Frenos y Embragues

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.

Definiciones:

• 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.

Tipos de frenos y embragues

1) Embragues y frenos de fricción: Son los de uso común. Dos o más superficies son oprimidas entre sí mediante una fuerza perpendicular o normal, para crear un par de torsión por fricción.

• Frenos de tambor con banda: Son posiblemente el dispositivo de frenado más sencillo de concebir. Se utilizan en aparatos elevadores , máquinas excavadoras, en montacargas y otra maquinaria. Una de las desventajas que tiene este tipo de freno es el momento flector que produce en el eje.
  
  

• Freno de tambor con zapatas internas expansibles: Estos dispositivos están constituidos por una zapata, la cual está 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 abajas velocidades y requieren fuerzas de conexión y desconexión intensas.

• 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.

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 autoenergizante.
- Las pastillas son más pequeñas y se desgastan más rápido que las de los frenos de tambor.

• Embragues de contacto positivo: Estos embragues se acoplan mediante interferencia mecánica, y este acoplamiento se obtiene con quijadas de forma cuadrada o de dientes de sierra, o con dientes de formas diversas.

Caracteristicas:

- No tiene deslizamiento.

- Transmiten grandes torques.

- Son acoplados a velocidades relativamente bajas (60r.p.m. máximo para embragues de quijada y 300r.p.m. máximo para embragues de dientes).

- Su conexión es ruidosa.

Embrague de quijadas cuadradas

Embrague de dientes

• Embragues unidireccionales: Operan automáticamente con base en la velocidad relativa entre los dos elementos. Actúan sobre la circunferencia y permiten la rotación relativa sólo en una dirección.

• Embrague de resorte: Contiene un resorte enrollado con firmeza alrededor del eje. La rotación en una dirección aprieta el resorte con más fuerza sobre el eje, para transmitir el par de torsión. La rotación contraria afloja ligeramente el resorte, lo que provoca que se deslice.

• Embrague de uñas: Consta de una pista interior y una exterior, el espacio entre las pistas está lleno con uñas de forma rara, que permiten el movimiento en una sola dirección pero en la otra se traban y bloquean las pistas.

2) Embragues y frenos magnéticos:

• Partículas magnéticas: El espacio o entrehierro entre superficies esta 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 carcaza, sin deslizamiento.

• 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.

Paginas consultadas:

• http://es.scribd.com/doc/20350111/FRENOS-Y-EMBRAGUES#
• http://www.sabelotodo.org/automovil/frenobanda.html
• http://www.sabelotodo.org/automovil/frenodisco.html

Impulsor de Cadena: Aplicación real

Una compañía fabricante de maquinaria industrial necesita diseñar un impulsor de cadena para un nuevo modelo de montacargas de carga mediana. Este tipo de montacargas será impulsado por un motor de diesel mediante un impulsor mecanico. La velocidad del motor es de 1200r.p.m. y la velocidad de salida deseada oscila entre 560 y 580r.p.m., y necesita una potencia de 25hp.

Metodología de cálculo

1) Factor de servicio (SF): 

Por su característica de carga mediana y su motor de combustión con impulsor mecánico, su factor de servicio es de 1.4.

2) Calcular la potencia de diseño:

Potencia de diseño = SF × potencia especificada

Potencia de diseño = 1.4 × 25 = 35hp

3) Calcular la relación de velocidad:

Relación = velocidad entrada/Media deseada = 1200/570 = 1.2

4) Determinar el numero de dientes de la rueda dentada pequeña (N1):

Tomando en cuenta la velocidad del motor y potencia de diseño, el numero dientes de la rueda pequeña es de 26.

 5) Determina el numero de cadena, el paso (p) y el tipo de lubricación:

Tomando en cuenta N1 y la velocidad del motor, el montacargas necesita cadenas de un solo tramo #60, con paso de 3/4" y lubricación tipo III.

6) calcular el numero de dientes de la rueda dentada grande:

N2 = N1 x relación de velocidad = 26 × 2.1 = 54.6 = 55

7) calcular al velocidad de salida:

n2 = n1(N1/N2) = 1200(26/55) = 567r.p.m.

8) Calcular los diámetros de paso de las ruedas dentada:

D1 = p/sen(180/N1) = 0.75/sen(180/26) = 6.22"

D2 = p/sen(180/N2) = 0.75/sen(180/55) = 13.13"

9) Distancia central especificada: 

C = 40 pasos

10) Calcular la  longitud de la cadena (L):

L = 2C + (N2+N1)/2 + (N2-N1)²/4π² × C

L = 2×40 + (55+26)/2 + (55-26)²/4π² × 40 = 121.03 pasos

11) Especificar el número de pasos en número entero: L = 121 pasos

12) Calcular la distancia central teórica (CT):

CT = 1/4(L - (N2+N1)/2 + √(L - ((N2+N1)/2))² - 2(N2-N1)²/π²)

CT = 1/4(121 - (55+26)/2 + √(121 - ((55+26)/2))² - 2(55-26)²/π²) = 39.98 pasos

12) Multiplicar la distancia teórica por el paso:

CT × p = 39.98 × 3/4 = 29.98"

Resumen de diseño:

• Paso: cadena #60, paso de 3/4".
• Longitud: 121 pasos.
• Distancia central: C = 29.98"
• Ruedas dentadas: cadena #60, un solo tramo, paso de 3/4".

                           Pequena: 26 dientes, D1 = 6.22"

                           Grande: 55 dientes, D2 = 13.13"

• Lubricación tipo III, la cadena puede lubricarse por inyección de aceite.



Impulsores de Cadena

Los impulsores de cadena son una forma solida y segura de transmitir la energía mecánica de un lugar a otro. A menudo se utiliza para transmitir potencia a las ruedas de un vehículo, en particular, bicicletas y motocicletas . También se utiliza en una amplia variedad de máquinas, además de los vehículos.

Muy a menudo, el poder se transmite por una cadena de rodillos , conocida como cadena de transmisión, que pasa sobre una rueda dentada de marcha,  la cual engrana sus dientes con los agujeros de los eslabones de la cadena. El equipo está encendido, y esta tira de la cadena poniendo la fuerza mecánica en el sistema. Otro tipo de cadena de transmisión es la cadena de Morse, inventado por la Compañía de cadenas Morse de Ithaca, Nueva York , EE.UU. Estos han invertido los dientes.

A veces la potencia de salida es por una simple rotación de la cadena, que se puede utilizar para levantar o arrastrar objetos. En otras situaciones, una segunda marcha se realiza y el poder se recupera uniendo los ejes o centros de este tipo de engranaje. Al variar el diámetro de la entrada y salida de engranajes con respecto a la otra, la relación de transmisión puede ser alterada, por ejemplo, los pedales de una bicicleta pueden hacer girar todo alrededor más de una vez por cada rotación del engranaje que impulsa las ruedas.

Cadena de Rodillos

Cadena de rodillos o cadena de casquillos y rodillos es el tipo de impulsor de cadena más común para la transmisión de potencia mecánica en muchos tipos de máquinas de uso doméstico, industrial y agrícola. Se compone de una serie de rodillos cilíndricos cortos unidos por enlaces secundarios. Es impulsado por una rueda dentada llamada piñón . Se trata de un simple, confiable y eficiente medio de transmisión de energía.

Aunque Hans Renold se acredita con la invención de la cadena de rodillos en el año 1880, los bocetos de Leonardo da Vinci en el siglo 16 muestran una cadena con un rodamiento de rodillos .

Boceto de da Vinci

Estructura básica de una cadena de transmisión

• Pasador: el pasador está conforme a las fuerzas que se ejercen sobre ella y de flexiones transmitidas por la placa. Este a su vez actúa junto al casquillo como arco de contacto de los dientes del piñón, cuando las flexiones de la cadena se ejercen durante el contacto con el piñón. Por lo tanto, las necesidades del pasador deben soportar toda la fuerza de transmisión, resistencia a la flexión, y también deben tener suficiente resistencia contra fuerzas de choque.

• Casquillo: el casquillo es de estructura sólida y se rectifican si son curvados, con el resultado que dan una base cilíndrica perfecta para el rodillo. Esta característica maximiza la duración del rodillo en condiciones de alta velocidad y da una seguridad más consistente de la placa interior sobre el casquillo.

• Rodillo: el rodillo está sometido a la carga de impacto cuando esta en contacto con los dientes del piñón con la cadena. Después del contacto, el rodillo cambia su punto del contacto y de balance. Se sostiene entre los dientes del piñón y del casquillo, y se mueve en la cara del diente mientras que recibe una carga de compresión. Además, la superficie interna del rodillo constituye una pieza del cojinete junto con la superficie externa del buje cuando el rodillo rota en el carril. Por lo tanto, debe ser resistente al desgaste y todavía tener fuerza contra choque, fatiga, y la compresión.

Ventajas:

• No se producen resbalamientos.
• se mantiene constante la relacion de velocidades.
• El rendimiento es elevado: 98%.
• La carga repartida sobre varios dientes del piñón prolonga la vida útil de la cadena.
• La clasica elastica de la cadena, sumada a la película lubricante que se forma entre las partes móviles, amortiguan los golpes por cargas intermitentes.

Como pedir una cadena: suministrar los siguientes datos:

• Longitud (en metros, en pasos o cantidad de rodillos).
• Paso.
• Luz interior.
• Diámetro de rodillo.
• Cantidad de hileras (simple, doble o triple) y de ser doble o triples, indicar el paso transversal.
• Especificar si se necesitan uniones o medias mallas.

Como pedir un piñón o rueda: suministrar los siguientes datos:

• Cantidad de dientes.
• Datos de la cadena según la lista anterior.
• Diámetro del eje en que será montado.

Tabla de factores de servicio

Lubricación:

• Por goteo: de 170 ft/min a 650 ft/min.
• Por baño: de 650 ft/min a 1500 ft/min.
• Por bomba: por arriba de 1500 ft/min.

Mantenimiento:

• Tipo de lubricación correcta de acuerdo a la velocidad de la cadena.
• Lo mas frecuentemente posible, quitar la cadena, lavarla a fondo con nafta y sumergirla en aceite pesado o grasa caliente, para que penetre en todos los pernos, bujes y rodillos. Luego, dejar escurrir fuera del baño caliente y volver a colocar sobre los engranajes.
• Observar periódicamente el estado de los diversos elementos componentes.

Accesorios para las cadenas:

• Unión: es la pieza necesaria para empalmar entre si los extremos de una cadena.
• Media malla: es el elemento necesario para quitar o añadir un solo paso de cadena y poder ajustar así, la tensión de la misma, especialmente cuando se trata de distancias fijas entre ejes.

Distancia entre ejes

Los mandos a cadena no tienen centros precisamente limitados, a menos que ello se a una necesidad determinada por los órganos accionados. Es conveniente tener presente que una distancia demasiado corta, es causa de desgaste prematuro de la cadena, con el inconveniente ademas, de reducir la cantidad de dientes engranados, particularmente cuando la relación del mando es elevada.

Las distancias excesivas tampoco son convenientes, por la flexión y el peso de la cadena.

Dentro de una amplia escala, esta determinada como distancia mínima entre ejes, la equivalencia de: una vez el diámetro de la rueda grande mas la mitad del diámetro del piñón.

Aplicaciones:

Transportadores, máquinas de impresión , aviones, coches ,motocicletas, equipos de perforación terrestre y marino, y máquinas simples como las bicicletas.

Transportadora.

Cadenas para equipo de perforación.

Cadena en serie ANSI.

Cadena de última generación.

Paginas consultadas:

• http://translate.google.com/translate?hl=es&langpair=en|es&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Roller_chain
• http://translate.google.com/translate?hl=es&langpair=en|es&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Roller_chain
• http://www.angellarreina.com/folletos/Transmisiones%20por%20Cadenas%20de%20Rodillos.pdf
• http://html.rincondelvago.com/mecanica_fundamentos-de-la-cadena.html