Calculo de Embragues

Universidad Autónoma Chapingo Departamento de ingenieria mecánica agrícola. Tractores y Automoviles.

“Cálculo de embragues”.

 6°

 1 

Chapingo Estado de México, a 30 de Marzo de 2014.

1. INTRODUCCIÓN. El embrague es el primer mecanismo que interviene en la transmisión de potencia desde el motor hasta los neumáticos. El embrague se encuentra situado entre el motor y la caja de cambios, formando un conjunto; motor, embrague y caja de cambios. El embrague se encarga de acoplar y desacoplar la transmisión del par desde el motor a la caja de cambios, el acoplamiento en todos los tipos de embragues se realiza de forma progresiva y sin tirones. El tipo de embrague montado en el vehículo está condicionado por el modelo de caja de cambios: los vehículos con cajas de cambios manuales obligan a montar embragues de fricción en seco o bañados en aceite y controlados por el conductor desde el pedal del embrague. El embrague de fricción permite realizar el corte de la transmisión del par al cambio y poder realizar el cambio de velocidades de forma manual; los componentes del embrague se encuentran sometidos al desgaste propio en cada acoplamiento, cuando el vehículo ha realizado un determinado número de kilómetros, es necesario cambiar los componentes desgastados.

Las cajas automatizadas, tipo DSG y Powershift, montan dos embragues de fricción bañados en aceite en un conjunto, el accionamiento de los dos embragues se realiza de forma independiente y automática con la gestión del módulo del cambio. El vehículo no dispone de pedal de embrague. Las cajas automáticas sin gestión electrónica (vehículos clásicos) montan embragues hidráulicos, la transmisión del par del motor se realiza de forma automática al aumentar el número de revoluciones del motor, el vehículo no dispone de pedal de embrague. En las cajas automáticas modernas gestionadas electrónicamente, se montan convertidores de par con embrague anulador. El convertidor de par es un mecanismo automático que acopla la transmisión de forma continua y automática, al aumentar el número de revoluciones del motor, sin la intervención directa del conductor. El embrague anulador que lleva incorporado el convertidor es gestionado por el módulo del cambio y permite acoplar la transmisión de forma directa del motor al cambio, anulando el resbalamiento y las pérdidas de potencia del convertidor. El embrague anulador es la única pieza que trabaja por fricción y es la que más averías provoca en el convertidor.

2. OBJETIVOS. 2.1.

Objetivos Generales.



Realizar el cálculo del embrague del vehículo Jeep Ika.



Comprender el procedimiento para calcular el embrague de un vehículo automotor.

2.2. 

Objetivo Particular.

Identificar los materiales más usados para la fabricación de los embragues según las características que resulten de los cálculos.

3. CÁLCULO DE EMBRAGUE EMBRAGUE DE UN DISCO. DISCO. Por su sencillez constructiva, fiabilidad y posibilidad de adaptarse fácilmente en la cavidad que se encuentra libre en el volante del motor de combustión interna (MCI) es que han tenido gran aplicación en los autos y tractores.

4. DESCRIPCIÓN. 4.1.

Exigencias hacia los embragues.

Las exigencias fundamentales hacia los embragues se encuentran: 

Debe transmitir todo el momento torsor máximo del MCI, sin patinaje o resbalamiento cuando se encuentre embragado (acoplado).

 

Cuando se encuentre desembragado el vehículo debe desacoplar completamente la transmisión de potencia con un mínimo recorrido del mando, lo cual no se consigue con el embrague cónico.



Los elementos conducidos del embrague deben poseer mínimos valores de momento de inercia, con el fin de conseguir tiempos mínimos para el cambio de velocidades en la caja de transmisión.



La fuerza de empuje que se aplica a las superficies superficies de fricción no se debe transmitir a los demás elementos aledaños.



El embrague debe tener la durabilidad aceptada en las normas, elevada tecnología constructiva, sencillez en el mantenimiento y ajuste, entre otras.

4.2.

Componentes de los embragues.

a) Componentes motrices 

Volante. Sincronizado con el embrague para bloquear y permitir el flujo de fuerza hacia la caja de cambios.



Plato opresor. Genera la fricción para impedir la transmisión de fuerza hacia la caja de cambios.



Campana o cuerpo centrador.



Tornillos de fijación. Aseguran el plato opresor al sistema.



Resortes o muelles. Soportan fuerza de presión al bloqueo del flujo de fuerza.

b) Componentes conducidas 

Disco de embrague con los forros y las estrías en el centro

c) Partes del mecanismo de mando 

Palanca, palanquillas o dedos de desembrague con apoyos

 

Collarín



Asiento del acople de la horquilla



Base de deslizamiento del asiento (cople).

4.3.

Acerca del embrague en Jeep Ika.

El conjunto del embrague se halla instalado entre el motor y la caja de velocidades, abulonado al volante del motor. El "Sistema de Embrague", está formado por dos partes bien definidos como son: a) Mecanismo de Acoplamiento y Desacoplamiento; b) Mecanismo de Mando del Embrague. En cuanto al conjunto en sí, tiene la misión de permitir acoplar o desacoplar el motor de las ruedas motrices. Si el embrague funciona correctamente, el vehículo se pondrá en movimiento, suave y progresivamente y los cambios de velocidades se realizarán con facilidad.

Las unidades Jeep están equipados con un conjunto de embrague marca Auburn o Wobron, del tipo monodisco seco, con acoplamiento por placa de presión. El Wobron, modelo Borg & Beck 1304, difiere del modelo 1477 en que tiene seis resortes de tensión en lugar de nueve. Está constituido por los elementos que se muestran en la figura.

4.4.          

Parámetros principales del embrague.

β - Coeficiente de seguridad. Pe - Fuerza de empuje o de compresión de los resortes. de, di - Diámetros externos e internos de los forros de rozamientos del disco. S - Grosor del disco embrague. µ - Coeficiente de rozamiento de las superficies de trabajo del embrague (seleccionar de literatura especializada, siempre debe ser µ ≥ (0.3…0.4). n - Cantidad de resortes. z - Cantidad de superficies de rozamiento. q - Presión específica de las superficies en rozamiento. l1 - Desplazamiento del plato opresor. t - Cantidad de palanquillas (dedos).

5. CÁLCULOS PRINCIPALES. 5.1.

Datos técnicos principales de del vehículo prototipo. Necesarios para este cálculo

Jeep Ika

5.2.

Característica

Valor

Momento torsor máximo al volante del motor

545 [Nm]

Frecuencia de rotación nominal del motor

3800RPM

Diámetro exterior del volante

260mm

Coeficiente de seguridad (β).

El coeficiente de seguridad β de los embragues se debe encontrar entre los siguientes intervalos según el vehículo. Para autos ligeros: β = 1.2 a 1.75; Para autos de carga: β = 1.5 a 2.2; Para autos todoterreno: β = 1.8 a 3.0 ; Para tractocamiones y tractores: β = 2.5 a 3.0. El coeficiente de seguridad β se calcula por medio de la siguiente ecuación: 

  

      

Dónde:   - Momento de rozamiento del embrague.    - Momento torsor máximo que entrega el motor.

Este coeficiente garantiza el trabajo cuando disminuye el coeficiente de fricción, ; y la fuerza de presión de los muelles, ; y/o cuando aumenta el desgaste de los forros o superficies de rozamiento. Como ejemplo se puede mencionar que durante la explotación de los vehículos el coeficiente de fricción µ disminuye en un 10-20 %, la fuerza de tensión de los resortes en un 8- 10 %. El desgaste de los forros disminuye β en un 5 -10 %.

En general el coeficiente    disminuye en un 23-40 % durante la explotación.

5.3.

Fuerza de presión de los resortes (Pe).

La fuerza de presión de los resortes Pe se calcula utilizando la siguiente ecuación:

 

    



  

      De la tabla 1, tomando en cuenta el diámetro exterior exterior del

disco es de 235mm que de acuerdo con datos técnicos.      

Dónde:  - Radio medio de los forros.

El radio medio de los forros se calcula por medio de la siguiente ecuación:           

 

 

   

      

 

        

    

     

La elección del de debe garantizar que la velocidad circular del plato opresor no sobrepase los 65-70 ms -1 requeridos por los hierros fundidos (aceros grises).

El valor de µ (coeficiente de rozamiento) debe estar para los forros de base asbestos entre 0.3 y 0.35; los valores menores deben seleccionarse para autos pesados y tractores. Los forros pueden ser de: cartón de amianto, caucho de amianto, amianto baquelizado, asbesto, asbesto metálico y fibra sin asbesto. Es importante recordar que el amianto como material para forros de embragues y frenos y en otras aplicaciones está prohibido en muchos países, pues es uno de los agentes principales en la contaminación del aire por partículas sólidas suspendidas PM

10 y

PM2.5. Existen normas que establecen para diferentes radios medios , los parámetros de momento torsor máximo   ,  , cantidad de discos, frecuencia nominal del motor, cantidad de palancas t, cantidad de resortes n, y la cilindrada del motor (ejemplo: ver catálogo de Luk o de Sarch). En la tabla 1 aparecen algunos valores recomendados.

Tabla 1. Dimensiones de algunos embragues de disco.

También existen discos de embragues ya normalizados para diferentes aplicaciones, donde se muestra: de, di y s, con sus respectivas tolerancias.

Después de elegir un disco con dos superficies de rozamiento de acuerdo a las dimensiones del volante y la velocidad circular, se comprueba la presión específica de las superficies de rozamiento.

5.4.

Comprobación de la presión específica (q) de las superficies de fricción.

La presión específica (q) de las superficies de fricción se calcula según la ecuación siguiente: 



      

      

  

 

El valor de q debe estar entre 1.5-2.5 kgf/cm 2 (0.15-0.25 MPa). Si sobrepasa este valor entonces se debe aumentar la superficie de rozamiento y si esto no es posible por cualquier causa, entonces se debe aumentar la cantidad de superficies de rozamiento a z = 4.

5.5.

Desplazamiento del plato opresor (∆l i).

Para el desembrague completo se debe tener una holgura δ 1 = 0.5-1.0 mm entre

las superficies en fricción, para ello se debe proporcionar el siguiente desplazamiento del disco opresor durante el desembrague: 2.0 m m. Embragues de un disco: ∆l i i =    = 1.0  – 2.0

Embragues de 2 discos: ∆li = 2.0 – 4.0 mm. ∆li = 2.0 mm. δ1 = 1.0 mm

5.6.

Otros parámetros.

5.6.1. El desacoplamiento durante el cambio de velocidad debe durar de 0.15 a 0.25 s. En este caso se tom ó 0.15 0.15 s.

5.6.2. La fuerza máxima permisible [Pp] que se debe aplicar sobre el pedal del embrague no debe sobrepasar:  Para autos

ligeros [Pp] ≤ 15 kgf (150 N).  Para autos de carga y tractores [Pp] ≤ 20 kgf (200 N).

5.6.3. El desplazamiento del pedal [lp] y el torque aplicado [A] no debe sobrepasar: 

Para autos de carga: [lp] ≤ 200 mm y [A] ≤ 3.0 kgf.m (30 Nm).  ] ≤ 150 - 180 mm y [A] ≤ 2.3 kgf.m (23 Nm).  Para autos autos ligeros: [lp 

5.7.

Calculo del mando hidromecánico.

a) Esquema general del mecanismo de mando del hidromecánico embrague. Se debe representar el esquema general del mecanismo de mando del embrague del vehículo prototipo.

b) Relación de transmisión transmisión del mando hidromecánico (i). La relación de transmisión de este tipo de mando se calcula por la ecuación siguiente.      

Dónde: i   p - Relación de los brazos de las palanquillas (dedos). i hid  hid   - Relación de la parte hidráulica del mando, incluyendo los brazos de la

horquilla del collarín. i m - Relación de los brazos del pedal (mando).

Las anteriores relaciones se calculan por las ecuaciones siguientes:

 

 

   

 

  



  



  

 

   





 

=307.9mm/42.6mm=7.23

     

c) Desplazamiento total total del pedal Ip. El desplazamiento total se calcula por la ecuación:         



Dónde:  - Desplazamiento o juego libre, mm. Iv  It - Desplazamiento de trabajo, mm.

d) Cálculo del juego libre libre Iv.                                              

Dónde: ∆ - Juego entre el vástago y el pistón del cilindro principal, ∆ = 0.5 - 1.5 mm. De especificaciones técnicas ∆=1mm

e) Fuerza máxima sobre el pedal Pp. La fuerza máxima se calcula mediante la ecuación:  

 

  

      

 

     

La diferencia consiste en el que valor de  se encuentra entre 0.8 a 0.9. Si     , entonces será necesario introducir un corrector o acumulador de energía.

5.8.

Cálculo del disco del embrague.

El centro del disco se fabrica de acero al carbono con 0.40 a 0.45% de carbono y al cromo con temple y revenido, de dureza HRC = 38…45. El cálculo se reduce a

la determinación de esfuerzos de aplastamiento o compresión y al corte, utilizando las siguientes ecuaciones:

a) A compresión:  

      

b) Al corte:  

        

Dónde: D y d - Diámetros externo e interno de las estrías del centro del disco. z, b y l - Cantidad, ancho y largo de las estrías del centro del disco.

c) El momento máximo dinámico dinámico Mdmáx se calcula por medio de la ecuación:                            

      

 



   

             

      

      

d) Cálculo de comprobación. Los esfuerzos de compresión y de corte calculados deben estar entre los valores permisibles que a continuación se señalan:  A compresión compresión           .     .  Al corte:      

e) El centrado de la unión (disco-árbol (disco-árbol primario de la caja de velocidades) velocidades) debe ser por el diámetro exterior  o por el ancho de las estrías . f) En muchos discos se colocan amortiguadores para absorber las vibraciones de la transmisión, no permitir que entren en resonancia con las ondas que se producen en el MCI (dámper) y son los resortes que se colocan en el propio disco. g) Cálculo de los forros (pastas) (pastas) de los discos. El ancho radial de las pastas h se puede determinar por la ecuación siguiente: 

  



     

  

Esta ecuación se despeja del hecho de que el área Ar de la pasta se calcula como:   

 

        

h) Cálculo del diámetro exterior de e interior di del disco disco de embrague.    

   

   

    

    

   

   

  

Dónde:  - Radio medio del forro del disco.

5.9.

Cálculo de los resortes de presión.

En los embragues de disco es necesario que las superficies de contacto (volante del motor-disco de embrague-plato opresor) sean planas-paralelas, por esto la presión ejercida sobre ellas debe ser uniformemente repartida. En la mayoría de los embragues (sobre todo de camionetas y autos pesados) se sitúan de 4 a 6

resortes, siendo en más cantidades en camiones y tractores, en dependencia de la potencia a transmitir. Los resortes más utilizados en los embragues, de acuerdo a sus características, son los cilíndricos y los cónicos, los últimos de secciones rectangulares y cilíndricas. Se fabrican de aceros al silicio o al manganeso, tratados con temple en aceite y a continuación un revenido. La dureza se encuentra en HRC = 38…45. El cálculo de los resortes de los embragues se centra en la elección de sus dimensiones, de tal manera que garanticen la fuerza de empuje Pe necesaria y su resistencia mecánica. El cálculo a la durabilidad no se realiza, ya que la cantidad de ciclos de carga (cantidad de acciones de desembragues) no alcanza la cantidad básica de ciclos de 10 6.

a) Fuerza elástica elástica de un resorte resorte . La fuerza elástica que debe poseer uno de los resortes del embrague se calcula por la ecuación siguiente:  

 



 

     

Dónde: t  - Cantidad de resortes. En este caso es de diafragma.

b) Desplazamiento o flecha flecha máxima de cada resorte f 1. La flecha máxima debe escogerse entre 2 y 5 mm (debe coincidir con la separación entre el disco y el plato opresor ∆l i). ∆li=3mm

5.10. Otros cálculos importantes. a) Cálculo de la fuerza tangencial que actúa en el embrague Ft . El cálculo de la fuerza tangencia que actúa en el embrague es necesaria conocerla para poder hacer el cálculo del elemento que fija el forro al disco de embrague, ya sean remaches o algún tipo de pegamento, además, que la cantidad y tipos de resortes que muchas veces se instalan en el disco para absorber las

vibraciones y los impactos torsionales que se producen al poner en movimiento los vehículos o cambiar de velocidades. La fuerza tangencial se calcula:                 

O bien utilizando la siguiente ecuación:  

 



   



   



          

Dónde: Ne - Potencia efectiva nominal del MCI.                       Velocidad tangencial en el embrague.   Frecuencia de rotación nominal del MCI.

Para un cálculo correcto se debe escoger la fuerza Ft mayor calculadas por ambas ecuaciones.

b) Cálculo del embrague al trabajo específico de patinaje. patinaje. Calentamiento del embrague. La durabilidad de los embragues depende de la resistencia al desgaste de las pastas o forros de los discos de embrague, lo cual también depende de la magnitud del trabajo de patinaje y la temperatura en las superficies en fricción. El patinaje del embrague es más probable en el momento cuando el vehículo comienza su movimiento. En ese periodo de tiempo relativamente corto la

intensidad de crecimiento del momento Kc oscila: Kc = 10-25 kgf/cm 2 para autos ligeros, Kc = 20 75 kgf/cm 2 –para camiones y autobuses. El trabajo de patinaje del embrague depende del momento de resistencia al movimiento del vehículo, reducido al árbol primario de la caja de velocidades; así como de los momentos de inercia del automóvil, reducido al árbol primario de la caja de velocidades y del momento de inercia del MCI, reducido al volante. También depende de la velocidad angular del MCI y de la intensidad de crecimiento del torque aplicado, Kc. Según literatura especializada, el trabajo específico de patinaje de los vehículos oscila entre 15 y 18 kgf ⋅ m/cm2. El calentamiento del embrague, especialmente del disco de embrague depende directamente del trabajo de patinaje o resbalamiento del mismo y del porciento de calor que puede disipar el propio disco. La masa del embrague, relacionada con sus dimensiones, y la capacidad calorífica específica del hierro gris, influyen indirectamente en el aumento de la temperatura ∆t. En general se puede calcular el incremento de temperatura ∆t por la ecuación

siguiente:                   

Dónde: L - Trabajo de patinaje del embrague. γ - Fracción de calor que disipa el disco de embrague, γ = 0.5.

G - Masa del disco. c - Capacidad calorífica específica. Para el acero gris: c = 0.115 kcal/kg°C. El valor de ∆t no debe sobrepasar los 15 °C.

6. BIBLIOGRAFÍA. 

E. J. Domínguez, J. Ferrer. 2007. Sistemas de transmisión y frenado . Editex. España

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http://www.jeep-ika.com.ar/especificaciones/utilitarios/utilitarios.html