embrague de fricción (consideraciones de diseño) · en automotriz, el tipo de embrague que mas se...
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INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA
Embrague de fricción
(Consideraciones de diseño)
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Embragues
Son acoplamientos temporales utilizados para solidarizar
dos piezas que se encuentran en ejes coaxiales, para
transmitir el movimiento de rotación y torque de uno (plato
conductor) a otro (plato conducido), a voluntad del
operador.
1. Plato conductor
2. Plato conducido
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En automotriz, el tipo de embrague que mas se utiliza está
basado en el fenómeno físico de fricción o rozamiento.
El rozamiento es la acción
que se opone al
desplazamiento relativo de
dos cuerpos en contacto,
que se hallan bajo la acción
de una fuerza normal a la
superficie común.
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El coeficiente de rozamiento es la relación entre la fuerza
de rozamiento y la fuerza normal a dos superficies de
contacto.
Su valor depende de los materiales, naturaleza y estado de
las superficies de contacto.
Coeficiente de fricción
donde:
, Fuerza de rozamiento
, Fuerza normal
r
N
r
N
F
F
F
F
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Cuando el embrague no es capaz de transmitir todo el par
del motor, se produce deslizamiento entre las superficies de
contacto, con rozamiento y generación de calor, que
deteriora rápidamente el material adherente del disco.
-Características del motor (potencia, torque y rpm)
- Tipo de caja de velocidades (relaciones de transmisión)
- PBV
- Tipo de aplicación;
- Relación del diferencial;
Estos factores determinarán el diámetro y el peso del plato
de apriete y el tipo de disco que deberá utilizarse.
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Cada tipo de vehículo dispone de un
embrague ideal, calculado en función de:
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En la práctica se considera otro factor que influye en su valor:
-La temperatura, ya que podría modificar la naturaleza de la
superficie, al provocar la carbonización o la descomposición de
algunos componentes que integran la fórmula del material de
fricción, especialmente los de naturaleza orgánica.
La temperatura tiene un efecto negativo sobre el coeficiente de
fricción de algunos materiales.
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Kevlar
Material orgánico
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Diseño del disco de embrague de fricción
-Función que cumple
-Forma y partes
-Material de la guarnición (características, coeficiente de
fricción, resistencia a la temperatura, etc.)
-Dimensiones (Radio exterior e interior)
-Esfuerzos que soporta
-Proceso de fabricación
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El disco de embrague
El embrague es un sistema que debe ser capaz de transmitir pares
que en ocasiones pueden ser muy grandes, y hacerlo de modo
adecuado bajo condiciones muy adversas, cumpliendo además
severos requisitos.
El proceso de transmisión de par en
los embragues de fricción está
controlado en gran medida por las
cualidades del material de fricción en
el disco de embrague, que roza con la
volante y el plato de presión.
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Partes del disco de embrague
1, Disco metálico
2, Material de fricción
3, Muelles
4, Cubo estriado
5, Remaches
3
4
2
5
Características del comportamiento tribológico de los materiales en
contacto
-Los materiales en contacto deben tener un alto
coeficiente de fricción.
-Resistencia al desgaste.
-El valor del coeficiente de fricción debe ser constante
sobre un rango de temperaturas y presiones adecuado.
-Los materiales deben ser resistentes a las condiciones
atmosféricas y ambientales (humedad, presión,
contaminación, partículas de polvo…).
-Los materiales deben poseer buenas propiedades
térmicas: alta conductividad térmica, baja inercia térmica
y adecuada resistencia a las altas temperaturas.
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-Capacidad para soportar elevadas presiones de contacto.
-Buena resistencia a esfuerzos cortantes transmitidos por la
fricción de los elementos.
-Materiales de fabricación y uso seguros, y aceptables para
la salud y el medio ambiente.
-Debe tener una vida útil de hasta cientos de miles de
kilómetros
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Materiales para el disco de embrague
Primeros materiales:
- Cuero
- Corcho
- Amianto, introducido por Dion-Boutton (fibromatosis pulmonar)
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Materiales para el disco de embrague
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-Aglomerado de resina y moldeado bajo presión a altas
temperaturas. Coeficiente de fricción: De 0,3 a 0,4 pudiendo
bajar a 0,2 con el calentamiento. Se alcanzan temperaturas
normales de 150º C y en casos límite hasta 300º C.
-Materiales compuestos (cerámica, cobre y estaño),
Coeficiente de fricción: 0,5.
-Materiales orgánicos
Nuevos materiales
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-Fibras de metal entre tejido
compactado de aramida
(poliamida aromática), con
buenas propiedades
mecánicas y muy tenaz.
-Fibra de vidrio y aglutinado
mediante resinas poliméricas.
-Thermofiber,
Materiales orgánicos
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Thermofiber 2020
Los forros con este material soportan
usos intensos, si bien son intolerantes
al uso abusivo repetido
(sobrecalentamiento). Retornan a
condiciones óptimas de
funcionamiento tras sufrir
sobrecalentamiento.
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Kevlar
Las fibras de este compuesto presentan
altas prestaciones mecánicas: resistencia a
tracción y a cizalladura, por la orientación
perfecta de las moléculas del polímero,
rango de temperaturas superior.
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Carbocerámicos -Usualmente encontrados en
sistemas multidisco, donde se
producen elevados deslizamientos.
-Soportar temperaturas muy
elevadas.
-Soportan potencias por encima de
los 500 caballos.
-Erosionan el material del volante
motor y disco de presión más
rápidamente.
-El carbono, en forma de fibras
presenta una durabilidad
ligeramente mayor, menor peso y
menor capacidad de erosión,
mientras que el material cerámico
soporta temperaturas mayores y
presenta mayor rigidez.
-Coeficiente de rozamiento: 0,50
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Material sinterizado
-Los segmentos del forro se fabrican
mediante sinterización, es decir,
compresión en prensa, de polvo del
metal en el interior de un molde con
la forma adecuada, y el posterior
tratamiento en horno de la pieza
generada.
-Es usual añadir al polvo de metal
polvo de zinc, latón (en el caso de
segmentos de acero) o polvos
cerámicos (materiales
cerametálicos) para mejorar la
conductividad térmica y la
resistencia a abrasión.
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Par transmitido por el disco:
Area del anillo: 2
Fuerza normal: . 2 .
Fuerza de rozamiento: = . 2 . .
Par transmitido por una cara: . 2 . . .
Par transmitido por
r
N r
r N r
e r r
S rd
F S p rd p
F F rd p
M F r rd p r
z
caras: 2 . . . .e rM rd p r z
Sea la presión admisible, supuesta constante
en toda la superficie del disco.
p
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2 2
3 3
Integrando la ecuacion para determinar
el par total que puede transmitir dos caras
de un disco de radios y es:
2 2 . . . 4 . .
4. . .( )
3
e e
i i
e i
r r
e r r
r r
e e i
r r
M p r d p r d
M p r r
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2 2
2 2
Cálculo aproximado:
Se suponde que la resultante de las fuerzas de
rozamiento está aplicada al radio medio del disco:
Area del disco: ( )
Fuerza normal: . ( ).
Fuerza de rozamient
e i
N e i
r
S r r
F S p r r p
2 2
2 2
2 2
o: . ( ). .
Par: . , donde 2
Reemplazando se tiene:
( ). . .2
Para un embrague de dos caras:
. . ( )( )
r N e i
e ie r
e ie e i
e e i e i
F F r r p
r rM F r r
r rM r r p
M p r r r r
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Para obtener el mejor rendimiento del material
que constituyen los discos, el valor óptimo de la
relación 0,7
Al adoptar esta relación, se calculará el diámetro
del embrague a partir de la siguient
i
e
rr
2
3
e fórmula:
. . . (1 0,7 )(1 0,7)
de donde:
0,867 .
e e
ee
M p r
Mr
p
Presión de contacto
c
2 2
c
c
Cálculo del área de contacto ( )
= .( )
La presión entre el disco y la volante (P ),
donde:
, Fuerza de empuje de los muelles (diafragma)
e i
ec
c
e
A
A r r
es
FP
A
F
ri
re
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Consideraciones y límites en el proyecto
de un embrague
ri
re
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1. Por seguridad
El , se calcula por la siguiente relación:
.
ß, es el coeficiente de seguridad, tambien
denominado "reserva del embrague"
1,3 .... 1,75 (turismos)
1,6 .... 2,5 (vehiculos sometidos a cargas b
e
e m
M
M M
ruscas,
como industriales, todo terrenos)
ri
re
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2. Por inercia
El diámetro del disco de embrague está limitado
por la inercia que puede alcanzar el conjunto en
su movimiento, lo que daría lugar a dificultad en
los cambios de marcha
Diámetros admisibles:
Máximo: 430 mm.
Mínimo: 160 mm
En caso de necesidad, se resuelve con un bidisco.
ri
re
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3. Por temperatura
2
El valor de la temperatura está en función del valor
de la fuerza de rozamiento que a su vez depende del valor
de la presión específica .
Se debe cumplir la siguiente relación:
, kg/cm
donde;
p, pres
p
kp
D
ión específica
D, Diámetro exterior, en cm
k, es una constante que depende de la ventilación del embrague
En el mejor de los casos: 11,8
En el peor de los casos: 10
k
k
ri
re
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4. Progresivo
Una cualidad de un embrague es ser progresivo.
Esto se consigue utilizando presiones específicas:
1,0....2,0 para vehículos de turismo
2,0....3,0 para vehículos industriales
p
p
ri
re
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Solución bidisco
2
En la relación que liga la presión con el diámetro exterior,
los valores de k, en el embrague bidisco, están comprendidos
entre:
7 y 8
en razón a la dificultad en la ventilación
para 7
71,06 /
43
K
k
p kg cm
2
2 2
7 y 1,75 /
16
para 8,7
8,7 8,71,3 / y 2,17 /
43 16
p kg cm
k
p kg cm p kg cm