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:
Tf: Par requerido en el freno (Nm o lb-in)
Tl: Par de trabajo reflejado a la velocidad de
giro del freno* (Nm o lb-in)
Jr: 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:
Te: Par dinámico requerido en el embrague (Nm o lb-in)
Tl: Par de trabajo reflejado a la velocidad de
giro del embrague* (Nm o lb-in)
Jr: 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:
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.
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