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.