2. Embragues
■ El embrague es un sistema que permite tanto transmitir como interrumpir la
transmisión de una energía mecánica a su acción final de manera voluntaria. En un
automóvil, por ejemplo, permite al conductor controlar la transmisión del par motor
desde el motor hacia las ruedas.
■ Los embragues son uno de los componentes de los vehículos sujetos a las mayores
exigencias en su funcionamiento. La demanda continua de sus servicios, hace que su
papel resulte fundamental en el funcionamiento de los automóviles.
■ El embrague del vehículo se encuentra ubicado en el flujo de fuerza existente entre el
motor y la caja de cambios. Esta tiene como función primordial acoplar la masa del
vehículo al motor durante el arranque de forma uniforme y libre de sacudidas, así
como interrumpir cuando se le requiere, el flujo de fuerza durante la marcha para
efectuar el correspondiente cambio de velocidades.
3. Tipos
Según cómo se efectúa la presión sobre el plato opresor para su acoplamiento con el disco, se clasifican en:
■ Embrague de muelles: los muelles sobre los que se realiza la presión están colocados en la periferia del
disco de embrague.
■ Embrague de diafragma: los muelles son sustituidos por un diafragma elástico de acero al carbono.
■ Embrague centrífugo: propio de la conducción automática, el embragado y desembragado se confía a
unos contrapesos que funcionan por la acción de la fuerza centrifuga del giro del motor. Puede
considerarse como un tipo de embrague que actúa automáticamente a partir de un cierto régimen de giro
del árbol motor.
Pero la clasificación más significativa es según el tipo de mando:
■ Embrague de fricción mecánico: está constituido por el volante motor en el que se apoya, gracias a un
casquillo de bronce, el eje primario de la caja de velocidades. Es el más habitual en turismos. Funciona por
medio de líquido (hidráulico) o lo que es más común, mediante un cable.
■ Embrague hidráulico: actúa como embrague automático entre el motor y la caja de cambios permitiendo
que el motor transmita el par motor cuando llega a un determinado régimen de giro. En este caso, la
energía se transmite por una bomba centrifuga que comunica con una turbina.
■ Embrague electromagnético o eléctrico asistido: aprovecha la fuerza del campo electromagnético
(bloqueo electromagnético) para la transmisión del par de giro.
4. Diseño y calculo de Embrague
Dimensionado del embrague:
El dimensionado del embrague es el cálculo de las dimensiones de los forros del disco.
Este cálculo se tiene que realizar atendiendo a cuatro criterios, que el embrague tiene que cumplir, estos
son:
■ Dimensionado por el par transmitido
La transmisión de par es la función principal del embrague, y por tanto, es el primer criterio que hay que
asegurar que el embrague cumple.
■ Distribución de presiones constante
La presión que el plato está realizando sobre los forros en este caso se supone constante.
El par, que el embrague tiene que transmitir, es simplemente la fuerza tangencial por la distancia Para
realizar este cálculo se parte de un elemento diferencial de superficie del forro, se calcula el diferencial de
par que transmite y posteriormente se integra a la totalidad del forro.
La ecuación que relaciona la fuerza
normal con el par es:
5. ■ Distribución de presiones variable:
En este caso se considera un desgaste uniforme de todo el forro y una presión variable. Al
igual que antes, esta fórmula es solo para un forro, al disponer de dos, la definitiva es:
■ Dimensionado por la energía disipada
Una de las misiones del embrague es disipar la energía que se produce en el momento de
las operaciones de re-embrague y en las arrancadas. Se debe asegurar que la dimensión
del forro sea la suficiente para poder evacuar dicha energía.
El motor cede una energía al embrague para que este la distribuya a su vez al primario de la caja de
cambios, pero se produce una pérdida (en forma de calor), que el embrague debe ser capaz de
disipar.
El motivo por el que se produce esta pérdida de energía es que en el momento en el que se realiza el
cambio de marcha, el motor y la caja están girando a diferentes velocidades, lo que provoca un
cierto deslizamiento entre la parte conductora del embrague (volante de inercia y plato) y la parte
conducida (disco de embrague).
6. Dimensionado por duración
Lo que se intenta conseguir con el dimensionado por durabilidad es predecir la vida del embrague
medida en kilómetros recorridos por un determinado vehículo. Si en el diseño por transmisión de par
y absorción de energía se ha intentado dimensionar el embrague en cuanto a su superficie y
diámetros, en esta sección se dimensiona el embrague en cuanto al volumen de material necesario
para soportar el desgaste por abrasión y las elevadas temperaturas para una vida útil establecida.
■ Dimensionado por ergonomía en el pedal
El último criterio para dimensionar el embrague es el dimensionado por ergonomía en el
pedal. La fuerza que se debe aplicar en el embrague, para poder desembragar, debe estar
dentro de un rango que permita al conductor no tener que ejercer una fuerza excesiva,
pero tampoco que sea demasiado baja
7. CÁLCULO DE COMPONENTES DEL
EMBRAGUE
Una vez realizado el dimensionado del embrague, se han de calcular los principales componentes del
mismo, estos son:
■ Cálculo de los muelles helicoidales
El sistema de amortiguación de un embrague mecánico está formado por un sistema elástico torsional
y un sistema de histéresis torsional. El primero de los sistemas debe estar caracterizado por una rigidez
torsional (N/grado), un giro total y un par máximo.
Las funciones principales de estos dos sistemas es la de reducir las vibraciones transmitidas del motor a
la caja de cambios actuando por tanto como sistema de filtración de vibraciones.
El sistema elástico torsional consta de una parte conducida y de otra conductora. El arrastre de la parte
conducida se realiza mediante los muelles del amortiguador que están interpuestos entre ambos
sistemas, son muelles de compresión.
Los muelles van alojados en ventanas con dimensiones características predeterminadas.
El número de ventanas suele ser dos o cuatro, aunque también se puede utilizar otras configuraciones
como la de seis ventanas. Estas no tienen por qué tener las misma dimensiones, aunque si se conserva
la igualdad entre pares de ventanas.
8. • Dimensionado y diseño del muelle
■ En primer lugar es importante definir
cuáles son las características del muelle
que se deben de determinar para poder
realizar un diseño correcto. En la tabla
del lado derecho se detallan todos estos
parámetros:
■ Para realizar el diseño del muelle habrá
que conocer la relación entre le flecha
del resorte "𝛥𝑥" (lo que se comprime) y
el ángulo girado por el sistema "𝜃". Esta
relación vendrá dada por el radio al que
está situado el muelle "𝑅"
𝜟𝒙 = 𝑹
𝜽. 𝝅
𝟏𝟖𝟎
La flecha del muelle es equivalente a la
longitud del arco.
9. Cálculo de las arandelas Belleville
– Dimensionado de las arandelas Belleville
■ Estas arandelas son resortes con forma de disco cónico, por lo general con sección
rectangular. Su geometría viene definida por su diámetro exterior (𝐷𝑒), su diámetro
interior (𝐷𝑖), su espesor (𝑡) y su altura media (𝐿).
10. ■ Al igual que en el punto anterior, se debe calcular cual es la relación entre la carga
aplicada y la flecha que sufre la arandela, antes de realizar este cálculo se deben definir
cuáles son los parámetros principales que definen a este elemento. En laTabla a
continuación se describen todas ellas
11. Freno
Un freno es un dispositivo utilizado para detener
o disminuir el movimiento de algún cuerpo,
generalmente, un eje, árbol o tambor. Los frenos
son transformadores de energía, por lo cual
pueden ser entendidos como una máquina per
se, ya que transforman la energía cinética de un
cuerpo en calor o trabajo y en este sentido
pueden visualizarse como “extractores“ de
energía. A pesar de que los frenos son también
máquinas, generalmente se les encuentra en la
literatura del diseño como un elemento de
máquina y en literaturas de teoría de control
pueden encontrarse como actuadores.
Su principal función es disminuir o anular
progresivamente la velocidad del vehículo, o
mantenerlo inmovilizado cuando está detenido.
12. Tipos de Frenos
■ Frenos de fricción
Los frenos de fricción están diseñados para actuar mediante fuerzas de fricción, siendo este el
medio por el cual se transforma en calor la energía cinética del cuerpo a desacelerar. Siempre
constan de un cuerpo fijo sobre el cual se presiona un cuerpo a desacelerar. Son muy utilizados en
los vehículos.
■ Freno de cinta o de banda: Utilizan una banda flexible, las mordazas o zapatas se aplican para
ejercer tensión sobre un cilindro o tambor giratorio que se encuentra solidario al eje que se
pretenda controlar. La banda al ejercer presión, ejerce la fricción con la cual se disipa en calor la
energía cinética del cuerpo a regular.
■ Freno de disco: Un freno de disco es un dispositivo cuya función es detener o reducir la
velocidad de rotación de una rueda. Hecho normalmente de acero, está unido a la rueda o al
eje.
■ Freno de tambor: El freno de tambor es un tipo de freno en el que la fricción se causa por un
par de zapatas o pastillas que presionan contra la superficie interior de un tambor giratorio, el
cual está conectado al eje o la rueda.
■ Freno de llanta: Utilizan como cuerpo móvil la llanta de una rueda. Son muy utilizados en
bicicletas y existen varios tipos.
13. Otros tipos de frenos
Según el tipo de accionamiento:
■ Freno neumático.
■ Frenos mecánicos. Es accionado por la aplicación de una fuerza que es transmitida
mecánicamente, por palancas, cables u otros mecanismos a los diversos puntos del
frenado. Se utiliza únicamente para pequeñas potencias de frenado y suele requerir
frecuentes ajustes para igualar su acción sobre las ruedas.
■ Frenos hidráulicos.
■ Freno de estacionamiento.
■ Freno eléctrico. Hay dos tipos: freno regenerativo y freno reostático.Cuando utiliza los
sistemas de tracción eléctrica se denomina freno dinámico.
14. Cálculo básico de frenos
■ Parámetros de entrada
■ Fuerza de entrada: F
■ Diámetro exterior: D
■ Diámetro interior: D 0 (solo para frenos de discos y por cono de fricción)
■ Anchura: b
■ Ángulo de cono: β (solo para frenos por cono de fricción)
■ Número de frenos (superficies de freno): N
■ Presión de freno (máx.): p (máx.)
■ Presión de freno.Velocidad (máx.): p.v (máx.)
■ Velocidad de arranque: n 0
■ Velocidad final: n 1
■ Energía inicial: E
■ Parámetros calculados
■ Fuerza de fricción
■ para frenos de cinta Ft = F (efα - 1)
15. Para el resto: Ft = Fn f
Donde:
■ α Longitud por ángulo
■ f Coeficiente de fricción
■ F n Fuerza normal
Para frenos de discos:
■ F n = F / sin (β)
Para el resto:
■ F n = F
16. Transferencia de Masas
■ A la hora de frenar la inercia hará que gran peso se apoye sobre el eje delantero y el
auto tenga tendencia a inclinarse en un efecto "dive" lo cual puede compararse un
poco a un vehículo que se encuentra en una bajada, en la que la sumatoria de sus
fuerzas resultantes hará que la mayor parte del peso se apoye en ele je delantero, por
eso la analogía del modelo matemático se estudia de esa manera.
17. ■ Dicha transferencia de peso se calcula de la siguiente manera:
■ Donde:
TP es igual a la transferencia de peso
g es la aceleración de la gravedad
h es la altura del centro de gravedad al suelo
av es la desaceleración medida en gravedades
L es la distancia entre eje delantero y trasero “wheelbase”
P es igual al peso (de las masas suspendidas)
■ Seguidamente se calcula la distribución exacta de fuerza aplicada sobre cada uno de
los ejes de la siguiente manera:
18. ■ Donde:
Pd,d es el peso en el eje delantero durante la desaceleración.
Pt,d es el peso en el eje trasero durante la desaceleración.
TP es igual a la transferencia de peso calculada previamente.
■ Al experimentar el vehículo la transferencia de carga anteriormente descrita, la
capacidad de frenada se ve alterada. Con ello, se puede averiguar la máxima fuerza de
frenada que cada uno de los ejes es capaz de producir por medio de los neumáticos de
la siguiente manera:
■ Donde: Fmax es la sumatoria de fuerzas del eje delantero y del eje traseroDonde:
Ff,d es la fuerza de frenado en el eje delantero
Ff,t es la fuerza de frenado en el eje trasero
µ es el coeficiente de fricción máximo entre los neumáticos y el asfalto.
19. ■ Según fabricantes el coeficiente máximo es 1,6 pero esto varia en función de cada
neumático. (dicha información se puede encontrar en las tablas de cada fabricante de
neumáticos)
■ Observando las expresiones anteriores se puede determinar cómo a causa de esa
transferencia de cargas, la capacidad de frenado del eje delantero se incrementa mientras
que la del eje trasero disminuye. Referente a ello, se debe recalcar que se está suponiendo
una adherencia constante de 1,6 durante la desaceleración, es decir, se está considerando
que se aprovecha la máxima adherencia entre el neumático y el asfalto durante todo el
proceso de frenado
■ De esta manera se puede determinar la fuerza de frenado máxima que puede ejercer el
automóvil simplemente sumando las fuerzas de frenado que corresponden a cada uno de
los ejes de la siguiente manera, donde: Fmax es la sumatoria de fuerzas del eje delantero y
del eje trasero:
20. ■ De esta forma, el par de frenado de oposición del vehículo se obtiene a través del
radio de los neumáticos de la siguiente manera.
■
■ Donde:
Nd es el par de frenado del eje delantero.
Nt es el par de frenado del eje trasero
Rd es el radio nominal del neumático delantero (brazo del momento)
Rt es el radio nominal del neumático trasero (brazo del momento)
■ El par de frenado es la sumatoria de los pares de frenado delantero y trasero
21. ■ Por último el Cálculo del Balance Optimo de Frenada se realiza para buscar alcanzar el
equilibrio óptimo de frenada, o lograr una eficacia del 100%, el cociente entre las fuerzas
de frenado de cada eje entre las fuerzas verticales delanteras y traseras respectivamente,
debe ser el mismo.
■ Donde:
Ffren,d es la fuerza de frenado en el eje delantero.
Ffren,t es la fuerza de frenado en el eje trasero.
Pd,d es el peso en el eje delantero durante la desaceleración.
Pt,d es el peso en el eje trasero durante la desaceleración.
En base a ello se puede concluir que el cociente de las fuerzas de frenado delanteras y
traseras es un parámetro fijo basado en el dimensionamiento de los distintos
componentes que forman el sistema de frenado, la relación entre las fuerzas verticales
delanteras y traseras es una variable basada en la desaceleración y geometría del vehículo.
Por lo que lleva a entender que dicha relación solo puede ser optimizada para una
determinada desaceleración del vehículo y unas condiciones determinadas.
22. Ejercicio a Resolver
■ Calcule las dimensiones de un freno de placa anular, que produzca un par torsional de
frenado de 300 lb-pulg. Los resortes ejercerán una fuerza normal de 320 lb. Entre las
superficies de fricción. El coeficiente de fricción es 0.25. El frenado se usara en servicio
industrial promedio y van a parar una carga desde 750 rpm.
