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.