Diseño de máquinas: frenos y embragues

Industriales. Sistemas. Frenado. Clasificación. Tipos. Accionamiento

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UNIVERSIDAD CATÓLICA “ANDRÉS BELLO”

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

DISEÑO DE MÁQUINAS

FRENOS Y EMBRAGUES

Grupo Nº 2:

Caracas, 05 de diciembre del 2001

SISTEMA DE FRENOS

Se llama freno a todo dispositivo capaz de modificar el estado de movimiento de un sistema mecánico mediante fricción, pudiendo incluso detenerlo completamente, absorbiendo la energía cinética de sus componentes y transformándola en energía térmica. El freno esta revestido con un material resistente al calor que no se desgasta con facilidad, no se alisa y no se vuelve resbaladizo.

Diseño de máquinas: frenos y embragues

Figura Nº 1. Freno

CLASIFICACIÓN GENERAL

  • DE ADHERENCIA:
    1.1. CLÁSICOS

  • 1.1.1. El frenado con zapatas:

    Este dispositivo esta constituido por una zapata que se 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 útil, recubierta de un material de fricción, calza perfectamente sobre el tambor. Una vez más, al forzarse el contacto entre zapata y tambor, las fuerzas de fricción generadas por el deslizamiento entre ambas superficies producen el par de frenado.

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    Figura Nº 2. Freno de Zapata

    Tipos de 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 fundición

    b) Compuestas

    Algunas configuraciones frecuentes de los frenos de zapatas son las siguientes:

    • Frenos de zapatas de expansión interna (de tambor):

    Los frenos de tambor tienen dos zapatas semicirculares que presionan contra la superficie interna de un tambor metálico que gira con la rueda. Las zapatas están montadas en un plato de anclaje; este plato está sujeto en la funda del eje trasero en la suspensión para que no gire.

    Cuando el conductor pisa el pedal del freno, la presión hidráulica aumenta en el cilindro maestro y pasa a cada cilindro de rueda. Los cilindros de rueda empujan un extremo de cada zapata contra el tambor, y un pivote, llamado ancla, soporta el otro extremo de la zapata.

    En el ancla, generalmente hay un ajustador de freno. Cuando las balatas, que van unidas a las zapatas, se desgastan, hay que acercar más las zapatas al tambor con un ajustador de rosca para mantener la máxima fuerza de frenado. En algunos automóviles se debe hacer un ajuste manual a intervalos de 5,000 a 10,000 kilómetros.

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    Figura Nº 3. Freno de Tambor


    1.1.2. El frenado con discos:

    El freno de disco consiste en un disco de hierro fundido o rotor que gira con la rueda, y una pinza o mordaza (caliper) montada en la suspensión delantera, que presiona las pastillas de fricción (balatas) contra el disco.

    La mayoría de los frenos de disco tienen pinzas corredizas. Se montan de modo que se puedan correr unos milímetros hacia ambos lados. Al pisar el pedal del freno, la presión hidráulica empuja un pistón dentro de la pinza y presiona una pastilla contra el rotor. Esta presión mueve toda la pinza en su montaje y jala también la otra pastilla contra el rotor.

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    Figura Nº 4. Freno de Disco

    Este sistema de frenado tiene las siguientes ventajas:

    1. No se cristalizan, ya que se enfrían rápidamente.

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

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

    Por otra parte, las desventajas de los frenos de disco, comparados con los de tambor, son que no tienen la llamada acción de servo o de aumento de potencia, y sus pastillas son más pequeñas que las zapatas de los frenos de tambor, y se gastan más pronto.

    Algunas configuraciones frecuentes de los frenos de disco son las siguientes:

    • Frenos de disco cerrado:

    El disco se aloja se aloja en un cárter solidario a la rueda. El apriete se efectúa sobre varios sectores regularmente repartidos sobre la periferia, el frenado se obtiene por la separación de dos discos, cada uno de los cuales se aplica contra la cara interna correspondiente del cárter giratorio.

    • Freno de disco exterior:

    El disco es solidario del árbol o de la rueda. El apriete se efectúa mediante un sector limitado y rodeado por unos estribos, en el interior de los cuales se desplazan unos topes de fricción.

    El frenado con discos se puede realizar mediante:


    1) Discos: Inicialmente fueron de acero, ahora suelen ser de fundición.
    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 conservación.
      - 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 ventilación.
      - 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.

    1.1.3. El freno de cinta:

    Posiblemente el dispositivo de freno más 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 fricción existente entre la cinta y el tambor es responsable de la acción del frenado.

    Se usa en las máquinas de vapor, en los vehículos a motor y en algunos tipos de bicicletas, pero sobre todo en aparatos elevadores.

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    Figura Nº 5. Freno de Cinta

    1.2. MOTOR

    Dentro de los distintos frenos motores están:

    1.2.1. Electrodinámicos:

    Cuyo fundamento es hacer que el motor trabaje como generador. Sólo se aplican a ejes motores. Estos a su vez pueden ser:

    • Reostáticos:

    De gran aplicación en locomotoras eléctricas. Se basa en que la inercia del motor, una vez desconectado de la red, hace que éste siga girando, pasando a funcionar como generador y de este modo la energía mecánica acumulada se va disipando en unas resistencias en forma de energía eléctrica, creando a su vez las corrientes circulantes por los devanados un par contrario al de giro, que hace que disminuya la velocidad del motor hasta valores en que los frenos de fricción puedan actuar y detener la máquina.

    • De recuperación:

    Se basa en conseguir transformar la energía cinética del tren en energía eléctrica reenviándola a la red. Se suele aplicar en el caso de trenes de cercanías y con grandes pendientes.


    1.2.2. Hidráulicos:

    Comprende un rotor calado en el árbol de la máquina que se ensaya, y que gira, bañado en agua, en el interior de un estator solidario de una palanca cuyo extremo puede actuar sobre el platillo de una báscula o ser cargado con pesos. Al girar, el rotor expulsa el agua y tiende a arrastrar en su movimiento al estator proporcionalmente al par desarrollado. Se restablece el equilibrio cargando el brazo de palanca con ayuda de pesos, cuyo momento, con relación al eje del árbol, es igual al par motor buscado.

    2. SIN ADHERENCIA:

    Hay otros sistemas de frenado menos importantes tales como:

    2.1. Patín electromagnético frotante:

    Debido a su gran desgaste sólo se utiliza como freno de urgencia.


    2.2. Frenos de Foucault:

    Basado en crear corrientes parásitas que a su vez crean esfuerzos de frenado.


    2.3. Frenos aerodinámicos:

    En un avión en vuelo, disminuyen rápidamente la velocidad por un fuerte aumento de la resistencia al avance, dispuestos en las alas o a lo largo del fuselaje, están constituidos por elementos móviles, que se pueden levantar en el aumento deseado, se utilizan sobre todo durante los picados y en ciertas acrobacias.

    2.4. Frenos neumáticos:
    Su funcionamiento se basa en que el esfuerzo de frenado aplicado por las zapatas o discos proviene indirectamente del hecho de mover el pistón de un cilindro. Su esquema es el siguiente:

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    Figura Nº 6

    Según el tipo de frenado que se quiera hacer éste puede ser:

    1) Frenado continuo: el que realiza normalmente el maquinista o un viajero en caso de parada de emergencia.
    2) Frenado automático: el que ocurre si hay una avería en el propio sistema de frenado.
    3) Frenado de apriete y aflojamiento graduados: si se realiza de una forma escalonada.

    Tipos de frenos neumáticos:


    1- De aire comprimido.
    2- De vacío.
    3- Una combinación de los dos.

    • Frenado por aire comprimido:
      Figuras aclarativas de cómo funciona este tipo de frenado:

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    Figura Nº 7

    Diseño de máquinas: frenos y embragues
    Figura Nº 8

    Diseño de máquinas: frenos y embragues
    Figura Nº 9

    Figuras Nº 7, 8 y 9. Llave de mando del freno y sus diferentes posiciones

    Inconvenientes en este sistema de freno:

    - Retraso en el frenado de los vagones de cola.
    - Es difícil obtener aflojamientos graduados.

    Solución a estos inconvenientes:
    Utilizar un sistema mezcla del automático y directo:

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    Figura Nº 10

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    Figura Nº 11

    Dentro del frenado por aire comprimido hay que incluir también el freno de mano, indispensable para el estacionamiento del tren:


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    Figura Nº 12. Freno de mano en los vagones

    EL SISTEMA DE FRENOS Y EL CONSUMO DE COMBUSTIBLE

    El sistema de frenos juega un papel muy importante tanto en la seguridad como en el rendimiento de un automóvil por ejemplo unos frenos demasiado ajustados podrían provocar:

    • el sobrecalentamiento de las balatas

    • generar la cristalización de las mismas provocando una falta de frenado

    • calentamiento excesivo

    • daño a los sellos de los cilindros (“gomas”)

    • daño al neumático (generalmente en forma de pequeñas grietas “cuarteamiento de las caras”)

    • falla en los sellos de las ruedas (retenes) y por lo tanto fuga de aceite del diferencial o del transeje contaminando las balatas

    • reducción en la capacidad de frenado

    • sobre consumo de combustible (en un 10% o más).

    Es importante hacer revisiones frecuentes (una vez a la semana) para

    determinar si no hay fugas de líquido de frenos, estas fugas se pueden detectar porque generalmente se bajan los niveles de los depósitos del líquido de frenos.

    SISTEMAS DE ANTIBLOQUEO DE FRENOS (ABS)

    Un sistema de frenado antibloqueo (ABS) controla automáticamente la presión del liquido de frenos, evitando que las ruedas se bloqueen cuando se ejerce excesiva presión sobre el pedal, generalmente en situaciones de alto riesgo, optimizando de tal manera el funcionamiento del sistema y permitiendo al conductor, al mismo tiempo, mantener la estabilidad y control del vehículo.

    Las siglas que lo identifican provienen de su denominación en idioma ingles:

    Antilock Breaking System: Algunos autores españoles han castellanizado la acepción, denominándolos SFA (Sistema de Frenos Antibloqueo). Se lo suele calificar como sistema reactivo, pues funciona reaccionando frente a una o más ruedas bloqueadas.

    ¿ Por qué el sistema ABS es beneficioso?

    La primer ventaja a destacar es que los sistemas antibloqueo permiten que el automotor se detenga en distancias más cortas. Esto se explica porque al mejorar el contacto neumático-suelo, se mantiene un mayor coeficiente de rozamiento y, como consecuencia, se logra una mayor eficiencia de frenado.

    Sobre pavimento húmedo, el sistema permite que el agua drene por las estrías y no se forme la cuña de agua que caracteriza el hidroplano (acquaplanning).

    La segunda mejora, pero no menos importante, se pone de manifiesto cuando, en situaciones extremas, los conductores ejercen la máxima presión posible sobre el pedal de freno.

    En vehículos provistos de sistemas estándar de frenado, es común que durante una frenada de pánico, sobre pavimento seco, las ruedas delanteras se bloqueen. Cuando la calzada esta mojada o resbaladiza, ese riesgo aumenta significativamente, especialmente a velocidades altas o cuando el dibujo de los neumáticos se encuentra desgastado.

    Cuando esto ocurre, el conductor pierde el control del vehículo, que no responde al giro del volante y se desliza en la dirección y sentido que llevaba al iniciarse el bloqueo.

    Al evitar ese bloqueo, el sistema ABS permite que el conductor mantenga bajo control el direccionamiento del vehículo, al mismo tiempo que lo desacelera optimizando, de esa manera, la conducción en situaciones de riesgo.

    SISTEMA DE EMBRAGUES

    Son acoplamientos temporales, utilizados para solidarizar dos piezas que se encuentran en un mismo eje, para transmitir a una de ellas el movimiento de rotación 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 mecánico o térmico y el órgano de utilización, a fin de poder parar este último sin que deje de funcionar el motor.

    Un mecanismo de embrague tiene que ser resistente, rápido y seguro. Resistente debido a que por él pasa todo el par motor. Rápido y seguro para poder aprovechar al máximo dicho par, en todo el abanico de revoluciones del motor

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    Figura Nº 13. Embragues

    CLASIFICACIÓN GENERAL:

    1. Embragues dentados:

    Están caracterizados porque la conexión entre los ejes conductor y conducido se logran mediante dos miembros dentados que giran solidariamente con cada eje, de manera que los dientes de uno calcen en los huecos del otro.

    Existen dos tipos comunes de embragues de dientes, embragues de dientes cuadrados y de dientes en espiral, el segundo capaz de transmitir momento, y en consecuencia movimientos en dos sentidos, mientras que el primero en un solo sentido.

    Este tipo de embragues se pude observar en la siguiente figura, en la cual se presentan los diagramas de algunos embragues:

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    Figura Nº 14. Tipos de Embragues

    2. Embragues de fricción:

    Son aquellos caracterizados porque el mecanismo de transmisión de movimiento, y en consecuencia de potencia, se logra mediante el contacto entre dos superficies rugosas, una solidaria al eje conductor, la otra al conducido.

    Su diagrama se puede observar en la figura anterior (Figura Nº 14).

    Existen dos configuraciones comunes en los embragues de fricción, los embragues de disco y los cónicos, en el primero, las superficies de contacto entre los ejes a acoplarse corresponden a sendos anillos circulares y en el segundo, la acción de contacto entre los ejes conductor y conducido se logra a través de un par de superficies cónicas rugosas, esta disposición permite incrementar la fuerza normal entre las superficies de contacto, con el consiguiente aumento de la capacidad de transmisión de momento entre los ejes conductor y conducido.

    3. Embragues unidireccionales:

    Son aquellos embragues diseñados para transmitir movimiento, y consecuentemente potencia, cuando el eje conductor gira en un solo sentido. Al invertir el sentido de rotación del eje conductor, los ejes de la transmisión se comportan como si no estuvieran acoplados.

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    Figura Nº 15. Embrague unidireccional.

    4. Embragues centrífugos:

    Consiste en un cierto número de zapatas, distribuidas simétricamente, en capacidad de deslizar radialmente a lo largo de guías solidarias al eje conductor, y así de entrar en contacto con la cara interior de un tambor solidario al eje conducido.

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    Figura Nº 16. Embrague centrífugos

    5. Embragues automáticos:

    El automatismo de este tipo de embrague no radica en su principio de funcionamiento, sino en el sistema de mando, que es normalmente electromagnético o neumático.

    Dicho embrague se puede observar en la figura Nº 14 (tipos de embragues).

    6. Embrague neumático:

    Utiliza la depresión creada en el tubo de admisión del motor debida al descenso del pistón en el cilindro. Esta depresión se comunica a un cilindro adicional por mediación de una válvula solidaria del pedal del acelerador, cuando se levanta este último la válvula se abre y la depresión acciona el mando del embrague, realizando el desembrague.

    ACCIONAMIENTO DEL EMBRAGUE

    Veremos las diferentes posibilidades con las que el conductor puede pilotar el sistema de embrague. Debido a la evolución que actualmente están recibiendo los accionamientos del embrague, existen en el mercado diferentes formas, agrupadas básicamente en dos:

    1. Sistemas de embragues pilotados por un pedal

    Dentro de este tipo de accionamiento, nos encontramos con dos variantes básicamente:

    Accionamiento mecánico o Accionamiento hidráulico.

    • Accionamiento mecánico:

    Este mecanismo se basa en el accionamiento del sistema de embrague, mediante un cable de acero, unido por uno de sus extremos al pedal de embrague, y por el otro a una horquilla de embrague, unida ésta a su vez con el cojinete de embrague.


    Al pisar el pedal, el cable tira de la horquilla, aplicándole un esfuerzo capaz de desplazar al cojinete de embrague, deformando a su vez el diafragma del mecanismo de embrague, con el consiguiente desembragado del sistema. Al soltar el pedal, la fuerza de dicho diafragma, hace desplazar al cojinete en sentido contrario, y ésta a su vez al cable, con el consiguiente retorno del pedal de embrague a su estado de reposo.

    En el sistema de accionamiento del embrague por cable, encontramos básicamente dos variedades:

    Por una parte tenemos el sistema en el que el cojinete de embrague, en posición de reposo, está en constante contacto con el diafragma, o con las patillas de accionamiento, según proceda.

    Y por otra, está el sistema en el que el cojinete de embrague y el diafragma, en posición de reposo, tienen una separación denominada guarda. Esta separación, se obtiene gracias a un muelle situado en la horquilla del embrague. La separación guarda, es ajustable por el extremo del cable.

    En la actualidad, en los sistemas en los que el cojinete está siempre en contacto con el diafragma, para absorber de manera automática el juego entre el cojinete de embrague y el diafragma, existen dispositivos como cables auto-regulables, o pedales dotados de unas serretas que, a medida que se va gastando el disco, regulan la posición del cable.

    • Accionamiento hidráulico:

    En este sistema se utiliza, para desplazar al cojinete de embrague y en consecuencia al mecanismo de embrague, un cilindro emisor (o bomba), y un cilindro receptor (o bombín). Están comunicados entre si, a través de una tubería, el sistema funciona por medio del movimiento de unos émbolos situados dentro de los cilindros, dicho movimiento se efectúa a través de un líquido (el mismo que es utilizado en los sistemas de frenado).

    Cuando presionamos el pedal de embrague, este actúa directamente sobre el cilindro emisor, desplazando su émbolo, éste a su vez ejerce una presión sobre el líquido, que desplaza al émbolo del cilindro receptor.

    El cilindro receptor (o bombín), se comunica con el cojinete de embrague (en la mayoría de los casos), por medio de una horquilla. Esta está accionada por el cilindro receptor, por medio de un vástago, que permanece en contacto con el émbolo de dicho cilindro. Al desplazarse el émbolo por la fuerza del líquido, se desplaza el vástago y acciona la horquilla.

    Otra variedad con la que nos podemos encontrar es que el cilindro receptor y el cojinete de embrague, sean una misma pieza. Con lo que el desplazamiento axial del cojinete de embrague, es aplicado del cilindro receptor directamente a dicho cojinete. Los diámetros de los dos cilindros, (emisor y receptor) son diferentes, por lo que la fuerza ejercida por el conductor sobre el pedal de embrague (aplicada directamente sobre el cilindro emisor), se multiplica, permitiendo al conductor un esfuerzo menos para el desembragado.

    2. Mecanismos de embrague pilotados electrónicamente

    El otro medio por el cual el conductor pilota el mecanismo de embrague, aunque esta vez sin la existencia del pedal de embrague. En este mecanismo el mando del sistema, está encomendado a un sistema electrónico de gestión accionado por la electrónica o la hidráulica.

    • Embragues electromagnéticos:

    Están formados por un elemento conductor fijado al volante de inercia en el que se encuentra polvo metálico, un elemento conducido ensamblado sobre el primario de la caja de cambios con una bobina que es alimentada a través de unas escobillas y un calculador electrónico, que recibe información de la posición de la palanca de cambios, del régimen del motor, de la velocidad del vehículo, y de la posición del pedal del acelerador. El embrague es gestionado por corrientes de intensidad variable.

    En otras ocasiones, el calculador es gestionado por un grupo hidráulico el cual proporciona, mediante un cilindro receptor, la fuerza necesaria para desplazar la horquilla de embrague y el cojinete de embrague, y en consecuencia el mecanismo de embrague.

    Una de las marcas que actualmente montan un mecanismo de embrague pilotado electrónicamente, es SAAB, el sistema se denomina SENSONIC.

    • Embragues hidráulicos:

    Se constituye mediante una bomba solidaria al volante de inercia y una turbina solidaria al primario de la caja de cambio; entre ambas se sitúa un reactor montado sobre una rueda libre y todo el conjunto va cerrado y bañado por aceite, siendo los alabes helicoidales de los tres elementos los que mueven el aceite.

    Es importante conocer los principios de los diferentes tipos y accionamientos de un sistema del que depende el aprovechamiento y transmisión del movimiento del motor a la caja de cambios y a las ruedas, para su correcta sustitución en los vehículos.

    APLICACIONES DE EMBRAGUES Y

    FRENOS ELECTROMECÁNICOS

    BIBLIOGRAFÍA

    -> Posición de servicio

    -> Posición de reposo

    -> Posición de servicio

    -> Posición de reposo