CV 04-Diseño de embrague de fricción

Embrague de fricción (Consideraciones de diseño)

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Embragues

1. Plato conductor 2. Plato conducido

Son acoplamientos temporales utilizados para solidarizar dos piezas que se encuentran en ejes coaxiales, para transmitir el movimiento de rotación y torque de uno (plato conductor) a otro (plato conducido), a voluntad del operador. INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

En automotriz, el tipo de embrague que mas se utiliza está basado en el fenómeno físico de fricción o rozamiento.

El rozamiento es la acción que se opone al desplazamiento relativo de dos cuerpos en contacto, que se hallan bajo la acción de una fuerza normal a la superficie común.

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Coeficiente de fricción El coeficiente de rozamiento es la relación entre la fuerza de rozamiento y la fuerza normal a dos superficies de contacto. 

Fr FN

donde: Fr , Fuerza de rozamiento FN , Fuerza normal

Su valor depende de los materiales, naturaleza y estado de las superficies de contacto. INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

Cuando el embrague no es capaz de transmitir todo el par del motor, se produce deslizamiento entre las superficies de contacto, con rozamiento y generación de calor, que deteriora rápidamente el material adherente del disco.

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Cada tipo de vehículo dispone de un embrague ideal, calculado en función de: -Características del motor (potencia, torque y rpm) - Tipo de caja de velocidades (relaciones de transmisión) - PBV - Tipo de aplicación; - Relación del diferencial; Estos factores determinarán el diámetro y el peso del plato de apriete y el tipo de disco que deberá utilizarse.

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En la práctica se considera otro factor que influye en su valor: -La temperatura, ya que podría modificar la naturaleza de la superficie, al provocar la carbonización o la descomposición de algunos componentes que integran la fórmula del material de fricción, especialmente los de naturaleza orgánica. La temperatura tiene un efecto negativo sobre el coeficiente de fricción de algunos materiales.

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Material orgánico

Kevlar

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Diseño del disco de embrague de fricción -Función que cumple -Forma y partes -Material de la guarnición (características, coeficiente de fricción, resistencia a la temperatura, etc.) -Dimensiones (Radio exterior e interior) -Esfuerzos que soporta -Proceso de fabricación

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El disco de embrague

El proceso de transmisión de par en los embragues de fricción está controlado en gran medida por las cualidades del material de fricción en el disco de embrague, que roza con la volante y el plato de presión.

El embrague es un sistema que debe ser capaz de transmitir pares que en ocasiones pueden ser muy grandes, y hacerlo de modo adecuado bajo condiciones muy adversas, cumpliendo además severos requisitos. INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

Partes del disco de embrague 2 3

1, Disco metálico 2, Material de fricción 3, Muelles 4, Cubo estriado 5, Remaches 5 4

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Características del comportamiento tribológico de los materiales en contacto -Los materiales en contacto deben tener un alto coeficiente de fricción. -Resistencia al desgaste. -El valor del coeficiente de fricción debe ser constante sobre un rango de temperaturas y presiones adecuado. -Los materiales deben ser resistentes a las condiciones atmosféricas y ambientales (humedad, presión, contaminación, partículas de polvo…). -Los materiales deben poseer buenas propiedades térmicas: alta conductividad térmica, baja inercia térmica y adecuada resistencia a las altas temperaturas. INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

-Capacidad para soportar elevadas presiones de contacto. -Buena resistencia a esfuerzos cortantes transmitidos por la fricción de los elementos. -Materiales de fabricación y uso seguros, y aceptables para la salud y el medio ambiente. -Debe tener una vida útil de hasta cientos de miles de kilómetros

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Materiales para el disco de embrague Primeros materiales: - Cuero - Corcho - Amianto, introducido por Dion-Boutton (fibromatosis pulmonar)

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Materiales para el disco de embrague

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Nuevos materiales -Aglomerado de resina y moldeado bajo presión a altas temperaturas. Coeficiente de fricción: De 0,3 a 0,4 pudiendo bajar a 0,2 con el calentamiento. Se alcanzan temperaturas normales de 150º C y en casos límite hasta 300º C. -Materiales compuestos (cerámica, cobre y estaño), Coeficiente de fricción: 0,5.

-Materiales orgánicos

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Materiales orgánicos -Fibras de metal entre tejido compactado de aramida (poliamida aromática), con buenas propiedades mecánicas y muy tenaz. -Fibra de vidrio y aglutinado mediante resinas poliméricas.

-Thermofiber,

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Thermofiber 2020 Los forros con este material soportan usos intensos, si bien son intolerantes al uso abusivo repetido (sobrecalentamiento). Retornan a condiciones óptimas de funcionamiento tras sufrir sobrecalentamiento.

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Kevlar

Las fibras de este compuesto presentan altas prestaciones mecánicas: resistencia a tracción y a cizalladura, por la orientación perfecta de las moléculas del polímero, rango de temperaturas superior.

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Carbocerámicos -Usualmente encontrados en sistemas multidisco, donde se producen elevados deslizamientos. -Soportar temperaturas muy elevadas. -Soportan potencias por encima de los 500 caballos. -Erosionan el material del volante motor y disco de presión más rápidamente. -El carbono, en forma de fibras presenta una durabilidad ligeramente mayor, menor peso y menor capacidad de erosión, mientras que el material cerámico soporta temperaturas mayores y presenta mayor rigidez. -Coeficiente de rozamiento: 0,50 INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

Material sinterizado -Los segmentos del forro se fabrican mediante sinterización, es decir, compresión en prensa, de polvo del metal en el interior de un molde con la forma adecuada, y el posterior tratamiento en horno de la pieza generada. -Es usual añadir al polvo de metal polvo de zinc, latón (en el caso de segmentos de acero) o polvos cerámicos (materiales cerametálicos) para mejorar la conductividad térmica y la resistencia a abrasión.

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Par transmitido por el disco:

Sea p la presión admisible, supuesta constante en toda la superficie del disco.

Area del anillo:

S  2 rd r

Fuerza normal:

FN  S . p  2 rd r . p

Fuerza de rozamiento:

Fr =FN .  2 rd r . p.

Par transmitido por una cara: M e  Fr .r  2 rd r . p..r Par transmitido por z caras: M e  2 rd r . p..r.z INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

Integrando la ecuacion para determinar el par total que puede transmitir dos caras de un disco de radios re y ri es: re

re

ri

ri

M e  2  2 . p. .r 2 d r  4 . p.  r 2 d r 4 M e   . p. .(re3  ri 3 ) 3

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Cálculo aproximado: Se suponde que la resultante de las fuerzas de rozamiento está aplicada al radio medio r del disco: Area del disco: S   ( re 2  ri 2 ) Fuerza normal: FN  S . p   ( re 2  ri 2 ). p Fuerza de rozamiento: Fr   .FN   (re 2  ri 2 ). p. re  ri Par: M e  Fr .r , donde r  2 Reemplazando se tiene: re  ri 2 2 M e   (re  ri ). p.. 2 Para un embrague de dos caras: M e   . p. (re 2  ri 2 )(re  ri ) INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

Para obtener el mejor rendimiento del material que constituyen los discos, el valor óptimo de la r relación i  0,7 re Al adoptar esta relación, se calculará el diámetro del embrague a partir de la siguiente fórmula: M e   . p. .re (1  0, 7 2 )(1  0, 7) de donde: Me re  3 0,867 p. INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

Presión de contacto

Cálculo del área de contacto (Ac ) Ac =  .(re 2  ri 2 )

ri re

La presión entre el disco y la volante (Pc ), es Fe Pc  Ac donde: Fe , Fuerza de empuje de los muelles (diafragma)

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Consideraciones y límites en el proyecto de un embrague

1. Por seguridad El M e , se calcula por la siguiente relación: Me  . Mm ß, es el coeficiente de seguridad, tambien denominado "reserva del embrague" 1,3 .... 1,75 (turismos) 1,6 .... 2,5 (vehiculos sometidos a cargas bruscas, como industriales, todo terrenos) INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

ri re

2. Por inercia El diámetro del disco de embrague está limitado por la inercia que puede alcanzar el conjunto en su movimiento, lo que daría lugar a dificultad en los cambios de marcha Diámetros admisibles: Máximo: 430 mm. Mínimo: 160 mm En caso de necesidad, se resuelve con un bidisco.

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ri re

3. Por temperatura El valor de la temperatura está en función del valor de la fuerza de rozamiento que a su vez depende del valor ri de la presión específica p. re Se debe cumplir la siguiente relación: k p , kg/cm 2 D donde; p, presión específica D, Diámetro exterior, en cm k, es una constante que depende de la ventilación del embrague En el mejor de los casos: k  11,8 En el peor de los casos: k  10 INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

4. Progresivo Una cualidad de un embrague es ser progresivo. Esto se consigue utilizando presiones específicas: p  1, 0....2, 0 para vehículos de turismo p  2, 0....3, 0 para vehículos industriales

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ri re

Solución bidisco En la relación que liga la presión con el diámetro exterior, los valores de k, en el embrague bidisco, están comprendidos ri entre: K 7 y8 en razón a la dificultad en la ventilación para k  7 7 7 2 p  1, 06 kg / cm y p   1, 75 kg / cm 2 43 16 para k  8, 7 8, 7 8, 7 p  1,3 kg / cm 2 y p   2,17 kg / cm 2 43 16 INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

re