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FRENOS Y EMBRAGUE
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.
Clasificación de lo frenos y embragues
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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.
CLASIFICACIÓN GENERAL
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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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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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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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
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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.
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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.
MOTOR
Dentro de los distintos frenos motores están:
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.
2. Hidráulicos:
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Comprende un rotor calado en el árbol de la máquina que se ensaya, y que
gira, bañado en agua, en el interior 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.
SIN ADHERENCIA:
Hay otros sistemas de frenado menos importantes tales como:
1. Patín electromagnético frotante:
Debido a su gran desgaste sólo se utiliza como freno de urgencia.
2. Frenos de Foucault:
Basado en crear corrientes parásitas que a su vez crean esfuerzos de frenado.
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.
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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Según el tipo de frenado que se quiera hacer éste puede ser:
1) Frenado continúo: 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 graduado: 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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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 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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Embragues
CLASIFICACIÓN GENERAL:
1. Embragues dentados:
Están caracterizados porque la conexión entre los ejes conductor y conducido
se logra 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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Tipos de embrague
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.
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Su diagrama se puede observar en la figura anterior.
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.
.
Embrague unidireccional
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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.
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 (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
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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.
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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.
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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.
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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.
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