a los

labes 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 est en reposo porque el automvil

est detenido y su inercia se opone al movimiento. Durante esta etapa se produce

la mayor amplificacin del torque. El fluido que llena el convertidor no gira, es solo

bombeado a la turbina para hacerla girar y retorna con gran velocidad.

Aceleracin: el automvil va ganado en velocidad, pero todava hay una

diferencia relativamente grande de velocidad de giro entre la bomba y la

turbina. Bajo esta condicin, el convertidor produce una alta amplificacin del par,

pero menor que en las condiciones de arranque. El ndice de

multiplicacin depender de la diferencia real entre las velocidades de giro de

ambas piezas, as como otros factores de diseo.

Acoplamiento: la turbina ha acelerado y gira a una velocidad muy prxima a la de

la bomba. La amplificacin del par casi es inexistente y el convertidor de par se

est comportando de una manera similar a un embrague hidrulico.

5.6. MATERIALES DE FRICCIN.

Algunos Frenos y Embragues trabajan con friccin, los dos materiales que

estn en contacto deben tener un alto coeficiente de friccin.

Este parmetro es usado en todos los clculos de diseo, y debe tener un valor

Fijo. Los materiales deben ser resistentes a la intemperie as como a la humedad y

las altas temperaturas. Una caracterstica calorfica excelente debe ser cuando se

convierte satisfactoriamente la energa mecnica en calor en el embrague o freno.

Esto significa que la alta capacidad de calor y las propiedades trmicas son

proporcionales a las altas temperaturas. Los materiales deben ser resistentes en

general y tener una alta dureza.

ltimamente se han optado por materiales de carbono, o con alto contenido del

mismo, actualmente tambin existen materiales con incrustaciones de asbesto que

mejora las propiedades trmicas de los frenos y embragues, tambin se ha optado

por materiales de aleacin como el tungsteno y el vanadio aunque son muy caros

por eso las aleaciones con alto contenido de carbono son la ms viables.

Algunos de los materiales tpicamente usados en la fabricacin de frenos y

embragues se listan en la tabla siguiente, mostrando los coeficientes de friccin,

las temperaturas mximas y las presiones mximas en KPa. En la columna de

lado izquierdo muestra 2 materiales los cuales estn sometidos a contacto.

5.7. CONSIDERACIONES DE ENERGA, FRICCIN Y TEMPERATURA.

Cuando se detienen los elementos rotatorios de una mquina con un freno,

este debe absorber la energa cintica de rotacin, lo que implica la generacin de

calor que se pierde. De la misma manera, durante el deslizamiento, el embrague

absorbe energa en forma de calor.

En estas circunstancias la capacidad de un embrague (o de un freno) est limitada

por:

- La capacidad del material de friccin

- La capacidad de disipacin del calor. Si no hay buena disipacin el material

evidentemente se recalentar

Para tener una idea de lo que ocurre en el proceso de frenado o embragado

por friccin, se considerar un modelo tal como el que se ve en la Figura 8.3. Se

aplicar 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 segn el caso).

Figura 8.3. Esquema de un embrague o freno de platillos

A un lado y otro de la superficie de contacto se cumplir (en ausencia de

deslizamiento y efectos de amortiguamiento viscoso).