FRENOS Y EMBRAGUES DE FRICCIÓN IV.- FRICCIÓN 4

Frenos y embragues de tambor

Los frenos y embragues de fricción a base de tambor tienen amplio uso en diversas máquinas. Pueden ser accionados mediante energía eléctrica, presión hidráulica, presión neumática o resortes. Los principios fundamentales de generación y disipación de calor que se vieron en los dos artículos anteriores, también se aplican a estos frenos y embragues.

Los frenos activados por resorte y desactivados mediante sistemas electromagnéticos o electrohidráulicos se pueden emplear para mantener máquinas detenidas o como frenos de emergencia (fotografía de Transfluid).

Los frenos y embragues de tambor también pueden ser activados mediante presión de aire.  El diseño más común utiliza una cámara para aplicar la presión sobre los elementos de fricción. Al eliminarse la presión del aire, los elementos de fricción se separan del tambor debido a la elasticidad de la cámara o mediante resortes. El uso de tambores se presta a dejar un espacio entre los extremos de los ejes para desmontar el elemento de fricción sin necesidad de mover el motor o la máquina.

La cámara puede actuar en compresión, con el tambor en el interior, o por expansión, con el tambor en el exterior que permite el empleo de aletas de ventilación para enfriar el tambor.

La fuerza centrífuga que actúa sobre la cámara y los elementos de fricción tiene un impacto en el par transmitido y debe tomarse en cuenta en los cálculos de selección. Los fabricantes de frenos y embragues  publican fórmulas para el cálculo del par en función de la presión y la velocidad de giro. Debido a que el efecto de la fuerza centrífuga es diferente para cada diseño en particular, se recomienda seguir la fórmula que publica el fabricante del componente que se está seleccionando.

La próxima serie de artículos estará dedicada a frenos y embragues mecánicos: frenos de contravuelta, embragues de giro libre, embragues de giro completo o parcial y embragues dentados. 

FRENOS Y EMBRAGUES IV. FRICCIÓN 3

A BASE DE FRICCIÓN

3.- Frenos y embragues a base de platos.-

                2.- Neumáticos

El artículo anterior trató sobre frenos y embragues a base de fricción que emplean electricidad para su activación y/o su desactivación, y que están formados por platos y discos. En este artículo veremos frenos y embragues de platos, activados y desactivados mediante aire a presión.

2.- NEUMÁTICOS

El aire comprimido es un medio efectivo para controlar frenos y embragues; comparado con la energía eléctrica, ofrece mejor control sobre el par de frenado y una mayor vida útil para las superficies de fricción y los demás componentes del freno o del embrague; y, aunque requiere una mayor inversión inicial, por lo general resultan más económicos a lo largo de la vida útil de la máquina, sobre todo si se cuenta con el compresor de aire para otras funciones de la planta.

Si un freno o embrague es activado mediante presión de aire, normalmente será desactivado mediante resortes y viceversa. El aire comprimido puede desplazar los platos a través de cámaras, diafragmas o pistones; permite un diseño compacto, fácil de adaptar a diferentes formas de transmisión, a la integración de conjuntos  freno-embrague, al empleo de discos múltiples y a la incorporación de sistemas de enfriamiento mediante circulación de agua.

El par dinámico que transmite un freno o embrague neumático en muchos casos varía en forma lineal respecto a la presión aplicada, desde cero hasta el par máximo. Hay modelos que no siguen esta relación lineal, sin embargo la relación sigue siendo directa, es decir que a mayor presión será mayor el par  transmitido. Es evidente que, conociendo esta relación, podemos controlar el tiempo de aceleración o frenado en base a la precisión del aire. Para calcular el tiempo de frenado se puede suponer un par constante acorde a la presión del aire que se suministra.

Sin embargo, si se desea mayor precisión, también debe tenerse en cuenta que hay un periodo de transición desde el momento en que se genera la señal de paro o arranque hasta que el sistema alcanza el par definitivo. Dependiendo de la precisión requerida, se puede suponer que la presión se incrementa en forma lineal y que la relación entre el par y la presión también es lineal, lo que significa que el par incrementa en forma lineal de cero hasta la presión de trabajo y que, por lo tanto, el par promedio aplicado durante este periodo será la mitad del par de trabajo. Si la aplicación requiere mayor precisión, será necesario conocer la curva de formación y la de decaimiento de la presión para el embrague o freno en cuestión, información que si no se encuentra en la documentación técnica disponible, debe solicitarse al fabricante del componente que se está seleccionando.

En instalaciones en que el freno y el embrague están separados, es posible que al acelerar o frenar, haya un periodo  en que tanto el freno como el embrague estén activados simultáneamente. Esto puede eliminarse si se tiene un conjunto freno-embrague activado con un pistón de doble efecto, que garantiza que en cualquier momento solo pueda estar activado el freno o el embrague, pero nunca ambos simultáneamente.

APLICACIONES DE DESLIZAMIENTO CONTINUO.
En el artículo anterior se analiza la acumulación y disipación de calor en aplicaciones cíclicas. Veamos ahora el caso de aplicaciones de deslizamiento continuo. Cuando se trata de frenos en los que la velocidad de deslizamiento es igual a la velocidad de giro, el calor se genera y debe disiparse a razón de.

C: Calor generado [W]

T: Par [Nm]

w: velocidad angular [s^-1]

N: velocidad de giro [rpm]

En aplicaciones de control de tensión para productos en movimiento lineal controladas mediante freno en el desenrollado, el calor generado es:

C: Calor generado [W]

F: Fuerza o tensión [N]

V: velocidad lineal [m/s]

Por ejemplo, si queremos desenrollar alambre a una tensión de 500 N en un carrete de 300 mm de diámetro a 800 rpm (velocidad lineal: 12.567 m/s).

o

, que es el mismo resultado

Cuando se trata de embragues, se debe sustituir la velocidad de giro por la de deslizamiento, que es la diferencia entre la velocidad del lado motriz y la del lado conducido.

PRÓXIMO ARTÍCULO.
Frenos y embragues de fricción a base de tambor

FRENOS Y EMBRAGUES IV.- FRICCIÓN

3.- Frenos y embragues a base de platos.-

                1.- Electromagnéticos

Este será el primer artículo sobre frenos y embragues de fricción a base de platos y se enfoca en aquellos que se activan o desactivan eléctricamente.

Por la sencillez del diseño, los platos representan una forma conveniente de construcción para frenos y embragues. Se adaptan fácilmente a diferentes formas de montaje, se pueden controlar mediante energía eléctrica, presión de aire o presión hidráulica, y pueden incorporar sistemas de enfriamiento por ventilación forzada o circulación de agua.

Entre las diferentes formas de control, tenemos:

1.- ELECTRO-MAGNÉTICOS

La energía eléctrica es una manera sencilla de controlar frenos y embragues. El concepto básico consiste en energizar una bobina para inducir un campo magnético que atrae a una armadura de acero para que se mantenga en contacto con una superficie de fricción. Al desenergizar la bobina, uno o varios resortes separan las superficies en contacto para desactivar el freno o el embrague. Existe también la posibilidad de invertir está operación para tener un freno activado por resorte y desactivado eléctricamente.

En la ilustración se muestran dos ejemplos de embragues con campo magnético estático y diferentes elementos de transmisión, polea y acoplamiento directo. Existe una gran variedad de modelos con diferentes formas de montaje, campos magnéticos fijos o giratorios, discos sencillos o múltiples y para trabajar en seco seco o en aceite.

El par transmitido depende del tamaño de los componentes, el coeficiente de fricción, la velocidad de deslizamiento y la fuerza del campo magnético. De ahí que, modificando el voltaje, podemos controlar el par y el tiempo de frenado o aceleración. La gráfica muestra curvas típicas de un freno o embrague al que se suministra el voltaje nominal total (100%) o voltajes inferiores (50% o 25%). 

Debido a que la armadura actúa como ventilador, la capacidad para disipar calor depende de la velocidad a la que ésta gira. En aplicaciones con paros y arranques cíclicos, es necesario comparar el calor que se genera durante los paros y arranques con al capacidad que el freno o embrague tiene para disiparlo en las condiciones particulares de trabajo. El calor que se genera en cada paro y en cada arranque es igual a la energía cinética de las partes que se frenan o aceleran:

E_c [joule]: Energía cinética que se convierte en calor

N [rpm]: velocidad de giro del freno y/o del embrague

J [kg-m²]: momento de inercia reflejado a la velocidad N, de todos los componentes que son frenados o acelerados, incluyendo los del freno y los del embrague

En una aplicación de paros y arranques cíclicos, el calor generado se acumula en cada ciclo, de manera que el calor de genera a razón de E_c multiplicado por la frecuencia F [paros por minuto].  Si esta curva representa la capacidad de disipación de calor de un freno o un embrague en particular, su capacidad para disipar calor operando con una frecuencia, F, teniendo un tiempo de paro, t₁, y un tiempo de giro, t₂, a N rpm.



La capacidad de disipación de calor estará dada por:

C: Capacidad total de disipación de calor

C₁: Capacidad de disipación de calor estando parado

C₂: Capacidad de disipación de calor a velocidad N

Entre los criterios de selección se debe incluir la condición de que la capacidad total de disipación de calor sea mayor al calor que se acumula:

C > (F)(E_c)

Se debe tener en cuenta que tanto el frenado como la aceleración generan calor y que cada componente (freno y embrague) tiene que disipar el calor que se genera en sus superficies de fricción. Algunos conjuntos de freno y embrague pueden considerarse como unidad en cuanto a su capacidad para disipar el calor, por lo que el calor se acumula en el conjunto al doble de la frecuencia que en cada componente por separado.

Los campos magnéticos de los frenos y embragues se crean por medio de inducción. Esto significa que la corriente en el circuito no puede tener un cambio instantáneo. Entre la información técnica que publican, los fabricantes incluyen el tiempo que tardan en formarse o en decaer los campos magnéticos a partir del momento en que se conecta o se corta abruptamente el suministro de energía. Entre las consecuencias adversas de esta característica de la inducciones están: el arco eléctrico que se forma en los interruptores y que deteriora los puntos de contacto; y el traslape en la formación de un campo magnético antes de que se haya desvanecido totalmente el otro, traslape que implica que haya contacto simultaneo de las superficies de fricción del freno y del embrague, haciendo que trabajen en forma encontrada, dificultando el control del movimiento. En el mercado se pueden encontrar controles que minimizan estos efectos adversos mediante diodos de supresión o sistemas de sobre-excitación.

DIODOS DE SUPRESIÓN:

Este dispositivo acelera la formación o decaimiento del campo magnético. Sirve para proteger los interruptores contra el arco eléctrico que se forma al abrir o cerrar el circuito y permite evitar el traslape entre el freno y el embrague, que provoca desgaste prematuro y  funcionamiento errático en el conjunto.

SISTEMAS DE SOBRE-EXCITACIÓN:

Esta técnica consiste en incrementar el voltaje momentáneamente para acelerar la formación del campo magnético. Es común que estos sistemas reduzcan el tiempo de respuesta a la mitad, permitiendo un mayor control sobre la aceleración o el frenado.

FRENOS Y EMBRAGUES III. FRICCIÓN 2, FRENOS TIPO PINZA

Por el poco espacio que ocupan, porque son fáciles de instalar y por la flexibilidad de diseño, las pinzas son una forma práctica de activar frenos, pero su naturaleza asimétrica hace difícil su uso en embragues. Este artículo trata sobre los diferentes montajes, diseños y los mecanismos para activar las pinzas de un freno.

PAR DE FRENADO.

En un freno tipo pinza, el par de frenado, T, es el producto de la fuerza de fricción, F_f, multiplicada por el radio efectivo de aplicación, R_e. Teniendo dos superficies de fricción, la fuerza de fricción será igual al doble de la fuerza perpendicular, F_p, que une la cara del disco con los forros de fricción, multiplicado por el coeficiente de fricción, m, entre esos dos componentes:

                                                T= F_fR_e

                                                 F_f = 2F_pm

PINZAS MÚLTIPLES

El par de frenado en un disco de diámetro definido se puede incrementar usando más de una pinza en la periferia del disco.

MECANISMOS PARA ACTIVAR LAS PINZAS.

Dependiendo de las necesidades de la aplicación y de las fuentes de energía disponibles, las pinzas pueden accionarse con mecanismos ajustables, mecanismos de automatización, manualmente, por resortes, mediante energía eléctrica, mediante presión neumática o hidráulica, o usando una combinación de varios de estos sistemas.

APLICACIONES:

FRENOS DE SEGURIDAD.

Se llama freno de seguridad a uno que permanece activo mientras no se le suministre energía y que se desactiva al energizarse. Estos frenos se emplean para mantener una máquina detenida mientras no se le suministre energía. Por su facilidad de montaje, las pinzas activadas por resorte y desactivadas mediante alguno de los sistemas antes descritos son una forma práctica de realizar esta función en máquinas industriales.

Los actuadores electro-hidráulicos son ampliamente usados para controlar frenos de seguridad en máquinas pesadas. En un espacio compacto, estos actuadores combinan un motor eléctrico y un circuito hidráulico cerrado. Este sistema ofrece la sencillez del suministro de energía eléctrica con la suavidad de aplicación de la presión hidráulica.

 FRENADO DE EMERGENCIA.

Los frenos activados por resorte también se emplean para frenado de emergencia en que es necesario detener la máquina en cuanto se corta el suministro de energía al motor.

FRENADO LINEAL.

Las pinzas también se adaptan fácilmente al frenado de componentes en movimiento lineal, en los que, en lugar de usar un disco para el frenado, se utiliza una barra recta. Este sistema puedes ser una buena solución para aplicaciones de control de movimiento porque el freno actúa directamente sobre la pieza que  quiere controlar, eliminando variaciones provocadas por las holguras y las tolerancias de los componentes de transmisión que habría entre la pieza  en movimiento lineal y un freno en movimiento giratorio.

DESLIZAMIENTO CONTINUO.

Los mecanismos ajustables manualmente pueden ser una solución sencilla y de bajo costo para aplicaciones de deslizamiento continuo que no requieren control de par. Se usan para evitar que algunos mecanismos continúen girando libremente después de que se les ha dado un impulso inicial, como algunos desenrolladores, en que se hala material en forma intermitente y que aunque no requieren control de tensión, es necesario impedir que continúen girando durante el tiempo en que no se está halando el material.

 

Por la forma sencilla en que se controla la presión del aire, por la flexibilidad para instalar un número específico de pinzas y por la facilidad con la que se puede incluir ventilación forzada, los frenos de pinas múltiples accionados a base de presión neumática pueden ser una buena selección para aplicaciones que requieren deslizamiento continuo con par variable controlado.

 

MAQUINARIA PESADA.

La presión hidráulica es práctica en máquinas que trabajan en lugares remotos en los que no se tiene acceso a energía eléctrica o aire comprimido. También permiten presiones bastante superiores a las neumáticas, ofreciendo mayor par de frenado en el mismo espacio.

CRITERIOS DE SELECCIÓN:

Como indican los artículos anteriores de esta serie, un freno debe cumplir con la capacidad de par estático y dinámico requeridos, así como con la capacidad para absorber y disipar el calor que se genera durante su aplicación. Además, debemos tomar en cuenta dos aspectos del diseño que tienen impacto en la durabilidad del freno, la superficie de deslizamiento y el volumen del material de fricción.

SUPERFICIE DE DESLIZAMIENTO.

Si comparamos dos frenos con la misma capacidad de frenado, encontraremos que el que tiene mayor superficie de deslizamiento permite una mayor absorción y disipación de calor, y menor desgaste.

VOLUMEN DEL MATERIAL DE FRICCIÓN

El volumen total del material de fricción tiene impacto directo en su duración.

FRENOS Y EMBRAGUES II.- FRICCIÓN 1.- DISCO VS. TAMBOR

INTRODUCCIÓN.

Tratándose de frenos y embragues, quizá la fricción sea la forma más utilizada para generar la fuerza necesaria para detener, acelerar o  mantener en movimiento una máquina. La fuerza de fricción se da en relación directa a la fuerza perpendicular que une a dos superficies en deslizamiento, y esta fuerza se puede generar en base a campos magnéticos, campos eléctricos, presión neumática, presión hidráulica, resortes o gravedad. Esto implica que hay una gran variedad de posibilidades de diseño para estos elementos. En este primer artículo de la serie dedicada a la fricción se comparan los discos con los tambores como componente aislado.

CONSIDERACIONES PRINCIPALES

Una de las primeras preguntas que se hace quien tiene que seleccionar un freno o un embrague a base de fricción, es si conviene más usar disco o tambor. En el artículo anterior de este blog propuse como puntos críticos para la selección de frenos y embragues, su capacidad para transmitir un par estático o dinámico, su capacidad para absorber el calor que se genera durante el arranque o frenado, y su capacidad para disipar el calor que se acumula en paros y arranques cíclicos o en deslizamiento continuo. La influencia del disco o del tambor en el desempeño del freno o del embrague está ligada al momento de inercia de sus partes en movimiento y en su capacidad para disipar el calor que se genera.

Otras consideraciones importantes son el costo de adquisición, el costo de mantenimiento, el espacio disponible, la fuente de energía y las necesidades de montaje.

DIFERENCIA ENTRE FRENOS Y EMBRAGUES

Desde un punto de vista práctico, la diferencia más importante entre un freno y un embrague, es que el freno tiene un elemento estático y uno giratorio, mientras que en el embrague, tanto el elemento motriz como el conducido pueden girar.  Esta diferencia permite mayor flexibilidad en el diseño de los mecanismos estáticos de un freno, como pinzas o zapatas que se pueden montar fácilmente en la estructura de la máquina pero que resulta complicado montar sobre ejes giratorios. La primera  implicación práctica es que podemos tener frenos de tambor relativamente pequeños, pero los embragues de tambor necesitan ser más grandes para poder incorporar todos los  mecanismos. En cambio, tanto frenos como embragues de disco pueden ser bastante pequeños. La segunda implicación es que es fácil usar la energía eléctrica en frenos y embragues de disco, y en frenos de tambor, pero resulta complicado usarla para embragues de este último tipo.

TIPOS DE DISCO.

Los mecanismos de accionamiento de frenos y embragues de disco pueden ser de tipo pinza o de plato. En los de pinza, el forro de fricción ocupa una superficie relativamente pequeña del disco, mientras que en los de plato, el forro ocupa casi la totalidad de la superficie plana disponible en el disco. Dicho sea de paso, que es posible usar varias pinzas en un mismo disco para incrementar la superficie de contacto entre las partes en deslizamiento. En general, resulta sencillo y práctico el montaje estático de  las pinzas en mecanismos de frenos pero no así en los ejes giratorios de los embragues.

También hay arreglos de discos y platos múltiples, que permiten incrementar el par en un espacio radial reducido.

Los mecanismos de actuación pueden ser mediante resortes, a base de campos magnéticos que atraen componentes de acero, usando cilindros hidráulicos o neumáticos, o con membranas o cámaras que se expanden mediante presión neumática.  

TIPOS DE TAMBOR

La  superficie de fricción en un tambor puede ser interior o exterior. En aplicaciones automotrices es más fácil acomodar la zapatas en el interior (izquierda), mientras que en aplicaciones industriales, en las que el espacio es menos crítico, es más común que se encuentren en el exterior (central y derecha). El mecanismo de actuación puede hacer girar la zapata sobre un punto pivote usando resortes o cilindros hidráulicos, neumáticos o electromagnéticos para empujar la zapata contra el tambor (izquierda y centro), o puede tener membranas o cámaras que se expanden al ser sometidas a presión neumática (derecha).

ENFRIAMIENTO

El enfriamiento de frenos y embragues se da, generalmente, en forma de convección, ya sea natural o forzada. La convección  forzada se puede producir mediante álabes o ductos en los elementos giratorios del freno o embrague, o mediante circulación externa de aire o agua. En este rubro, los discos tienen la ventaja  de que se adaptan mejor a la incorporación de cualquiera de estos sistemas de enfriamiento.

MONTAJE

En la mayoría de los casos, resulta más sencillo y compacto el montaje de un disco que el de un tambor. Sin embargo, con el tambor se hace más fácil dejar un espació entre el eje de entrada y el de salida para permitir el montaje y desmontaje  sin necesidad de mover el motor u otros componentes de la transmisión, lo que resulta muy conveniente cuando se trata de transmisiones de gran tamaño.

MOMENTO DE INERCIA

Si comparamos un tambor con un disco que tengan diámetro exterior y capacidad de transmisión similares, encontraremos que el momento de inercia del tambor es bastante mayor al del disco. En aplicaciones de frenado estático en donde lo único que se busca es evitar que la maquina se mueva cuando el motor está parado, el momento de inercia del freno puede resultar irrelevante. Pero en aplicaciones de frenado dinámico o de aceleración, el momento de inercia puede ser un factor importante porque entre mayor sea el momento de inercia que necesitamos frenar o acelerar, mayor será la energía que el freno o embrague tendrán que absorber durante el periodo de deslizamiento, haciendo más conveniente un disco que un tambor.

Pero hay aplicaciones en que el momento de inercia del tambor representa un volante que acumula energía en movimiento, permitiendo emplearla para contribuir con el motor en la aceleración de la máquina al momento de embragar. 

COSTO

Por lo general, el costo de un sistema de disco es mayor que el de tambor.

SELECCIÓN

Más allá de consideraciones teóricas, la selección se tiene que hacer en base a las opciones disponibles en el mercado. Para hacer una selección razonada, una vez que se han establecido los requerimientos de la máquina, se deben comparar las cualidades de aquellas opciones que cumplan con estos requerimientos:

REQUERIMIENTOS DE LA MÁQUINA:

·         Par estático.

·         Par dinámico.

·         Energía absorbida en una sola activación.

·         Disipación de energía en aplicaciones cíclicas o de deslizamiento continuo.

·         Espacio disponible (radial, axial y base de montaje).

·         Requerimientos de montaje (diámetros de ejes, desalineaciones,  posibilidad de mover componentes).

COMPARACIÓN:

·         Requerimientos y facilidad de mantenimiento.

·         El impacto dinámico del momento de inercia.

·         Confiabilidad y durabilidad.

·         Costo de adquisición.

·         Costo de operación.

·         Costo de mantenimiento.

FRENOS Y EMBRAGUES I.- INTRODUCCIÓN

Este será el primer artículo de una serie dedicada a frenos y embragues. En este artículo abordaremos los conceptos básicos, y en los siguientes analizaremos los diferentes tipos de frenos y embragues, así como algunas aplicaciones interesantes.

La Real Academia Española de la Lengua nos da las siguientes definiciones:

Freno: Mecanismo que sirve en las maquinas o carruajes para moderar o detener el movimiento; y

Embrague: Dispositivo que permite acoplar o desacoplar dos ejes de una máquina, especialmente cuando está funcionando.

A pesar de estas definiciones tan diferentes, ambos componentes desempeñan la función de acelerar una carga, el freno imprime una aceleración negativa para detenerlo y el embrague imprime una aceleración positiva para que se mueva. La diferencia práctica radica en que el freno generalmente tiene un elemento giratorio y uno estático, mientras que el embrague tiene dos elementos giratorios. 

Independientemente de que se busque detener, acelerar o moderar el movimiento de una máquina, los factores determinantes  para la elección del mecanismo más adecuado son, el par requerido y la energía que se transfiere.

PAR REQUERIDO

Se dice que un freno o un embrague trabaja en modo estático cuando no hay deslizamiento entre sus componentes y que trabaja en modo dinámico cuando lo hay.

FRENO:

El par estático que se requiere de un freno es el necesario para evitar que la máquina inicie el movimiento sin la intervención del motor.

El par dinámico requerido para detener a un objeto giratorio, está dado por:

T_f: Par requerido en el freno (Nm o lb-in)

T_l: Par de trabajo reflejado a la velocidad de giro del freno* (Nm o lb-in)

J_r: Momento de inercia reflejado a la velocidad de giro del freno (kg-s₂ o lb-in-s²)**

N: Velocidad de giro en el freno (rpm)

t: Tiempo de frenado (s)

* Será positivo si se opone al movimiento y negativo si favorece al movimiento.

** Es común que en el sistema inglés se sustituya el momento de inercia por el equivalente WK2 expresado en lb-in² o lb-ft², usando factores de conversión para mantener consistencia en las unidades.

EMBRAGUE:

La capacidad del embrague para transmitir un par estático deberá ser superior al requerido para realizar el trabajo de la máquina, de lo contrario, el embrague deslizará provocando una operación deficiente.

En lo que se refiere al par dinámico, la diferencia que hay entre el frenado y la aceleración es que el par de trabajo actúa en forma opuesta, de manera que si la máquina arranca con carga, el par dinámico requerido en el embrague será: 

T_e: Par dinámico requerido en el embrague (Nm o lb-in)

T_l: Par de trabajo reflejado a la velocidad de giro del embrague* (Nm o lb-in)

J_r: Momento de inercia reflejado a la velocidad de giro del embrague (kg-s₂ o lb-in-s²)**

N: Velocidad de giro en el embrague (rpm)

t: Tiempo de aceleración (s)

* Será positivo si se opone al movimiento y negativo si favorece al movimiento.

** Es común que en el sistema inglés se sustituya el momento de inercia por el equivalente WK2 expresado en lb-in² o lb-ft², usando factores de conversión para mantener consistencia en las unidades.

Si la máquina arranca sin carga, se omite el par de trabajo.

También se debe tener en cuenta que el par dinámico debe ser superior al requerido para iniciar el movimiento pero no debe ser superior al par máximo del motor. Es común pensar que entre más grande sean lo componentes mecánicos, será mejor, pero la realidad es que si el par dinámico del embrague es superior al para máximo del motor, habrá una disminución en la velocidad de giro del motor al momento del embragado, y en un caso extremo, el motor puede llegar a detenerse. En resumen, el par dinámico del embrague  debe ser tal que:

·         Permita acelerar la carga en el tiempo deseado;

·         Sea superior al par requerido para el arranque; y,

·         Sea inferior al par máximo del motor

Por ejemplo, deseamos que una máquina con las siguientes características arranque en 2 segundos:

Velocidad de giro del motor: 1750 rpm

Momento de inercia reflejado a 1750 rpm: 0.577 kg-m² (5.107 lb-in-s²)

Par requerido para iniciar el movimiento: 550 lb-in

Par requerido para realizar el trabajo: 450 lb-in

Potencia requerida en el motor: 

Motor seleccionado:

Potencia  nominal 15 Hp a 1,750 rpm

Par nominal (a plena carga): 536 lb-in

Par máximo: 1,836 lb-in

Par dinámico requerido en el embrague:  

 Este resultado cumple con la necesidad porque es superior tanto al par necesario para iniciar el movimiento como al par nominal del motor, y es inferior al par máximo del motor. 

Si el par requerido para lograr esta aceleración hubiera sido mayor al par máximo del motor, habría sido necesario seleccionar otro motor o reducir el par en el embrague, con un mayor tiempo para que la máquina alcance su velocidad de operación. Y si el resultado fuera menor al par requerido para iniciar el movimiento, sería necesario incrementar el par en el embrague, con una mayor aceleración en el arranque.

Una vez que se tiene el par deseado, es necesario verificar si el freno o embrague seleccionado puede absorber el calor que se genera y disipar el calor que se acumula por paros y arranques frecuentes o por deslizamiento continuo.

CALOR GENERADO

Tratándose de movimiento giratorio, la energía cinética está dada por:

E_c: Energía cinética (Joule o lb-in)

J: Momento de inercia (kg-m² o lb-in-s²)**

w: Velocidad angular (s^-1)

N: velocidad de viro (rpm)

** Es común que en el sistema inglés se sustituya el momento de inercia por el equivalente WK2 expresado en lb-in² o lb-ft², usando factores de conversión para mantener consistencia en las unidades.

Básicamente, esta será la energía que tendrá que absorber el freno o el embrague para llevar la máquina de su velocidad de operación a un frenado total o de un estado estático a su velocidad de operación. La mayoría de los fabricantes de estos componentes publican la capacidad de absorción de calor para un solo paro o arranque. 

Ahora bien, cuando un freno o embrague está expuesto a paros y arranques frecuentes o a deslizamiento continuo, es necesario disipar el calor que se genera para evitar que la temperatura se eleve demasiado.

La taza a la que se genera calor en condición de paros y arranques frecuentes es simplemente el calor que se genera en cada paro/arranque multiplicado por a frecuencia a la que ocurren. Se debe tener en cuenta que un conjunto de freno y embrague genera calor tanto en el frenado como en el arranque y por lo tanto, tiene que disipar el calor total generado.

En situaciones de deslizamiento continuo, el calor se genera a una tasa de:

C: Tasa a la que se genera calor (W o lb-in/s)

T: Par que se transmite (N-m o lb-in)

w: Velocidad angular (s^-1)

N. velocidad de giro (rpm)

Está formula se aplica directamente cuando se tiene una velocidad fija, pero es necesario ajustarla para aplicaciones de velocidad variable, como el enrollado y desenrollado de bobinas, tema que será tratado en detalle en un artículo posterior.

La capacidad de un freno o embrague para disipar calor depende de factores intrínsecos, como sus dimensiones, materiales y diseño, y de factores externos como el número de paros y arranques por minuto, la velocidad de giro, el porcentaje del tiempo que permanece girando respecto al tiempo total del ciclo y la temperatura ambiente. No todos los fabricantes publican la información necesaria para calcular el calor que se disipa en diferentes condiciones de operación y puede ser necesario hacerles llegar los datos necesarios para que ellos hagan los cálculos correspondientes.

CONCLUSIÓN: 

La información necesaria para seleccionar adecuadamente un freno o un embrague es:

·         Potencia y velocidad del motor

·         Par requerido  para realizar el trabajo

·         Par requerido para iniciar el movimiento

·         Par máximo del motor

·         Número de arranques por hora

·         Tiempo que se mantiene en movimiento y tiempo que permanece parado

·         Momento de inercia de todos los componentes que serán acelerados o frenados.

·         Velocidad de giro de todos los componentes que serán frenados o acelerados.

·         Diámetros de los ejes sobre el que se va a montar el freno o embrague

·         Tiempo requerido para acelerar o frenar

·         Tratándose de deslizamiento continuo a velocidad constante, el par y la velocidad.

Esta información es relativamente fácil obtener cuando se diseña una máquina, pero puede ser muy difícil determinarla cuando se quiere sustituir un equipo que está instalado. Si no se cuenta con toda la información, se hace necesario estimarla en base a los datos del motor y de los elementos de transmisión, a la capacidad de la máquina y a mediciones de la corriente consumida por el motor y de los tiempos de aceleración o frenado.

ACOPLAMIENTOS HIDRÁULICOS

Ilustración de Transfluid, srl

Un acoplamiento hidrodinámico o cople hidráulico consta esencialmente de dos partes, un impulsor, que gira con el motor, y una turbina, que mueva la máquina. Estas dos piezas no están en contacto directo entre sí, y junto con la tapa forman un espacio cerrado en el que se mantiene una cantidad de aceite acorde a la necesidad de transmisión.

Durante la operación, la fuerza centrífuga provocada por el giro del impulsor, obliga al aceite a tomar impulso moviéndose hacia el diámetro exterior. El aceite penetra en la turbina con un componente tangencial de velocidad y la obliga a girar, ésta, a su vez, hace que el aceite se desplazarse hacia el diámetro interior, cerrando el circuito de circulación.

La capacidad de transmisión de un acoplamiento hidráulico está dada por la relación:

T = rQ(w_iR²-w_tr²)

T: par transmitido [Nm]

r: Densidad del aceite [kg/m³]

Q: gasto [m³/s]

w_i: velocidad angular del impulsor [s^-1]

w_t: velocidad angular de la turbina [s^-1]

R: radio máximo del circuito de circulación de aceite [m]

r: radio mínimo del circuito de circulación de aceite [m]

Esto significa que el par que transmite un acoplamiento hidráulico depende de su tamaño, la cantidad de aceite que hay en el circuito, la velocidad a la que gira el impulsor y la diferencia de velocidades entre el impulsor y la turbina. La gráfica muestra una familia típica de curvas características, que correspondería a un acoplamiento en particular con una cantidad determinada de aceite. Las curvas representan diferentes niveles de deslizamiento, S, que se define:

                                           S [%]: Deslizamiento

                                           N_i [rpm]: Velocidad a la entrada

                                           N_o [rpm]: velocidad a la salida

En la que el 100% significa que el impulsor está girando pero la turbina está detenida. El nivel de aceite en un acoplamiento seleccionado adecuadamente, debe ser tal que, dependiendo del tamaño y diseño,  deslice entre 2% y 6% con carga y velocidad de trabajo. Este deslizamiento representa una pérdida de energía que se convierte en calor y produce un incremento en la temperatura del aceite hasta llegar al punto de equilibrio entre en que el calor que se genera y el que se disipa en el aire. La capacidad de un acoplamiento para disipar calor depende de su diseño, de la velocidad de giro y de la temperatura del aire.  Los acoplamientos hidráulicos deben contar con algún dispositivo que prevenga que el aceite alcance temperaturas que podrían dañar los retenes, empaques y componentes de metal. Entre los dispositivos más usados están:

• Tapones que se funden para permitir la salida del aceite cuando la temperatura se eleva demasiado;
• Pernos que, estando retenidos por un fusible, cambian de posición cuando la temperatura se eleva. La nueva posición del perno activa un interruptor que corta el suministro de energía al motor; y,
• Sensores de velocidad que cortan el suministro de energía al motor si la velocidad de salida del acoplamiento se mantiene demasiado tiempo por debajo de un nivel establecido.

La energía que se pierde en forma de calor representa una disminución en la eficiencia, h [%], del acoplamiento, de acurdo a: 

  

Para estudiar el comportamiento de la transmisión podemos sobreponer una curva de aceleración típica de un motor (color rojo), en este caso un motor NEMA B, a la familia de curvas características del acoplamiento. Durante la primera etapa, el par que está debajo de la curva S=100 (color azul)será transmitido a la máquina y el par que queda entre las dos curvas (color magenta) será empleado para acelerar el motor. La máquina permanecerá parada hasta que el acoplamiento transmita un par suficiente para iniciar el movimiento, T_i (punto A). De ahí en adelante, el motor y la máquina seguirán acelerando a diferente paso hasta encontrarse en el par de trabajo, T_t (punto B), que en este caso corresponde a la curva S=3%. En esta condición, el motor estaría girando, digamos, a 1,750 rpm y la velocidad de la máquina sería 3% menor, 1,697 rpm.

Los acoplamientos hidráulicos también sirven de protección contra cargas demasiado elevadas o si la máquina se atora. Durante la operación, la velocidad de salida del acoplamiento disminuye ante un incremento en la carga. Como consecuencia, hay un incremento en el deslizamiento y en la temperatura del acoplamiento. Si esta condición se hace crítica, el sistema de protección desacopla la transmisión o corta el suministro de energía al motor.

Ilustración de Transfluid, srl

Debido a que la mayor parte del par disponible en el motor durante el arranque se emplea en su propia aceleración, los acoplamientos hidráulicos permiten una disminución en el pico de corriente del periodo de arranque.

APLICACIONES MÁS COMUNES:

ARRANQUE SUAVE:

Hay máquinas que exigen suavidad en los movimientos, por ejemplo, el manejo de líquidos o cargas suspendidas. Si se emplea un acoplamiento directo, el par de arranque del motor se transmite directamente a la máquina, acelerando abruptamente la carga. Con un acoplamiento hidráulico, en cambio, el par transmitido al sistema de traslación va incrementando lentamente hasta llegar al nivel necesario para iniciar el movimiento y de ahí en adelante permite un mayor tiempo para acelerar el sistema hasta su velocidad estable, suavizando considerablemente los movimientos de la carga.

ARRANQUE PESADO:

Una de la ventajas más importantes de los acoplamientos hidráulicos es que permiten la aceleración de máquinas pesadas sin necesidad de usar un motor demasiado grande. Cuando el par de trabajo es pequeño en relación al que se requiere para acelerar la máquina suficientemente rápido para que el motor no se detenga, un acoplamiento directo obliga a emplear un motor más grande de lo que se requiere para realizar el trabajo, y en consecuencia, la inversión en la adquisición del equipo es mayor a la necesaria y el motor estará operando con baja eficiencia y un factor de potencia inadecuado. Un acoplamiento hidráulico, en cambio, permite la selección de un motor acorde a la necesidad de trabajo porque brinda un mayor tiempo de aceleración ya que el motor alcanza rápidamente una velocidad adecuada, mientras que la máquina se va acelerando más lentamente.

En un arranque pesado es necesario transmitirle a la maquina el par requerido para iniciar el movimiento, T_i,. Si la intersección entre la curva S=100%  con la del motor se da en el punto A, inferior a T_i, el motor se quedará  girando a esa velocidad mientras la máquina sigue parada. Después de un tiempo, la protección térmica del motor o la del acoplamiento detendrán el motor sin que la máquina haya podido arrancar. Esta situación se puede remediar reduciendo la cantidad de aceite en el acoplamiento para desplazar la curva S=100% a la derecha, haciendo que la intersección se dé en el punto B, en que se genera y transmite el par máximo del motor.

Ilustración de Transfluid, srl

Una consecuencia no deseada de disminuir la cantidad de aceite en el acoplamiento es que se incrementa el deslizamiento durante la operación, y esto reduce la eficiencia e incrementa la temperatura del acoplamiento. La solución básica a este dilema consiste en disminuir la cantidad de aceite durante el arranque y luego incrementarla para tener menor deslizamiento en operación. En acoplamientos de llenado constante, en los que no se puede cambiar la cantidad de aceite que hay dentro del acoplamiento, esto se logra incorporando una cámara de retardo que mantiene una reserva de aceite fuera del circuito de transmisión mientras el acoplamiento está detenido, permitiendo que el arranque se dé con poco aceite dentro de este circuito. A medida que el acoplamiento se acelera, la fuerza centrífuga obliga al aceite a pasar de la cámara de retardo al  circuito de transmisión, disminuyendo así el deslizamiento en operación continua.

 

Ilustración de Transfluid, srl

Otra solución es usar transmisiones hidrodinámicas de llenado variable en las que el nivel de aceite se controla en forma automática o manual, permitiendo un control más estrecho de la aceleración de la máquina y del deslizamiento final del acoplamiento. Este tipo de acoplamiento es muy útil para motores de combustión interna, que no generan un par elevado durante el arranque, y para aplicaciones de velocidad variable.

VELOCIDAD VARIABLE:

Ilustración de Transfluid, srl

Un acoplamiento hidráulico de llenado variable también permite controlar la velocidad de salida durante la operación.  Entre las aplicaciones más comunes para este tipo de transmisión está la turbo-maquinaria, como bombas, ventiladores y compresores. Si se tiene una velocidad constante en el motor, la eficiencia absoluta del acoplamiento disminuye en relación directa con la velocidad de salida (un deslizamiento de 50% implica eficiencia de 50%). Sin embargo, en maquinaria en las que el par requerido es proporcional a la velocidad de la máquina elevada al cuadrado o al cubo, la pérdida de energía es relativamente pequeña porque la potencia requerida en el motor es mucho menor a su capacidad a plena carga.

  

Estas transmisiones también se usan para regular la velocidad y amortiguar golpes en máquinas como quebradoras de piedra, trituradoras de martillos, molinos de bolas, trituradoras de metal o astilladoras de troncos. Otras aplicaciones comunes incluyen sistemas de arranque para generadores de energía eléctrica, turbinas de gas y  grandes transportadores de materiales a granel.

AISLAMIENTO DE VIBRACIONES TORSIONALES:

Debido a que no hay contacto directo entre el impulsor y la turbina, y la transmisión se da en base a la circulación del aceite, los acoplamientos hidráulicos sirven para aislar las vibraciones torsionales entre motores y máquinas reciprocantes, protegiendo las partes del motor,  la máquina y la transmisión.

ACIONAMIENTOS MULTIPLES:

Algunos transportadores son accionados por varios motores para distribuir mejor la carga en la banda transportadora. Los acoplamientos hidráulicos permiten que los motores arranquen en forma escalonada para evitar un pico de corriente con efectos nocivos para el sistema eléctrico. Los acoplamientos hidráulicos también permiten que poleas con diámetros diferentes giren a velocidades diferentes, manteniendo la sincronización  del movimiento lineal entre poleas en las que hay ligeras variaciones en su diámetro.

SELECCIÓN:

Hay una amplia variedad de diseños en cuanto a capacidad, cámaras de retardo, impulsores sencillos o dobles y elemento de transmisión, como acoplamientos, poleas o ejes de salida.  La selección adecuada debe tener en cuenta:

·         La capacidad del acoplamiento para transmitir el par y la velocidad requeridos;

·         El calor generado durante  el periodo de arranque;

·         El calor generado en operación continua;

·         El calor que el acoplamiento puede disipar a velocidad de operación.

·         La posición de montaje; y,

·         los elementos de transmisión (acoplamientos elásticos, poleas, cajas de engranes, etc.).

Las capacidades de transmisión y de  disipación de calor son particulares para cada acoplamiento, y cada fabricante presenta la información en forma diferente. Es por ello recomendable seguir el procedimiento de selección establecido por el fabricante del acoplamiento en particular que se está seleccionando y, en casos complejos, es preferible trabajar con el fabricante del acoplamiento desde el inicio del proceso de diseño de la máquina. El primer paso es hacer una selección preliminar basada en la capacidad del acoplamiento. La gráfica de abajo muestra la capacidad de los coples estándar de Transfluid, srl, que es ilustrativa de la forma en que muchos fabricantes presentan esta información. De ahí en adelante el procedimiento puede variar considerablemente entre un fabricante y otro. La información requerida para una selección adecuada es:

·         Tipo de maquina;

·         Potencia, velocidad y características del motor;

·         Momento de inercia de la máquina, reflejado al eje del acoplamiento;

·         Orientación del eje del acoplamiento;

·         Diámetro del eje sobre el que se instalará el acoplamiento;

·         Características del elemento de transmisión;

·         Par requerido para la operación de la máquina;

·         Número de arranques por hora;

·         Tiempo en que permanece girando entre un arranque y el que sigue;

·         Horas de operación por día;

·         Temperatura ambiente máxima; y,

·         Requerimientos especiales.

Ilustración de Transfluid, srl

CONCLUSIÓN:

El acoplamiento hidráulico fue inventado hace más de un siglo y sigue representando hoy en día un elemento sencillo, confiable y efectivo para solucionar problemas de transmisión relacionados con arranques suaves, arranques pesados, variación de velocidad, aislamiento de vibraciones, amortiguación de golpes y sincronización de accionamientos múltiples; y su versatilidad y sencillez lo hacen atractivo para una amplia gama de aplicaciones, como maquinaria para construcción y minería; bombas, ventiladores y compresores; transmisiones marinas; sistemas de translación de grúas industriales; arrancadores para generadores de energía eléctrica y turbinas de gas; y muchas más.