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.
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