guia 3 de diseño mecanico 2 diego jaramillo

FACULTAD INGENIERIA ELECTROMECANICASEDE CUCUTA

GUIA DE DISEÑO MECANICO # 2

DIEGO ANDRES JARAMILLO TORRES

CODIGO: 21131218784

CORREO: [email protected]

UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO UAN

INGENIERIA ELECTROMECANICA

SAN JOSE DE CUCUTA

AÑO

2015

http://www.uan.edu.co/index.php?option=com_content&view=article&id=44&Itemid=53


SOLUCION GUIA # 3 DISEÑO MECANICO 2

DIEGO ANDRES JARAMILLO TORRES

CODIGO: 21131218784

CORREO: [email protected]

ESTE TRABAJO ES PRESENTADO AL INGENIERO:

CIRO ANTONIO CARVAJAL LABASTIDA

UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO UAN

INGENIERIA ELECTROMECANICA

SAN JOSE DE CUCUTA

AÑO

2015



INTRODUCCION

Uno de los principales problemas de la ingeniería mecánica es la transmisión de movimiento. Desde épocas muy remotas se han usado cuerdas y elementos fabricados de madera para solucionar los problemas de transporte, impulsión, elevación y movimiento.

El inventor de los engranajes fue Leonardo da Vinci, quien a su muerte deja sus dibujos y esquemas de lo que hoy utilizamos a diario.

En el siguiente trabajo definiremos la utilización, fabricación y funcionamiento de los engranajes.

El diseño de ejes: con el objetivo conocer ampliamente sobre los ejes de transmisión y la importancia de los mismos para la materia estudiada, Resistencia de los materiales, se realiza la investigación presentada a continuación. Se conoce como eje de transmisión o árbol de transmisión a todo objeto axis métrico especialmente diseñado para transmitir potencia. Un árbol de transmisión es un eje que transmite un esfuerzo motriz y está sometido a solicitaciones de torsión debido a la transmisión de un par de fuerzas y puede estar sometido a otros tipos de solicitaciones mecánicas al mismo tiempo. Los mecanismos de transmisión, generalidades sobre el diseño de ejes de transmisión, métodos de diseño y el procedimiento general para el diseño de ejes de transmisión.

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. Por tanto, en la presente investigación se hará mención de la clasificación de frenos y embragues que existen en la actualidad, así como lo más reciente en diseño y la tecnología de materiales en la fabricación de estos. También se señalarán algunas ecuaciones que serán de amplia ayuda en el cálculo de cada uno de los tipos de frenos y embrague.



ENGRANAJES

Los engranajes son ruedas dentadas cilíndricas que se usan para transmitir movimiento y potencia desde un eje giratorio hasta otro. Los dientes de un engranaje conductor encajan con precisión en los espacios entre los dientes del engranaje conducido.

Los dientes del impulsor empujan a los dientes del impulsado, lo cual constituye una fuerza perpendicular al radio del engranaje. Con esto se transmite un par torsional, y como el engranaje es giratorio también se transmite potencia.

Relación de Reducción de velocidad

Se dice que con frecuencia se emplean engranajes para producir un cambio en la velocidad angular del engranaje conducido relativa a la del engranaje conductor; el engranaje superior, menor, llamado piñón, impulsa el engranaje inferior, mayor, que a veces se le llama simplemente engrane; el engrane mayor gira con más lentitud.

La cantidad de reducción de velocidad depende de la relación del número de dientes en el piñón entre el número de dientes en el engrane mayor, de acuerdo con la siguiente relación: np / nG= NG / Np



Tipos de Engranajes

Se usan con frecuencias varios tipos de engranajes que tienen distintas geometrías de diente.

La principal clasificación de los engranajes se efectúa según la disposición de sus ejes de rotación y según los tipos de dentado. Según estos criterios existen los siguientes tipos de engranajes:

Ejes paralelos:

Cilíndricos de dientes rectos

Cilíndricos de dientes helicoidales

Doble helicoidales

Ejes perpendiculares:

Helicoidales cruzados

Cónicos de dientes rectos

Cónicos de dientes helicoidales

Cónicos hipoides

De rueda y tornillo sinfín

Por aplicaciones especiales se pueden citar:

Planetarios

Interiores

De cremallera

Por la forma de transmitir el movimiento se pueden citar:

Transmisión simple

Transmisión con engranaje loco

Transmisión compuesta. Tren de engranajes



Transmisión mediante cadena o polea dentada:

Mecanismo piñón cadena

Polea dentada

ENGRANES DE DIENTES RECTOS

Sus principales características son las siguientes:

a) La transmisión es positiva, esto es, la velocidad es constante entre rueda conductora y rueda conducida

b) La distancia entre centros es relativamente pequeña y da lugar a una transmisión compacta

c) Se puede hacer un diseño con Engranes intercambiables para modificar la velocidad del elemento conducido

d) La eficiencia es alta ya que la pérdida de potencia puede ser tan baja como el 1%

e) El mantenimiento es mínimo,

f) No pueden trabajar a altas velocidades

g) Generan más ruido que otros Engranes.

Terminología:

Se utilizan los subíndices p y g para referirnos a los parámetros del Piñón y Engrane respectivamente.

-Círculo de Base es el círculo o cilindro utilizado para trazar la envolvente y su diámetro se simboliza como (Db).

-Diámetro de Paso o Primitivo, es el diámetro del cilindro que dio origen al engrane y es la dimensión básica del mismo ya que sirve para designar su tamaño nominal.



-Circulo de Dedendo o raíz es el circulo que rodea la raíz de los dientes del engrane.

-Círculo de Adendo o externo es el círculo que llega hasta la punta del diente.

-Adendo o altura por cabeza: es la distancia radial entre el círculo de adendo y el círculo primitivo. O Dedendo o altura de pie: es la distancia radial entre el círculo primitivo y el círculo de raíz.

-Paso Circular (Pc): es la distancia que existe entre puntos consecutivos de un par de dientes adyacentes medida sobre el círculo primitivo.

-Paso diametral (P), en inglés (Diametral Pitch): Es el número de dientes que tienen un engrane para cada pulgada de diámetro primitivo y es muy importante ya que para que 2 engranes puedan trabajar juntos deben tener el mismo paso diametral. P = Np/Pp 0 Ng/Dg

Dp, Dg en pulg

Dónde:

Np: Numero de dientes del piñón

Ng: Numero de dientes del engrane

Es importante que deban usarse valores normalizados para el paso diametral Para el sistema inglés se cumple la relación siguiente: Pc* P = (π.D/N)*(N/D). De tal modo que: Pc.P=π

-Modulo (m): es la forma de medir la extrusión y el tamaño de los dientes de un engrane en el sistema métrico y se define mediante la relación siguiente: Es la forma de medir la distancia y el tamaño de los diente de un engrane en el sistema métrico y se define m= (Dp/Np) = (Dg/Ng). Y se cumple la relación siguiente Pc/m = (π.DN/ND) = π.

-Relación de transmisión (mw): es la relación que existe entre la velocidad angular del Piñón y la velocidad angular del engrane pero también es una relación entre diámetros o número de dientes. Mw= np/ng = Dg/Dp = Ng / Np.

Dónde:

np= Velocidad angular del piñón

ng= Velocidad Angular del engrane.



-Distancia entre Centros: De manera general: C= 1/2 (Dp+Dg).

Aunque también se puede calcular en función del número de dientes: Para el sistema inglés: P= N/D, Dp= Np/p, Dg= Ng/p. C=1/2 (Np/p + Ng/p) = C 0 1/2p (Np + Ng). Y para el Sistema métrico. M = D/N, Dp = m.Np; Dg = m. Ng; C = ½(m. Np * m.Ng); C = m/2 (Np + Ng).

-Angulo de presión (Φ): Es el ángulo que existe entre la tangente común a los círculos de base y la perpendicular a la línea de centros, constituye la variable que define la relación entre el círculo de base y el círculo primitivo.

φ cos = -1 / Db /D.

Actualmente se utilizan ángulos de 14.5º, 20º y 25º, aunque para nuevos diseños sólo deben emplearse ángulos de 20 y 25º.

-Claro u holgura: es el espacio que queda entre la punta del diente de un engrane y la raíz del diente del otro.

-Longitud del diente: Se le llama también ancho de cara o ancho del flanco. Es el ancho del diente medido en dirección paralela al eje del engrane. En la práctica: b = K* Pc. En donde: 3 ≤K ≤ 4. En clase: K = 4

INTERFERENCIA

El contacto comienza cuando la punta del diente conducido toca el flanco del diente conductor, ello ocurre antes de que la parte de evolvente del diente conductor entre en acción.

En otras palabras ello ocurre por debajo de la circunferencia de base del engrane 2 en la parte distinta de la evolvente del flanco; el efecto real es que la punta o cara de evolvente del engrane impulsado tiende a penetrar en el flanco del diente impulsado o a interferir con este.

Se presenta una vez más el mismo efecto a medida que los dientes dejan de estar en contacto. El efecto es que la punta del diente impulsor tiende a penetrar en el flanco del diente impulsado, o a interferir con él. La interferencia también puede reducirse mediante un mayor ángulo de presión.

Con esto se obtiene una menor circunferencia de base, de manera que la mayor parte del perfil de los dientes es evolvente. La demanda de piñones



menores con menos dientes favorece así el uso de un ángulo mayor. Los valores mínimos de número de dientes que deberá poseer un piñón para engranar con una cremallera, ambos con dientes de profundidad completa; para que no se produzca interferencia entre sus dientes.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Para diseñar una transmisión mediante engranes debe contarse con la información siguiente

potencia transmitida

Velocidad de piñón

Velocidad del engrane o en su defecto la relación de transmisión (mw)

Frecuentemente también se especifica la distancia entre centros especialmente cuando hay limitaciones de espacio.

En el diseño de una transmisión mediante engranes deben respetarse los factores siguientes.

1. El diente del engrane debe ser lo suficientemente fuerte para que soporte la carga creada al momento del arranque

2. El diente debe ser capaz de resistir la carga dinámica que se presenta bajo condiciones normales de operación.

3. El diente del engrane debe tener la dureza y resistencia al desgaste satisfactorios para que su ciclo de vida sea adecuado

4. El uso del material y espacio debe ser suficiente

5. La lubricación debe ser adecuada



ENGRANES HELICOIDALES

Están caracterizados por su dentado oblicuo con relación al eje de rotación. En estos engranajes el movimiento se transmite de modo igual que en los cilíndricos de dentado recto, pero con mayores ventajas.

Los ejes de los engranajes helicoidales pueden ser paralelos o cruzarse, generalmente a 90º. Para eliminar el empuje axial el dentado puede hacerse doble helicoidal.

Los engranajes helicoidales tienen la ventaja que transmiten más potencia que los rectos, y también pueden transmitir más velocidad, son más silenciosos y más duraderos; además, pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten. De sus inconvenientes se puede decir que se desgastan más que los rectos, son más caros de fabricar y necesitan generalmente más engrase que los rectos.

Lo más característico de un engranaje cilíndrico helicoidal es la hélice que forma, siendo considerada la hélice como el avance de una vuelta completa del diámetro primitivo del engranaje. De esta hélice deriva el ángulo β que forma el dentado con el eje axial. Este ángulo tiene que ser igual para las dos ruedas que engranan pero de orientación contraria, o sea: uno a derechas y el otro a izquierda. Su valor se establece a priori de acuerdo con la velocidad que tenga la transmisión, los datos orientativos de este ángulo son los siguientes:

Velocidad lenta: β = (5º - 10º) Velocidad normal: β = (15º -

25º) Velocidad elevada: β = 30º

Ventajas:



Los engranajes helicoidales pueden ser utilizados en una gran caridad de aplicaciones, ya que pueden ser montados tanto en ejes paralelos como en los que no lo son.

Presentan un comportamiento más silencioso que el de los dientes rectos usándolos entre ejes paralelos.

Poseen una mayor relación de contacto debido al efecto de traslape de los dientes.

Pueden transmitir mayores cargas a mayores velocidades debido al embonado gradual que poseen.

Desventajas:

La principal desventaja de utilizar este tipo de engranaje, es la fuerza axial que este produce, para contrarrestar esta reacción se tiene que colocar una chumacera que soporte axialmente y transversalmente al árbol.

Tipos:

ENGRANAJES HELICOIDALES DE EJES PARALELOS:

Se emplea para transmitir movimiento o fuerzas entre ejes paralelos, pueden ser considerados como compuesto por un número infinito de engranajes rectos de pequeño espesor escalonado, el resultado será que cada diente está inclinado a lo largo de la cara como una hélice cilíndrica.

Los engranajes helicoidales acoplados deben tener el mismo ángulo de la hélice, pero el uno en sentido contrario al otro (Un piñón derecho engrana con



una rueda izquierda y viceversa). Como resultado del ángulo de la hélice existe un empuje axial además de la carga, transmitiéndose ambas fuerzas a los apoyos del engrane helicoidal.

Para una operación suave un extremo del diente debe estar adelantado a una distancia mayor del paso circular, con respecto al a otro extremo. Un traslape recomendable es 2, pero 1.1 es un mínimo razonable (relación de contacto). Como resultado tenemos que los engranajes helicoidales operan mucho más suave y silenciosamente que los engranajes rectos.

ENGRANAJES HELICOIDALES DE EJES CRUZADOS:

Son la forma más simple de los engranajes cuyas flechas no se interceptan teniendo una acción conjugada (puede considerárseles como engranajes sinfín no envolventes), la acción consiste primordialmente en una acción de tornillo o de cuña, resultando un alto grado de deslizamiento en los flancos del diente.

El contacto en un punto entre diente acoplado limita la capacidad de transmisión de carga para este tipo de engranes.

Leves cambios en el ángulo de las flechas y la distancia entre centro no afectan al a acción conjugada, por lo tanto el montaje se simplifica grandemente. Estos pueden ser fabricados por cualquier máquina que fabrique engranajes helicoidales.

ENGRANAJES HELICOIDALES DOBLES:



Los engranajes "espina de pescado" son una combinación de hélice derecha e izquierda. El empuje axial que absorben los apoyos o cojinetes de los engranajes helicoidales es una desventaja de ellos y ésta se elimina por la reacción del empuje igual y opuesto de una rama simétrica de un engrane helicoidal doble.

Un miembro del juego de engranes "espina de pescado" debe ser apto para absorber la carga axial de tal forma que impida las carga excesivas en el diente provocadas por la disparidad de las dos mitades del engranaje.

Un engrane de doble hélice sufre únicamente la mitad del error de deslizamiento que el de una sola hélice o del engranaje recto. Toda discusión relacionada a los engranes helicoidales sencillos (de ejes paralelos) es aplicable a loso engranajes de helicoidal doble, exceptuando que el ángulo de la hélice es generalmente mayor para los helicoidales dobles, puesto que no hay empuje axial.

ENGRANAJES CÓNICOS:



Se fabrican a partir de un tronco de cono, formándose los dientes por fresado de su superficie exterior. Estos dientes pueden ser rectos, helicoidales o curvos. Esta familia de engranajes soluciona la transmisión entre ejes que se cortan y que se cruzan. Los datos de cálculos de estos engranajes están en prontuarios específicos de mecanizado.

ENGRANAJES CÓNICOS DE DIENTES RECTOS:

Efectúan la transmisión de movimiento de ejes que se cortan en un mismo plano, generalmente en ángulo recto, por medio de superficies cónicas dentadas. Los dientes convergen en el punto de intersección de los ejes. Son utilizados para efectuar reducción de velocidad con ejes en 90°. Estos engranajes generan más ruido que los engranajes cónicos helicoidales. Se utilizan en transmisiones antiguas y lentas. En la actualidad se usan muy poco.

ENGRANAJE CÓNICO HELICOIDAL:



Se utilizan para reducir la velocidad en un eje de 90°. La diferencia con el cónico recto es que posee una mayor superficie de contacto. Es de un funcionamiento relativamente silencioso. Además pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten. Los datos constructivos de estos engranajes se encuentran en prontuarios técnicos de mecanizado. Se mecanizan en fresadoras especiales.

ENGRANAJE CÓNICO HIPOIDE:

Un engranaje hipoide es un grupo de engranajes cónicos helicoidales formados por un piñón reductor de pocos dientes y una rueda de muchos dientes, que se instala principalmente en los vehículos industriales que tienen la tracción en los ejes traseros.

Tiene la ventaja de ser muy adecuado para las carrocerías de tipo bajo, ganando así mucha estabilidad el vehículo. Por otra parte la disposición helicoidal del dentado permite un mayor contacto de los dientes del piñón con



los de la corona, obteniéndose mayor robustez en la transmisión. Su mecanizado es muy complicado y se utilizan para ello máquinas talladoras especiales (Gleason).

TORNILLO SIN FIN Y CORONA:

Un engranaje de sinfín está formado por un tornillo sinfín y una rueda helicoidal, como se observa en la figura. Este engrane une flechas que no son paralelas y que no se cruzan, por lo común en ángulo recto una con la otra. El tornillo sinfín es un engrane helicoidal, con un ángulo de hélice tan grande que un solo diente se enrolla de manera continua alrededor de su circunferencia.

Debido al contacto lineal existente entre el filete del tornillo y los dientes de la rueda, al girar el tornillo sin desplazarse axialmente, transmite un movimiento de giro a la rueda; de tal forma que, en una rotación completa del tornillo, la rueda gira un arco igual al paso de la rosca del tornillo.

La transmisión del movimiento se realiza siempre del tornillo sin fin (rueda conductora) a la rueda helicoidal (rueda conducida) y no al revés; es decir, el sistema no es reversible. Este tipo de engranaje permite obtener una gran reducción de velocidad, presentando un bajo rozamiento y una marcha silenciosa.

Sin embargo, como en todos los engranajes helicoidales, presenta un empuje axial elevado, por lo que exige la utilización de cojinetes adecuados para poder soportar dichos esfuerzos. También podemos decir que es un mecanismo diseñado para transmitir grandes esfuerzos, y como reductores de velocidad aumentando la potencia de transmisión.

TRENES DE ENGRANAJES:



Se llama tren de engranajes a aquella transmisión en la que existen más de dos engranajes. Los trenes de engranajes se utilizan cuando:

La relación de transmisión que se quiere conseguir difiere mucho de la unidad.

Los ejes de entrada y de salida de la transmisión están muy alejados.

Se quiere que la relación de transmisión sea modificable.

Los trenes de engranajes se pueden clasificar en trenes simples, si existe sólo una rueda por eje; y compuestos, si en algún eje hay más de un engranaje. También se puede diferenciar entre trenes reductores y multiplicadores, según que la relación de transmisión sea menor o mayor que la unidad. La relación de transmisión entre el eslabón conductor y el conducido es:

En los trenes de engranajes a la relación de transmisión se le atribuye signo positivo si los sentidos de giro de entrada y de salida son iguales, y negativo si son opuestos. Además, en los trenes de engranajes los ejes de entrada y de salida pueden ser paralelos, cruzarse o cortarse en el espacio. Los trenes de engranajes que se han considerado hasta ahora se caracterizan porque los ejes de todas las ruedas están fijos mediante cojinetes al bastidor; por eso, se dice que son trenes de engranajes ordinarios.

Pero existen trenes de otro tipo, en los que el eje de alguna rueda no está fijo al bastidor, sino que se puede mover. A esta clase de ruedas se las conoce como ruedas satélites, y a los trenes de engranajes que tienen alguna rueda de este tipo se les denomina trenes epicicloidales, planetarios o de ruedas satélites.

DISEÑO DE EJES



EJES

Son elementos que sirven para transmitir potencia y en general se llaman árboles a los ejes sin carga torsional, la mayoría de los ejes están sometidos durante su trabajo a cargas combinadas de torsión, flexibilidad y cargas axiales.Los elementos de transmisión: poleas, engranajes, volantes, etc., deben en lo posible estar localizados cerca a los apoyos.

El diseño de ejes consiste básicamente en la determinación del diámetro adecuado del eje para asegurar la rigidez y resistencia satisfactoria cuando el eje transmite potencia en diferentes condiciones de carga y operación.Los ejes normalmente tienen sección transversal circular: macizos – huecosPara el diseño de ejes, cuando están hechos de aceros dúctiles, se analizan por la teoría del esfuerzo cortante máximo.Los materiales frágiles deben diseñarse por la teoría del esfuerzo normal máximo.El código ASME define una tensión de corte de proyectos o permisible que es la más pequeña de los valores siguientes:

(Ec4.5) Ó (Ec 4.6)Si hay concentración de tensiones debido a un acuerdo o un chavetero, la norma dice que hay que disminuir en un 25% la tensión de corte permisible.

La tensión de corte en un eje sometido a flexión y torsión viene dado por:



(Ec 4.7)

EL ESFUERZO DE TORSIÓN:

Para ejes macizos (Ec 4.8)

Para ejes huecos (Ec 4.9)

EL ESFUERZO DE FLEXIÓN:



ESFUERZOS AXIALES (COMPRESIÓN – TRACCIÓN):



El código ASME da una ecuación para el cálculo de un eje hueco que combina torsión, flexión y carga axial, aplicando la ecuación del esfuerzo cortante máximo modificada mediante la introducción de factores de choque, fatiga y columna.

(Ec 4.14)Para un eje macizo con carga axial pequeña o nula.



(Ec 4.15)

Dónde:

xy = Esfuerzo cortante de torsión, psi. de = Diámetro exterior, pulg.M = Momento flector, lb-pulg. di = Diámetro interior, pulg.T = Momento torsor, lb-pulg. F = Carga axial, lb.K = di/de

= Tensión de corte máxima, psi.

= Tensión de flexiónCf = Factor de choque y fatiga, aplicado al momento flector.Ct = Factor de choque y fatiga, aplicado al momento de torsión.

f = Esfuerzo de flexión, psi.

e = Esfuerzo axial (Tensión – Compresión), psi.

Ejemplo de análisis de fatiga, consideraciones de rigidez.

Máquina de probeta rotatoria de Moore para ensayo a Fatiga

Por ejemplo, supóngase que se desea conocer el comportamiento a fatiga de un material hasta 1e8 ciclos utilizando seis valores de la tensión con tres probetas por cada tensión. El ensayo más largo de 1e8 ciclos costaría unos 14



días en una máquina capaz de producir 5000 ciclos/min. Por tanto si sólo se dispone de una máquina el tiempo para realizar todos los ensayos sería de varios meses. Existen métodos de ensayo rápidos pero la fiabilidad de los resultados es menor.

En base a los ensayos sobre probetas se han desarrollado métodos para cálculo y diseño a Fatiga. La extrapolación de los resultados de los ensayos de fatiga a las piezas reales está basado en la utilización de una serie de valores modificativos empíricos, y por ello la fiabilidad de los métodos de cálculo es reducida si se compara por ejemplo con un cálculo estático lineal ya que existen numerosos factores que intervienen en el comportamiento a fatiga de un sistema físico que son imposibles de introducir en un modelo de elementos finitos, teniendo el usuario que "estimar" su efecto. Por tanto, en sistemas de alta responsabilidad es imprescindible recurrir a ensayos sobre prototipos.

FRENOS Y EMBRAGUES

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 mencionaran 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.

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.

Freno: 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 está revestido con un material resistente al calor que no se desgasta con facilidad, no se alisa y no se vuelve resbaladizo.

Los frenos y embragues están completamente relacionados ya que ambos utilizan la fricción como medio de funcionamiento, en teoría existen cálculos y normas con las que se pueden diseñar y dar mantenimiento a estos dispositivos. Sin embargo en la práctica es difícil prevenir su comportamiento, ya que existen innumerables factores que actúan en contra del comportamiento de estos, como las altas temperaturas, desgaste de los materiales, fallas en el material, etc. No obstante con los avances en la tecnología se ha podido reducir el riesgo de falla y se ha logrado optimizar el funcionamiento, tomando en cuenta que ambos dispositivos representan una gran parte del factor de seguridad del conjunto completo.

HISTORIA:

La más reciente evidencia que tenemos acerca de la existencia de la rueda se remonta casi seis mil años. Y sin embargo aún no sabemos cuándo ni cómo surgió la necesidad del impedimento del avance de aquellos vehículos primitivos. El primer freno que puede haber existido talvez haya sido alguna especie de ancla o algún dispositivo sostenido en el chasis que pudiera haber sido enterrado en la tierra, mientras este se movía. Cuando la bicicleta apareció hace un par de siglos, la única manera de desacelerar era presionando el zapato sobre la rueda aunque era muy peligroso y provocaba cierto desbalance en el aparato. Por eso, en 1783 Kirkpatrick Macmillan, un herrero escocés invento el freno de cuchara que consistía en una palanca que presionaba un bloque de madera contra la llanta (actualmente la banda de hierro).



Posteriormente, una mejoría enorme en el poder de frenado apareció, los frenos de tambor de expansión interna, atribuido al francés Louis Renault. Inicialmente los tambores eran de acero estampado, lo que aumentaba el ruido de la frenada que generalmente no era muy agradable. Los tambores de hierro fundido aparecieron poco después y en 1919 un diseño hispano-sueco introdujo un aluminio refinado con líneas de hierro. Los frenos de tambor hicieron un buen trabajo, sin embargo la disipación de calor era un gran problema debido a rozamiento entre los materiales y los sistemas de refrigeración no eran lo suficientemente avanzados como para mantener factible este diseño de frenos, y conforme las velocidades de los automóviles fueron aumentando se hacía menos viable la idea.

Alrededor de 1890 entran los frenos de disco, aunque sea poco creíble una de las primeras versiones de estos frenos fueron usados en las llantas delanteras de un carro eléctrico diseñado por Elmer Ambrose Sperry en 1998, en donde una electroimán forzar a un dispositivo protector contra el rotor. El primer diseño que se conoce que disponía de frenos de disco es el Crosley 49', después aparecieron en los frenos de aviones. En 1950 los franceses e ingleses introdujeron en grandes cantidades los frenos de disco en las producciones de sus automóviles comerciales.

En 1961 apareció el servofreno, como ayuda al esfuerzo que ejerce el conductor sobre el pedal; y en 1965, Volvo añadió una válvula limitadora de presión. En 1963, Mercedes comenzó a instalar de serie sistemas de frenos con 3 circuitos. En la carrera por disipar mejor el calor, en 1966 Porsche lanzó el disco autoventilado. En 1985 comenzó a ofrecerse de serie (Mercedes Clase S y Ford Scorpio, los primeros) el ABS, en lo que fueron los inicios de la aplicación de la electrónica a los sistemas de frenado.

Abierto ya el camino, la llegada de más sistemas electrónicos a los frenos fue cuestión de tiempo: en 1986 llegó el control de tracción (ASD y ASR) que funciona en conexión con el ABS; en 1994, el ESP; en 1996, y posteriormente la asistencia a la frenada.

LOS FRENOS son elementos de máquinas que absorben energía cinética o potencial en el proceso de detener una pieza que se mueve o de reducirse la velocidad. La energía absorbida se disipa en forma de calor. La capacidad de un freno depende de la presión unitaria entre las superficies de energía que está siendo absorbida. El comportamiento de un freno es análogo al de un embrague, con la diferencia que un embrague conecta una parte móvil con otra parte móvil, mientras que el freno conecta una parte móvil con una estructura.



SISTEMAS DE FRENOS

Cuando se presiona el pedal de freno, se transmite una fuerza desde el pie hasta los frenos. En la actualidad la fuerza para frenar requerida es mucho mayor de lo que se puede aplicar con la pierna por lo que el sistema de frenado debe incrementar la fuerza aplicada por el pie, esto se logra por medio de dos formas:

Ventaja Mecánica (palanca)

Incremento de fuerza

Multiplicación de fuerza hidráulica

SISTEMA BÁSICO DE FRENOS

Para que se pueda frenar es necesario pisar el pedal de los frenos. Este, mediante el principio de palanca acciona una bomba de frenos, técnicamente conocida como cilindro maestro. El cilindro maestro envía el fluido conocido como liga de frenos, desde su depósito hasta cada una de las ruedas. Por razones de seguridad, existen dos líneas o circuitos que distribuyen la liga a las ruedas. Por eso se llaman frenos de doble circuito.



TIPOS DE FRENOS:

FRENO DE TAMBOR

Estos dispositivos están constituidos por una zapata que 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.

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

Este tipo de freno consta de un tambor, por lo general realizado en hierro fundido, solidario al cubo de la rueda, en cuyo interior, al pisar los frenos, se expanden unas zapatas de fricción en forma de "C" que presionan contra la superficie interna del tambor. Ya no se utilizan en el tren delantero de los coches modernos, que es el que soporta el mayor esfuerzo en la frenada, porque presentan desventajas a la hora de disipar el calor, y porque al ser más pesados que los frenos de disco pueden producir efectos negativos en la



dirección del vehículo. Sí se utilizan con frecuencia en el eje posterior de muchos vehículos, combinados con discos delanteros.

PARTES DEL FRENO DE TAMBOR

Tambor del freno

Zapata

Resortes de retorno de las zapatas

Plato de anclaje

Cable de ajuste

Pistón hidráulico

Cilindro de rueda

FRENO DE DISCOS

Se componen de un disco montado sobre el cubo de la rueda, y una mordaza colocada en la parte externa con pastillas de fricción en su interior, de forma que, al aplicar los frenos, las pastillas presionan ambas caras del disco a causa de la presión ejercida por una serie de pistones deslizantes situados en el interior de la mordaza. La mordaza puede ser fija y con dos pistones, uno por cada cara del disco. Pero también existen mordazas móviles, que pueden ser oscilantes, flotantes o deslizantes, aunque en los tres casos funcionan de la misma manera: la mordaza se mueve o pivota de forma que la acción de los pistones, colocados sólo a un lado, desplaza tanto la mordaza como la pastilla. Son más ligeros que los frenos de tambor y disipan mejor el calor, pues los discos pueden ser ventilados, bien formados por dos discos unidos entre sí



dejando en su interior tabiques de refrigeración, bien con taladros transversales o incluso ambas cosas.

La imagen muestra un freno de disco el cual funciona a base de fricción por lo que su fabricación debe ser de alta calidad y los materiales deben tener determinadas características lo que más adelante se analizara

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.

FRENOS DE DISCO CERRADO

El disco 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.

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.

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.

FRENOS HIDRAULICOS

El sistema de frenos hidráulicos usado en el automóvil es un sistema de múltiple sesión de pistones. Ya que este sistema permite que se transmitan fuerzas hacia dos o más pistones en la manera indicada en la figura.

El sistema de frenado hidráulico desde el cilindro maestro hasta los cilindros de las llantas en la mayoría de los automóviles opera de manera similar al sistema ilustrado en la figura.

Cuando el pedal del freno es accionado, la presión del pedal de freno mueve el pistón dentro del cilindro maestro, forzando el fluido del freno desde el cilindro maestro por medio del tubo y la manguera flexible del cilindro de las llantas. El cilindro de las llantas contiene dos pistones colocados de forma opuesta y desconectados, cada uno de ellos sostiene la zapata de frenado ajustada dentro del tambor. Cada uno de los pistones presiona la zapata contra la pared del tambor provocando el frenado de la rotación de la llanta. Cuando la presión en el pedal es liberada, el resorte en la zapata de frenado regresa los pistones en los cilindros de las llantas a su posición liberada. Esta acción fuerza el desplazamiento del líquido de frenos de vuelta por medio de la manguera al cilindro maestro.



La fuerza aplicada en el pedal de frenado produce una fuerza proporcional en cada uno de los pistones de salida los cuales aplican la fuerza sobre las zapatas friccionantes contra el giro de la llanta retardando la rotación.

FRENOS MOTORES

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

Reostáticos: Se aplican 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.

Por último existe una última clasificación de frenos que no utilizan adherencia para lograr el frenado ya sea total o parcial ya que suelen utilizar otros medios diferentes a los antes mencionados.

Patín electromagnético frotante: Debido a su gran desgaste sólo se utiliza como freno de urgencia.

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

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.



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:

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.

LOS FRENOS DE ZAPARA EXTERNA O DE BLOQUE constan de zapatas o de bloques presionados contra la superficie de un cilindro giratorio llamado tambor de freno. La palanca puede estar rígidamente montada sobre una palanca articulada, como muestra la figura 1, o puede estar articulada a la palanca, como muestra la figura 2

Figura 1 Figura 2

El diseño de un FRENO DE BLOQUE sencillo se puede hacer con base en el análisis de fuerzas y momentos de la palanca y de la zapata, a manera de un cuerpo libre, se puede suponer que la fuerza normal N y la fuerza de rozamiento fN actúan en el punto medio de contacto de la zapata, sin cometer un error apreciable, para ángulos menores de 60°. Sumando momentos alrededor de la articulación fija O,

Nótese que para una rotación del tambor en el sentido del movimiento de las agujas del reloj, la fuerza de rozamiento fN ayuda a la fuerza F en la aplicación del freno y el freno es parcialmente autoactuante. Para un coeficiente de rozamiento dado, el freno puede diseñarse para que sea completamente autoactuante (o autocerrante). Para que esta condición exista, F debe ser igual



a cero o negativo en la ecuación anterior. Podemos suponer también que el peso W es despreciable; entonces.

Es decir, que cuando el freno es autocerrante

El momento de frenado T para una situación autocerrante es Lb-plg

Donde f = Coeficiente de rozamiento

N = Fuerza normal total en lb.

R = Radio del tambor del freno en pulg

LOS FRENOS DE ZAPATA DOBLE se utilizan comúnmente para reducir las cargas en el eje y en los cojinetes, para obtener mayor capacidad y para reducir la cantidad de calor generado por pulgada cuadrada, la fuerza normal NL que actúa sobre la zapata izquierda no es necesariamente igual a la fuerza normal NR que actúa sobre la zapata derecha. Para frenos de doble bloque, cuyas zapatas tengan ángulos de contacto pequeños, digamos que menos de 60°, el momento de frenado puede aproximarse por

si el ángulo de contacto de la zapata es mayor a 60°, se requiere una evaluación más precisa del momento de frenado para las zapatas articuladas, el cual está dado entonces por

El diseño de FRENOS DE ZAPATA INTERNA del tipo simétrico su diseño se puede aproximar por medio de las siguientes ecuaciones:

El momento de frenado T puede determinarse por

Dónde:

Coeficiente de rozamiento

Ancho de la cara de la zapata en plg

Radio interno del tambor en plg

Angulo central comprendido desde la articulación de la zapata hasta la punta de revestimiento en grados

Angulo central comprendido desde la articulación de la zapata hasta la punta del revestimiento en grados.



Presión máxima en psi (zapata derecha)

Presión máxima en psi (zapata izquierda)

LOS FRENOS DE BANDA constan de una banda flexible enrollada parcialmente alrededor del tambor, se accionan halando la banda fuertemente contra el tambor. La capacidad del freno depende del ángulo de abrazamiento, del coeficiente de rozamiento y de las tensiones en la banda. Para este tipo de freno el sentido de rotación del tambor es tal que la banda anclada al marco constituye el ramal tenso F1, como se muestra

En cuanto a correas con velocidad cero, la relación entre el ramal tirante y el ramal flojo de la banda es:

Donde

F1 = Tensión en el ramal tirante de la banda en Lb

F2 = Tensión en el ramal flojo de la banda en Lb

e = base de los logaritmos naturales

f = coeficiente de rozamiento

Angulo de abrazamiento en radianes

La capacidad del momento de frenado T es: Lb-Plg

Donde r = radio del tambor de freno en Plg. Este tipo de freno de banda no tiene propiedades autocerrante.

Un Embrague es un sistema que permite controlar el acoplamiento mecánico entre el motor y la caja de cambios. El embrague permite que se puedan insertar las diferentes marchas o interrumpir la transmisión entre el motor y las ruedas. Los embragues utilizados en los automóviles son por fricción entre un disco solidario con la caja de cambios y de una maza solidaria al cigüeñal del motor. El disco se coloca entre la masa y el volante de inercia y el presionado por un resorte llamado diafragma. Cuando el embrague está sin accionar (motor embragado) el disco tiene un gran rozamiento con la maza y transmite toda la fuerza generada en el motor. Cuando se acciona el embrague (motor desembragado) el diafragma es comprimido por el conductor y el disco queda suelto, siendo incapaz de transmitir la fuerza del motor a la caja de cambios. Según la posición del pedal del embrague se puede conseguir un acoplamiento



total (pedal suelto) o acoplamientos parciales (pedal a medio pisar) que nos permiten variar la fuerza transmitida por el motor a la transmisión.

El embrague transmite la potencia del motor a la transmisión manual mediante su acoplamiento o desacoplamiento. También, hace la salida más suave, hace posible detener el vehículo sin parar el motor y facilita las operaciones del mismo.

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.

Colocación de un Embrague en un Automóvil moderno

Embrague Mecánico

Sistema de Embrague

Embrague Hidráulico

Embrague Mecánico: Los movimientos del pedal del embrague son transmitidos al embrague usando un cable. 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.

Embrague Hidráulico: Los movimientos del pedal del embrague son transmitidos al embrague por presión hidráulica. Una varilla de empuje conectada al pedal de embrague genera presión hidráulica en el cilindro maestro cuando el pedal es presionado y esa presión hidráulica desconecta el embrague.

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 sí, 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.



Embrague autoajustable: Embrague que incorpora entre su carcasa y diafragma cuñas de ajuste que le permiten ir auto ajustándose conforme va desgastándose el disco.

Embrague de fricción: Los embragues de fricción basados en la unión de dos piezas que al adherirse forman el efecto de una sola. 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.

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.

Embrague pilotado: Dispositivo que elimina el accionamiento del embrague por parte del conductor. El control del embrague lo realiza una centralita electrónica en función de las acciones del conductor. El embrague pilotado permite realizar los cambios de marcha de forma manual pero sin necesidad de accionar el embrague. Por medio de sensores se conoce el accionamiento de la caja de cambios, la velocidad del vehículo, la forma de accionar el acelerador, las revoluciones del motor y con todos los datos, la centralita acciona una bomba hidráulica que actúa sobre el embrague. También se determina la rapidez de actuación sobre el embrague y el deslizamiento necesario para evitar que se produzcan brusquedades durante el cambio de marchas.

Embragues electromagnéticos: Embragues que basan su funcionamiento en el principio de los efectos de la acción de los campos magnéticos.

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 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

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

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.

Un compresor de aire acondicionado en un carro tiene un embrague magnético. Esto permite que el compresor cierre mientras el motor esta encendido. Cuando la corriente fluye a través de un anillo magnético, el embrague embona. Tan pronto como la corriente para, tal como cuando apagas el interruptor de un aire acondicionado el embrague desembona. Este tipo de embrague esta ventilado contra las altas temperaturas de fricción que provoca el rozamiento, este sistema es utilizado en varios modelos de automóviles nuevos.

Como un embrague es un implemento de rozamiento que permite la conexión y la desconexión de ejes. El diseño de los embragues y los frenos es comparable en muchos aspectos. Esto se ilustra bien mediante un embrague de múltiples discos, el cual se usa también como freno. Un problema de diseño más



evidente en el diseño de frenos comparado con del diseño de embragues es el de la generación y la disipación del calor. En el análisis de un embrague es muy frecuente imaginar que las partes no se mueven entre sí, aun cuando no se debe pasar por alto el hecho que la transmisión de potencia por rozamiento generalmente envuelve algún deslizamiento. Por esta razón, cuando se necesita tener transmisión positiva de potencia debe apelarse a un implemento positivo tal como un embrague de mandíbulas.

Embragues de discos o laminas

Un embrague de múltiples discos se muestra en la figura, las láminas A son generalmente de acero y están colocadas sobre estrías en el eje C, para permitir el movimiento axial (excepto para el último disco). Las láminas B son generalmente de bronce y están colocadas en estrías del elemento D

El número de parejas de superficies que transmiten podenca es uno menos que la suma de los discos de acero y bronce, y es además un número par si el diseño es tal que no se requiere cojinetes axiales.

n = nacero + nBronce - 1

Para el sistema mostrado, n = 5 + 4 - 1 = 8 parejas de superficies en contacto

La capacidad del momento de torsión está dada por:

Dónde:

Capacidad de momento, Lb-Plg

Carga axial, Lb

Coeficiente de rozamiento

La fuerza axial está dada por: donde p es la presión media

La capacidad de potencia es

Para desgaste uniforme, la variación de presión está dada por

Donde C es una constante y r es el radio del elemento diferencial

Embragues Cónicos

Un embrague Cónico debe su eficiencia a la sección de cuña de la parte cónica en la parte receptora

La capacidad de momento de torsión de un embrague cónico con sus partes ajustadas con base en presión uniforme es:



Dónde:

T = Momento. Lb-Plg

F = Fuerza Axial, Lb

f = Coeficiente de rozamiento

R0= Radio exterior de contacto

Ri = Radio interior de contacto, Plg

Rm = Radio Medio

b = Ancho de cara

ACOPLAMIENTO DE EMBRAGUES CÓNICOS

Un problema que se presenta con los embragues cónicos y no ocurre con los embragues de múltiples discos es la posibilidad de que se necesite una fuerza mayor para acoplar el embrague que la que se requiere durante la operación cuando el receptor y el cono giran a la misma velocidad. El análisis se complica por el hecho que la dirección de las fuerzas de rozamiento depende de la forma de acoplamiento, esto es, de la relación entre el movimiento rotatorio relativo y el movimiento axial relativo del receptor y el cono. Un procedimiento conservador consiste en suponer que no se presenta movimiento rotatorio relativo durante el acoplamiento, para la cual la fuerza axial máxima, Fe necesaria para acoplar el receptor y el cono es:

Esta fuerza es la máxima requerida para obtener la fuerza normal deseada Fn, la cual a su vez desarrolla la fuerza de rozamiento que produce el momento de rozamiento deseado.

FUERZA AXIAL PARA MANTENER ACOPLADOS EL RECEPTOR Y EL CONO

La fuerza requerida para mantener acoplados el cono y el receptor, teniendo en cuenta el rozamiento varía entre:

Debido a la vibración, le rozamiento puede no ser muy confiable y es conservador suponer que la fuerza axial para mantener acoplados las partes la da mayor valor de



FUERZA AXIAL REQUERIDA PARA DESACOPLAR EL RECEPTOR Y EL CONO

Normalmente, con los ángulos de cono comúnmente usados, no se necesita una fuerza para desacoplar las partes, aun cuando es posible que si, sea necesaria una fuerza axial Fd para desacoplar las partes:

MATERIALES DE FRICCION USADOS EN FRENOS Y EMBRAGUES

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, y 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 mas 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.

La siguiente tabla muestra algunos parámetros de desgaste respecto al tipo de movimiento Rotary: rotatorio, Oscillatory: oscilatorio, Reciprocating: Reciproco

Como parámetros están la Presión en Psi, la Velocidad en ft/min y el coeficiente de ficción.



CONCLUSION

En el aprendizaje de esta guía, donde los protagonistas de este compendio son los elementos de máquinas, hacen su parte importante y el equipo perfecto para dicha labor, aprendimos los diferentes tipos materiales y su composición, historia, genero, medidas, características físicas, químicas, funcionamiento en la industria y marcas.

Por ejemplo en conclusión de engranaje, es la solución más simple a la transmisión de movimiento. Como hemos visto su construcción es compleja pero de fácil entendimiento. Las aplicaciones son variadas y las utilizamos a diario.

Los dibujos y esquemas de da Vinci nos lleva a pensar que la mecánica no es solo aplicación de conocimientos; también influye la imaginación y la creación.

Lo que respecta al diseño de un eje es una tarea en la que es necesario tener en cuenta los detalles y la aplicación específica del mismo, de manera que se seleccionen los criterios de análisis de diseño correctamente. En general, los criterios de análisis de un eje pueden ser de Deformación – Rigidez o Esfuerzos – Resistencia y para obtener la información necesaria para estos criterios resulta extremadamente útil un acelerador de diseño como el de Autodesk Inventor. Este artículo le orientará en la aplicación de esta herramienta en el proceso general de diseño de un eje.

Los frenos y los embragues constituyen una parte fundamental del diseño de elementos de máquinas, actualmente es común ver estos dispositivos principalmente en cualquier tipo de automóviles; sin embargo cabe mencionar que los frenos y los embragues son componentes fundamentales en partes de máquinas herramientas, mecanismos móviles, aparatos elevadores, turbinas, etc.

Los frenos y embragues están completamente relacionados ya que ambo utilizan la fricción como medio de funcionamiento, en teoría existen cálculos y normas con las que se pueden diseñar y dar mantenimiento a estos dispositivos. En la práctica es difícil prevenir su comportamiento ya que actúan innumerables factores que actúan en contra del comportamiento de estos, como las altas temperaturas, desgaste de los materiales, fallas en el material, etc. En la actualidad se ha logrado reducir los riesgos de falla.



BIBLIOGRAFIA

MOTT, ROBERT L. Diseño de Elementos de Máquinas. Ed. Pearson – Prentice Hall, Cuarta Edición, 2006.

ROBERT C. JUVINALLl and Kurt M. Marshek, Fundamentals of Machine Component design. 3rd Edición.

SHIGLEY y MISCHKE, Diseño en ingeniería mecánica. 5ta Edición. Mc Graw Hill.

Calculo de engranajes Carlos Ahumada Zepeda

SCA Mecánica S.A www.Scamecanica.com

Ingeniería Universidad Católica; Alrededor de las maquinas

http://www.Scamecanica.com/



CIBERGRAFIA

http://yackceva.blogspot.com/2011/05/frenos-y-embragues.html

http://html.rincondelvago.com/engranajes_2.html

http://es.slideshare.net/rjmolivo/guia-diseo-de-ejes-o-arboles-calculoselecionrodamiento-y-lubricantes



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http://yackceva.blogspot.com/2011/05/frenos-y-embragues.html


guia 3 de diseño mecanico 2 diego jaramillo

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