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.