(1)FRENOS Y EMBRAGUES

FRENOS Y EMBRAGUES
Generalidades
Los sistemas de maquinas requieren controles cuando hay un cambio de
velocidad o en la dirección del movimiento de uno o mas componentes. En
estos casos los elementos de máquinas más utilizados son el embrague y el
freno, que se asocian con el movimiento rotatorio y comparten la función de
almacenar y/o transferir energía cinética.
El embrague es un dispositivo para conectar o desconectar un componente
impulsado con el impulsor del sistema. Transmite energía cinética.
El freno es un dispositivo para detener un sistema en movimiento, o para
disminuir su velocidad o controlarla en cierto valor, bajo condiciones variables.
Absorbe energía cinética.
Generalidades
Para accionar los embragues o frenos se emplean los métodos siguientes:
o
o
o
o
o
o
Manual: El operador suministra la fuerza, en general mediante un arreglo de palancas para
obtener multiplicación de fuerza.
Resortes y/o muelles: Se aplica cunado los demás sistemas fallan.
Centrifuga: Permite que el sistema impulsor acelere sin que tenga carga conectada hasta que
alcance la velocidad preseleccionada.
Neumático: Se introduce aire comprimido o alguna otra cámara. La fuerza que produce la
presión junta las superficies de fricción con los miembros conectados a la carga.
Hidráulico: De funcionamiento igual al neumático, requieren fluidos o aceites, pero producen
fuerzas superiores.
Electromagnético: Se aplica una corriente eléctrica a la bobina, formando un flujo
electromagnético. La fuerza magnética atrae entonces a una armadura fija a la maquina que
se debe controlar.
Tipos de frenos y embragues
(a)
Tambor interno de
expansión;
(b)
Tambor externo de
contracción;
(c)
Freno de banda;
(d)
Disco de empuje;
(e)
Disco cónico.
Tipos de frenos y embragues
Embragues y frenos de tambor de expansión
interna
tambor y es empujada por un cilindro contra
el tambor para crear el par de torsión por
fricción.
Se compone esencialmente de tres
elementos:
Se utilizan en automóviles, maquinaria textil,
a) las superficies de fricción que entrarán en excavadoras y máquinas herramientas.
contacto
Transmiten un torque elevado, a un a bajas
velocidades y requieren fuerzas de conexión
b) el medio de transmisión del par de
y desconexión intensas.
torsión hacia y desde las superficies
c)
c) el mecanismo de accionamiento.
Según sea el mecanismo de operación, se
a)
clasifican además como de aro expansible,
centrífugos, magnéticos, hidráulicos y
neumáticos.
b)
Estos dispositivos están constituidos por una
zapata, la cual esta recubierta de un material
de fricción que calza perfectamente sobre el
Embragues y frenos de contracción externa
El embrague-freno tiene elementos de fricción
externos contráctiles, pero el mecanismo de
accionamiento es neumático.
Los mecanismos de operación se clasifican como:
•
Solenoides
•
Palancas, eslabonamientos o palanquillas de codo
•
Eslabonamiento con carga por resorte
•
Hidráulicos y neumáticos
Los momentos de las fuerzas de fricción y normal,
respecto del pasador de la articulación, son los mismos
que los de las zapatas internas expansibles.
Embragues y frenos de banda
Los embragues y frenos de
bandas flexibles se emplean en
excavadoras de potencia,
aparatos elevadores maquinas
excavadoras, en montacargas y
otros.
Consiste en una banda flexible
recubierta con un material de
fricción
Embragues y frenos de bloque
Este elemento consta de:
• Balatas curvas y rígidas del material de
fricción
• tambor
• Sistema de actuación
Las balatas so oprimidas contra la superficie del
tambor desde su exterior o interior y ejercen
una fuerza tangencial que detiene la carga
Embragues axiales de fricción de
contacto
En los embragues axiales los elementos
de fricción de contacto se mueven en
una dirección paralela al eje.
Este embrague emplea uno o más discos
como elementos de operación. Las
ventajas del embrague de este tipo de
mecanismo incluyen:
•
La libertad de los efectos centrífugos
•
Un área de fricción grande que se
instala en un espacio pequeño
•
Superficies de disipación de calor más
eficaces
•
Distribución favorable depresión.
Vista en sección
transversal de
un embrague de un
solo plato;
A, elemento impulsor;
B, plato impulsado
(sujetado con una cuña
al eje impulsado);
C, actuador
Frenos de disco
Los frenos de disco son muy empleados en vehículos
porque cuando los frenos de tambor se emplean como
frenos de vehículos, incluso un cambio ligero en el
coeficiente de fricción causará un gran cambio en la
fuerza del pedal que se necesita para frenar. Por
ejemplo, puede generar una variación de 50% en la
fuerza del pedal que se requiere para obtener el
mismo par de torsión de frenado antes del cambio por
la humeda y humedad.
El freno de disco no tiene autoenergización y por
ende no es susceptible a cambios del coeficiente de
fricción.
Los frenos de disco (por la forma de la superficie sin
forro) presionan el material de fricción contra la cara o
caras del disco rotativo.
Embragues y frenos cónicos
En el dibujo del embrague cónico se
observa que se compone de
•
una copa montada con cuña o por una
unión ranurada a uno de los ejes,
•
un cono que debe deslizarse en forma
axial sobre ranuras o cuñas en el eje de
acoplamiento y
•
un resorte helicoidal para mantener el
embrague activado.
El embrague se desactiva por medio de
una horquilla que se ajusta en la ranura
de cambios sobre el cono de fricción. El
ángulo del cono α y el diámetro y ancho
de cara del cono son los parámetros
geométricos importantes de diseño.
Freno de bloque o zapata corta
•
Básicamente, consta de un tambor y una zapata corta.
•
Aplicando el DCL observamos lo siguiente:
•
•
•
La fuerza de accionamiento W actúa sobre la palanca, que a su vez gira sobre el perno A.
Esto causa una fuerza normal entre la zapata y el tambor rotatorio.
La fuerza de fricción resultante actúa en dirección tangencial al tambor, si la zapata es
corta.
La fuerza de fricción por el radio del tambor da el par torsional de fricción, que
desacelera el tambor.
Freno de bloque o zapata corta
i) Tenemos:
iii) Sumatoria de momentos
respecto de A:
ii) Aplicamos DCL:
𝑀𝑎 = 0 = 𝑊𝐿 − 𝑁𝑎 + 𝐹𝑓 𝑏
𝐹
Sea 𝐹𝑓 = 𝑓𝑁 → 𝑁 = 𝑓 𝑓
Tenemos:
𝐹𝑓 𝑎
0 = 𝑊𝐿 −
𝑓 + 𝐹𝑓 𝑏
0 = 𝑊𝐿 − 𝐹𝑓 𝑎 𝑓 − 𝑏
Despejamos W:
𝐹𝑓 𝑎 𝑓 − 𝑏
𝑊=
𝐿
O se despeja Ff=Fuerza de
fricción sobre el freno de
tambor:
𝑊𝐿
𝐹𝑓 =
𝑎 −𝑏
𝑓
iv) Par torsional:
𝐹𝑓 𝐷𝑑
𝑇𝑓 =
2
𝐷𝑑 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟
Freno de bloque o zapata corta: Ejemplo
Calcular la fuerza necesaria para
accionar el freno de tambor con
zapata corta para producir un par
torsional de friccion de 50 lb.pie .
Manejar 10 pulg como diámetro de
tambor
. . Utilizar los
valores
con
distintos con distintos puntos de
ubicación del pivote A, de tal modo
que b vaya de 0 a 6 pulg.
i) Hallamos Ff:
ii) Reemplazamos valores en la
ecuación de W:
Freno de cinta o banda
•
Básicamente, consta de un tambor y una banda flexible.
•
La banda flexible, en general, es de acero. Tiene en la cara un material de fricción
que se puede adaptar a la curvatura del tambor.
•
La aplicación de una fuerza a la palanca pone la banda en tensión, y fuerza al
material de fricción contra el tambor. La fuerza normal que se crea así produce la
fuerza de fricción tangencial a la superficie del tambor y lo retarda.
•
La tensión en la banda disminuye desde el valor en el lado del pivote de la banda,
hasta en el extremo de la palanca.
Freno de cinta o banda
i) Aplicando DCL tenemos:
ii) El par torsional es:
iii) Se sabe la siguiente
relación:
iv) En el punto máximo
de presión sobre el
material de fricción
esta más cercano a la
máxima tensión, es
decir, P1:
w=ancho de la banda
v) La fuerza de actuación es:
Freno de cinta o banda: Ejemplo
Diseñar un freno de cinta que ejerza un par torsional de frenado de 720 lb.pul para
frenar después de 120 rpm.
i) Seleccionar un material:
Sea de tela de
y un valor de diseño
ii) Especificar las dimensiones geométricas
Serán
iii) Hallamos P1:
iv) Hallamos P2:
:
.
Freno de cinta o banda: Ejemplo
v) Hallamos la torsión de fricción Tf:
Repetimos los pasos ii) y v) hasta
obtener resultados satisfactorios.
Para r=5 pulg:
vi) Especificamos las dimensiones
de la palanca y calculamos W. Sean