U5 - Embragues Y Frenos Diseño Mecánico II PDF

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nullnullnullnullnullINSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOSDiseño Mecánico IIEMBRAGUES Y FRENOSPresenta: Fernández Sánchez Francisco JavierDocente: Ing. Felipe García FrancoCoatzacoalcos, Veracruz14 de Diciembre del 2020Índice.....................................................................

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

Diseño Mecánico II EMBRAGUES Y FRENOS Presenta: Fernández Sánchez Francisco Javier

Docente: Ing. Felipe García Franco

Coatzacoalcos, Veracruz 14 de Diciembre del 2020

ÍNDICE

Índice............................................................................................................... 2 Índice de imágenes ......................................................................................... 3 Introducción ..................................................................................................... 4 5.1 Frenos de tambor ...................................................................................... 5 5.1.1 Zapata interna ..................................................................................... 6 5.1.2 Zapata externa .................................................................................... 7 5.2 Frenos y embragues de discos .................................................................. 8 5.2.1 Embrague de discos ........................................................................... 9 5.3 Embrague centrífugo ............................................................................... 11 5.4 Embragues y frenos de partículas magnéticas, corrientes parasitas y de histéresis. ................................................................................................................. 14 5.4.1 Partículas magnéticas ....................................................................... 14 5.4.2 Corrientes parásitas .......................................................................... 14 5.4.3 Histéresis magnética ......................................................................... 15 5.5 Convertidor de par ................................................................................... 16 5.5.1 Elementos que forman un convertidor de par: ................................... 16 5.6 materiales del fricción .............................................................................. 18 5.7 Consideraciones de energía, ficción y temperatura ................................. 19 Conclusión .................................................................................................... 22 Bibliografía .................................................................................................... 23

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ÍNDICE DE IMÁGENES Imagen 1. Freno de zapatas internas expansibles ........................................... 6 Imagen 2. Freno de tambor zapata interna ...................................................... 6 Imagen 3. Zapata exterior simétrica ................................................................ 7 Imagen 4. Zapata exterior asimétrica .............................................................. 7 Imagen 5. Embrague de discos ....................................................................... 9 Imagen 6. Embrague centrífugo .................................................................... 11 Imagen 7. Materiales de fricción para embragues y Algunas propiedades de revestimientos para frenos ....................................................................................... 13 Imagen 8. Embrague de partículas magnéticas ............................................. 14 Imagen 9. Embrague de corrientes parásitas ................................................ 14 Imagen 10 Embrague de histéresis magnéticas ............................................ 15 Imagen 11. Partes del convertidor de par ...................................................... 17 Imagen 12. Aparato empleado por Joule en la medición del equivalente mecánico del calor ................................................................................................... 20

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INTRODUCCIÓN Los frenos y embragues constituyen una parte fundamental del diseño de elementos de máquinas, actualmente es común ver estos dispositivos principalmente en cualquier tipo de automóviles, incluso su simple mención está relacionada con ellos. Sin embargo, cabe mencionar que a pesar de la enorme aplicación que tienen en la industria automotriz, los frenos y los embragues son también componentes fundamentales en partes de máquinas herramientas, mecanismos móviles, aparatos elevadores, turbinas, etc. En este trabajo de investigación se mencionarán los tipos de frenos y embragues en la actualidad, así como lo más reciente en diseño y la tecnología de materiales en la fabricación de estos.

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5.1 FRENOS DE TAMBOR Este tipo de frenos, está compuesto por una parte móvil, llamada tambor, que está montado sobre el buje de la rueda por medio de unos espárragos y tuercas, y un elemento fijo, llamado plato, el cual, lleva instalados los foros y los mecanismos de accionamientos para que puedan desplazarse las zapatas. Antes de entrar a describir los diferentes tipos de frenos de tambor, haremos una breve descripción de cada uno de sus componentes, para que tengamos una idea más clara a la hora de entender cómo es el funcionamiento de este sistema. Cuando desmontamos una rueda que esté provista de estos frenos, lo primero que nos vamos a encontrar va a ser el tambor. Esta pieza es la parte giratoria del freno y la que se va a llevar prácticamente todo el calor generado en el frenado. Normalmente está fabricado en fundición, ya que es un material de bajo costo y con un alto coeficiente de absorción de calor. El tambor se tornea interior y exteriormente para conseguir un equilibrado dinámico, mediante un mecanizado muy fino en su parte interna para que los ferodos acoplen de una forma óptima sin que se agarroten. En su zona central, el tambor, lleva unos taladros pasantes que servirán para acoplar los espárragos de fijación de la rueda, además de otros orificios que nos servirán como guía de centrado de la rueda al buje. El segundo elemento externo que veremos será el plato de freno, que, junto con el tambor, completa el conjunto de freno de tambor. El plato de freno está compuesto por un plato portafrenos, sobre el que se monta un bombín de accionamiento hidráulico, las zapatas de freno y los demás elementos de fijación y regulación de las zapatas.1

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5.1.1 Zapata interna Estos dispositivos están constituidos por una zapata, la cual esta recubierta de un material de fricción que calza perfectamente sobre el tambor y es empujada por un cilindro contra el tambor para crear el par de torsión por fricción. Se utilizan en automóviles, maquinaria textil, excavadoras y máquinas herramientas. Transmiten un torque elevado, a un a bajas velocidades y requieren fuerzas de conexión y desconexión intensas.2

Imagen 1. Freno de zapatas internas expansibles

✓ Las hipótesis son idénticas a las realizadas para el caso de zapata exterior ✓ El desgaste radial es proporcional a la presión ✓ La presión es proporcional a la altura sobre el pivote

Imagen 2. Freno de tambor zapata interna

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(P, 2011)

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5.1.2 Zapata externa ✓ El freno de zapata exterior simétrica es un caso particular de los frenos de zapata ✓ El pivote se sitúa de modo que el momento de las fuerzas de fricción sea nulo ✓ El ancho de la zapata es b ✓ Se hace la hipótesis de desgaste cilíndrico ✓ El desgaste radial es proporcional a la potencia consumida por rozamiento3

Imagen 3. Zapata exterior simétrica

✓ La zapata es “larga”, de ancho b; la distribución de presiones no es constante. ✓ El desgaste radial es proporcional a la presión ✓ La presión es proporcional a la altura sobre el pivote4

Imagen 4. Zapata exterior asimétrica

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(P, 2011) (P, 2011)

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5.2 FRENOS Y EMBRAGUES DE DISCOS Los frenos y embragues constituyen una parte fundamental del diseño de elementos de máquinas, es común ver estos dispositivos en cualquier tipo de automóviles. Son también componentes fundamentales en máquinas-herramientas, mecanismos móviles, aparatos elevadores, turbinas, etc. Freno: Un freno es un dispositivo que se usa para llevar al reposo un sistema en movimiento, para bajar su velocidad o para controlar su velocidad hasta un cierto valor en condiciones cambiantes. Embrague: Son acoplamientos temporales, utilizados para solidarizar dos piezas que se encuentran en ejes coaxiales, para transmitir a una de ellas el movimiento de rotación de la otra a voluntad. Freno de disco: Los frenos de disco no tienen una aplicación tan universal como los de zapata y de banda. Su principal campo de aplicación es en frenos de automóviles. Este tipo de frenos necesita una mayor fuerza de accionamiento para obtener la misma fuerza de frenado, comparada con los otros tipos de frenos, por esta razón es muy poco utilizado en la industria.5 Ventajas: ✓ Cuando el disco se calienta y se dilata, se hace más grueso, aumentando la presión contra las pastillas. ✓ Tiene un mejor frenado en condiciones adversas, cuando el rotor desecha agua y el polvo por acción centrífuga. ✓ Disipan más calor que los de tambor, pues los discos pueden ser ventilados. Desventajas: ✓ No poseen la acción auto energizante. ✓ Las pastillas son más pequeñas y se desgastan más rápido que las de los frenos de tambor.

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5.2.1 Embrague de discos Cada marcha posee un elemento del cambio, como mínimo, el cual establece el flujo de fuerza mediante fricción. Se utilizan embragues de discos para establecer el flujo de fuerza del eje de turbina al tren epicicloidal. Poseen discos interiores y exteriores, ambos unidos con piezas rotatorias. Están encajados unos con otros. Sin accionamiento, hay entre ellos un intersticio y están llenos de aceite, de modo que puedan girar libremente. El conjunto de discos es comprimido por un émbolo hidráulico, que gira simultáneamente junto con su llenado de aceite, el cual actúa por detrás sobre el émbolo. Por ello, la alimentación de aceite se efectúa mediante un árbol hueco. Al desembragar, se descarga el embrague de discos mediante resortes (muelles de compresión, también muelles de platillo). Unas válvulas de bola (en parte en el émbolo, y en parte en el portadiscos) se encargan de que, sin accionamiento, se elimine rápidamente la presión y pueda salir el aceite. Los portadiscos, tanto en el elemento interior como en el exterior, alojan los discos mediante salientes, resultando una unión en arrastre de forma.6

Imagen 5. Embrague de discos

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✓ Los discos exteriores son de acero. ✓ Los discos interiores son de plástico altamente resistente. ✓ Cumplen al mismo tiempo la función del forro de fricción. ✓ La armazón de apoyo es de celulosa. ✓ La resistencia a temperaturas elevadas se consigue mediante un aditamento de fibras de aramida (material plástico de alta resistencia). ✓ A fin de influir sobre el valor de fricción se añaden minerales para unir la resistencia fenólica. ✓ El número de discos varía mucho según la ejecución del cambio. ✓ El juego entre los discos es de importancia para el funcionamiento del acoplamiento automático de las marchas y está predeterminado en el diseño. ✓ Se ajusta por separado al efectuar el montaje.

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5.3 EMBRAGUE CENTRÍFUGO Es usado generalmente en los ciclomotores, consiste en un rotor que va unido al cigüeñal el cual gira junto con él, mientras va dentro de una campana la cual no tiene movimiento, que por medio de una serie de engranajes transmite el movimiento a la rueda. Este rotor cuenta con unas pastillas unidas por resortes que se expanden al haber movimiento, adhiriéndose a la campana y de esta forma se transmite la potencia a la rueda. Al dejar de acelerar, estas pastillas vuelven a su posición original despegándose de la campana.

Imagen 6. Embrague centrífugo

Las propiedades de un material de fricción para freno o embrague deben ser las siguientes: ✓ Coeficiente de fricción alto y uniforme. ✓ Propiedades poco dependientes de condiciones externas (p.ej. Humedad). ✓ Buena conductividad térmica y capacidad de resistir altas temperaturas. ✓ Alta resistencia al desgaste, rayado y raspadura.

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Algunos materiales de base de asbesto, son utilizados- generalmente por su alta resistencia a las altas temperaturas. Los valores típicos de factores de operación y algunos materiales de fricción así como sus características. Las presiones de diseño en los platos secos de 10^ K/m2 y el coeficiente de fricción est situado probablemente entre 0.25 y 0.30 Los resortes que mantienen unidos a los platos, deben ejercer una presión mayor que la permisible, porque deben vencer la fricción en la cuña Los forros de los embragues son afectados por la temperatura. Cuando esta alcanza limites excesivos, el coeficiente de fricción puede elevarse o caer rápidamente dependiendo del material; dando como resultado una deficiencia en el control» Las ~ temperaturas excesivamente altas, pueden también dañar el material y destruir su resistencia mecánica. Al seleccionar un coeficiente de fricción para diseño se deben usar valores de solo la mitad a los tres cuartos de los indicados* Ssto proporcionar un margen de seguridad contra desgaste, suciedad y otras condiciones desfavorables* Algunos materiales se pueden trabajar en condiciones - no secas, pues se pueden sumergir en aceite, o bien rociarlos. Esto reduce algo el rozamiento, pero elimina más el calor y permite el uso de presiones más altas7

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Imagen 7. Materiales de fricción para embragues y Algunas propiedades de revestimientos para frenos

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5.4 EMBRAGUES Y FRENOS DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS, CORRIENTES PARASITAS Y DE HISTÉRESIS. 5.4.1 Partículas magnéticas El espacio o entrehierro entre superficies está lleno de un fino polvo ferroso. Al energizarse la bobina, las partículas de polvo forman cadenas a lo largo de las líneas de flujo del campo magnético, acoplando el disco a la carcasa, sin deslizamiento. 8

Imagen 8. Embrague de partículas magnéticas

5.4.2 Corrientes parásitas Son similares a los dispositivos de histéresis, en el hecho que no tienen un contacto mecánico entre rotor y polos. La bobina establece corrientes parásitas o de eddy, que acoplan de manera magnética el embrague. 9

Imagen 9. Embrague de corrientes parásitas

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(Díaz, 2011) (Díaz, 2011)

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5.4.3 Histéresis magnética No tienen un contacto mecánico entre los elementos en rotación y, por lo tanto, al desacoplarse tiene una fricción cero. El rotor es arrastrado (o frenado) por el campo magnético establecido por la bobina de campo. 10

Imagen 10 Embrague de histéresis magnéticas

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5.5 CONVERTIDOR DE PAR El convertidor de par es el equivalente en una caja automática al cambio y el embrague en una transmisión manual. Existen cajas de cambio manual y cajas de cambio automáticas de diferentes tipos, dimensiones y número de marchas, en función del vehículo donde se monte. Para que el par motor se transmita a la caja de cambios, se necesita de un elemento llamado embrague, que se utiliza en vehículos con caja de cambio manual. Dentro de las cajas de cambios automáticas, las más extendidas son las de convertidor de par. Y el mecanismo que se cumple la función del embrague en estas cajas es el convertidor hidráulico de par, que es el encargado de realizar la conexión entre la caja de cambios y el motor. El convertidor de par es básicamente un embrague hidráulico perfeccionado, que permite graduar la combinación par-velocidad según las necesidades. Puede definirse como una combinación de embrague y cambio de velocidades: embrague, porque cumple esa misión y cambio de velocidades, porque es capaz de multiplicar el par.

5.5.1 Elementos que forman un convertidor de par: Bomba: se encuentra unida solidariamente al volante de inercia por medio de la carcasa del convertidor. Ésta gira al mismo número de revoluciones del motor y es la encargada de impulsar el aceite contra la turbina. Turbina: está engranada en el eje de entrada de la caja de cambios o eje de la turbina y recibe el aceite impulsado por la bomba a través de sus alabes que la obligan a girar. Reactor o Estator: está montado entre la bomba y la turbina y dispone de un mecanismo de rueda libre que le permite girar libremente cuando la velocidad de giro de la bomba y turbina se aproxima. Nunca se igualan.

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Embrague Anulador del Convertidor de Par: elimina el patinaje del convertidor de par de una forma regulada, de tal manera que puede ser accionado en cualquier marcha, a cualquier régimen y a partir de una determinada temperatura de funcionamiento (aproximadamente 40º C). Consiste en un embrague de fricción unido al arrastre de fuerza, que transmite el movimiento al convertidor desde su carcasa. Permite tres posiciones: ✓ Embrague abierto ✓ Embrague en ciclo de regulación ✓ Embrague cerrado Al cerrar el embrague anulador se transmite el par del motor íntegro sobre la rueda de la turbina. El aceite que utiliza el convertidor hidráulico de par se refrigera por medio del circuito incorporado en la caja de cambios automática y no existen averías graves si se respeta el mantenimiento de la misma. No respetar las recomendaciones del fabricante de las cajas de cambio puede conllevar problemas en el convertidor.

Imagen 11. Partes del convertidor de par

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5.6 MATERIALES DEL FRICCIÓN Algunos frenos y embragues trabajan con fricción, los dos materiales que están en contacto deben tener un alto coeficiente de fricción. Este parámetro es usado en todos los cálculos de diseño, debe tener un valor fijo. Los materiales deben ser resistentes a la intemperie, así como a la humedad y las altas temperaturas. Una característica calorífica excelente debe ser cuando se convierte satisfactoriamente la energía mecánica en calor en el embrague o freno. Esto significa que la alta capacidad de calor y las propiedades térmicas son proporcionales a las altas temperaturas. Los materiales deben ser resistentes en general y tener una alta dureza. Últimamente se han optado por materiales de carbono, o con alto contenido del mismo, actualmente también existen materiales con incrustaciones de asbesto que mejora las propiedades térmicas de los frenos y embragues, también se ha optado por materiales de aleación como el tungsteno y el vanadio, aunque son muy caros por eso las aleaciones con alto contenido de carbono son la más viables. Algunos de los materiales típicamente usados en la fabricación de frenos y embragues se listan en la tabla siguiente, mostrando los coeficientes de fricción, las temperaturas máximas y las presiones máximas en KPa. En la columna de lado izquierdo muestra 2 materiales los cuales están sometidos a contacto. 11

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5.7 CONSIDERACIONES DE ENERGÍA, FICCIÓN Y TEMPERATURA Los estudios decisivos que condujeron a establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor fueron realizados en 1840 por James Joule en la Gran Bretaña. Tales estudios estuvieron inspirados en los trabajos que Rumford había llevado a cabo casi cincuenta años antes y que describimos en el capítulo anterior. En un trabajo intitulado EI equivalente mecánico de calor, que data de 1843 y que fue publicado en 1850, Joule presentó evidencia inequívoca justificando las conclusiones de Rumford. Al respecto escribió: Durante mucho tiempo ha sido una hipótesis favorita que el calor consiste de una fuerza o potencia perteneciente a los cuerpos, pero le fue reservado al conde Rumford llevar a cabo los primeros experimentos decididamente en favor de esta idea. El justamente famoso filósofo natural demostró por sus ingeniosos experimentos que la gran cantidad de calor excitada por la horadación de un canón no puede asociarse a un cambio que tiene lugar en la capacidad calorífica del metal, por lo tanto, él concluye que el movimiento del taladro se transmite ...