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.