Diseño de frenos y embragues
El diseño de frenos y embragues hace parte de las diferentes maquinarias que generan sistemas complejos.
facultad de ingeniería · mecánica
vie. 25 de mar. 2022
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En este artículose estudian elementos rotatorios que tienen como función transferir y controlar energía cinética de rotación. Dentro de los mismos se entrará a revisar el detalle el diseño de frenos, embragues y acoplamientos. De modo general, son elementos que conectan e igualan las velocidades angulares de dos elementos con momentos de inercia I1 e I2 que se mueven a velocidades angulares ω1 y ω2, esta acción puede presentar una fase de deslizamiento y disipación de energía, que provoca un aumento de temperatura.

Al analizar el desempeño de estos elementos mecánicos es necesario enfocarse en la fuerza de accionamiento, el par de torsión transmitido, la pérdida de energía y el aumento de temperatura. El par de torsión transmitido se relaciona con la fuerza de accionamiento, con el coeficiente de fricción y con la geometría del elemento, por lo que se trata de un problema de estática que depende de la configuración geométrica, mientras que el aumento de temperatura se vincula con la pérdida de energía y es independiente del tipo de elemento. De modo general, estos elementos se analizan siguiendo las siguientes etapas:

  • Cálculo y modelización de la distribución de la presión en las superficies de fricción
  • Determinación de la relación entre la presión máxima y la presión en cualquier punto de la superficie de fricción
  • Cálculo de equilibrio estático para obtener la fuerza y el par de frenado, así como de las reacciones de los apoyos

Diseño de frenos

Los frenos son acoplamientos entre un árbol giratorio y un elemento estático. Entre los tipos de frenos, en este tema se estudiarán los frenos mecánicos como los de tambor, interno y externo, los de banda, los de disco y los cónicos. Todos sufren cierto deslizamiento, por lo que tardan un tiempo en acoplar el movimiento.

Frenos de tambor interno

Se componen de las superficies de fricción, el medio de la transmisión del par de torsión entre las superficies y el mecanismo de accionamiento. Según sea el mecanismo de operación, tales embragues se clasifican además como de aro expansible, centrífugos, magnéticos, hidráulicos y neumáticos. En este tipo de frenos se debe considerar que la presión de contacto entre la zapata y el tambor es proporcional a senθ. Esta distribución de presión tiene las siguientes características:

  1. Es senoidal con respecto al ángulo central θ, eso significa que su valor es nulo en 0 y π radianes.
  2. Si la zapata es corta, inferior a π/2, la máxima presión en la zapata es pa y ocurre en el extremo de ella, θ2.
  3. Si la zapata es larga, la máxima presión en ella es pa y se presenta en θa = π/2, es decir, 90°.

El cálculo de fuerzas en las zapatas se efectúa partiendo de dN=pbrdθ, de donde se obtiene un momento de frenada por fricción y uno producido por la fuerza normal, que se restan o se suman según el sentido de giro del elemento a frenar, respectivamente en el caso de frenos autoenergizantes y autodesenergizantes. Para realizar este análisis se han adoptado los siguientes supuestos:

  1. En cualquier punto de la zapata la presión se supone proporcional a la distancia desde la articulación, por tanto, las presiones especificadas por los fabricantes son promedios, y no máximas.
  2. No se considera el efecto de la fuerza centrífuga.
  3. Se considera que la zapata es rígida, puesto que existirá alguna flexión y la distribución de presión resultante será diferente a la teórica.
  4. Se considera que el coeficiente de fricción no varía con la presión ni con la temperatura, el desgaste ni las condiciones ambientales.

Frenos de tambor externo

Contiene elementos de fricción externos contráctiles. El análisis estático que se aplica a estos dispositivos también da como resultado un momento de frenada por fricción y un momento de frenada por la fuerza normal, cumpliéndose los tipos autoenergizantes, autodesenergizantes y la condición de bloqueo. Existe la opción de frenos con zapatas simétricas, que se dimensionan de manera que el momento de frenada por fricción sea 0.

Frenos de banda

Se encuentran prácticamente en desuso por sus problemas de seguridad, actúan por la fricción entre una banda y la rotación del tambor. El análisis de fuerzas se basa en la fórmula dN=Pdθ, y una presión no uniforme.

Frenos de disco

Actúan por contacto entre superficies paralelas, que se desplazan en dirección axial a su eje de rotación, estas superficies no sufren el efecto de autoenergización, que provocaría cambios en la fuerza de frenada muy elevados según cambie el coeficiente de fricción de sus superficies de contacto. Desde un punto de vista geométrico se calcula el radio medio r, entendido como el lugar geométrico en el que se ubica la línea de acción de la fuerza de frenada F, y el radio efectivo re, definido por el radio de una pastilla de freno equivalente de espesor radial infinitesimal.

En las primeras horas de funcionamiento de las superficies de fricción proporcionan una presión uniforme, de manera que p=pa, hasta que se haya producido un desgaste en las superficies de fricción, entonces se pasa a trabajar bajo desgaste uniforme. Una variación del freno de disco es el de yugo de zapata circular, que utiliza un émbolo flotante accionado sobre un disco giratorio.

Estos frenos también disponen de radio efectivo del freno que relaciona la fuerza de accionamiento y el momento de frenada. Los frenos de disco pueden ser húmedos, es decir, sumergidos en aceite lubricante que tiene como función aportar coeficiente de fricción, de manera que aumente la eficacia de la frenada, además de refrigerar y aumentar la vida de los discos de frenos.

Frenos cónicos

Actúan por contacto entre dos superficies cónicas, el ángulo de los conos suele estar entre 10 y 15º, en ningún momento puede ser inferior a 8º, ya que la fuerza necesaria para desactivar el freno sería demasiado elevada. En estos frenos también se consideran las hipótesis de presión y desgaste uniformes.

Diseño de embragues

Los embragues son acoplamientos similares a los frenos, pero que conectan dos árboles giratorios a diferente velocidad angular. Entre los tipos de embragues se estudiarán los embragues mecánicos como los de tambor, interno y externo, los de disco y los cónicos. Al igual que los frenos, sufren un deslizamiento, por lo que tardan un tiempo en acoplar el movimiento.

  • Embragues de tambor interno: Disponen de los mismos elementos que un freno, se pueden activar mediante aro expansible, centrífugos, que pueden operar de forma automática, magnéticos, que se utilizan en transmisiones sujetas a ciclos complejos de carga, hidráulicos y neumáticos.
  • Embragues de tambor externo: Contienen los mismos elementos que los frenos, y se pueden operar mediante solenoides, palancas y eslabonamientos, eslabonamientos con carga por resorte, sistemas hidráulicos y sistemas neumáticos.
  • Los embragues de disco: Actúan por contacto entre superficies paralelas, que se desplazan en dirección axial a su eje de rotación, aportan las ventajas de no sufrir los efectos centrífugos de los elementos rotatorios, un área de fricción muy grande que se instala en un espacio muy pequeño, permitiendo el uso de sistemas multidiscos, una gran superficie de disipación de calor y una distribución favorable de presión.

Desarrollo y fabricación de maquinaria

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