Diseño de embragues cónicos



























Una representación dinámica simplificada de un embrague, o freno, de fricción. Dos masas de inercias, I1 e I2 , que giran con velocidades angulares Ɯ1 y Ɯ2 respectivamente, una de las cuales puede ser cero en el caso de un freno, se llevan a la misma velocidad al hacer la conexión del embrague (o freno). Se producirá deslizamiento porque losdos elementos se mueven a velocidades diferentes y se disipara energía como calor durante la acción, originando asi una elevación de la temperatura. Para analizar el funcionamiento de estos dispositivos interesara conocer lo siguiente:
1. La fuerza que se ejerce
2. El momento de torsión transmitido
3. La pérdida de energía
4. El incremento de temperatura
El par torsión que se transmite estárelacionado con la fuerza aplicada, el coeficiente de fricción y la geometría del embrague o freno. Este es un problema de estática que deberá estudiarse separadamente para cada configuración geométrica y puede estudiarse sin considerar el tipo de freno o embrague, porque la configuración que importa es la de las superficies disipadoras de calor.

En el análisis de todos los tipos de embragues yfrenos de fricción se emplea el mismo procedimiento general. Los siguientes pasos son necesarios:
1. Suponer o determinar la distribución de la presión sobre las superficies de fricción.
2. Hallar una relación entra la presión máxima y la presión en un punto cualquiera.
3. Aplicar las condiciones de equilibrio estático para determinar a) la fuerza actuante, b) el par torsión y c) las reaccionesen los apoyos.
Ahora se aplicaran estos pasos al problema teórico de la figura 2. Ahí se muestra una zapata de fricción de corta longitud articulada en A, sobre la que actúa una fuerza aplicada F, una reacción normal N y una fuerza de fricción o rozamiento fN entre las superficies en contacto, siendo f el coeficiente de fricción. Se designara la presión en un punto cualquiera por p y la presiónmáxima por pa. El área de la zapata se representara por A.
Paso 1. Como la zapata es corta se supone que la presión esta uniformemente distribuida sobre el área de rozamiento.
Paso 2. Por el paso 1,
p= pa (a)
Paso 3. Como la presión esta uniformemente distribuida pueden sustituirse las fuerzas de presión normales con una fuerza normal equivalente. Así,
N= pa A (b)
Ahora seaplican las condiciones de equilibrio estático, tomando suma de momento con respecto al punto de articulación. Esto da
ƩMA = Fb-Nb +fNa = 0 (c)
Sustituyendo pa A en vez de N y despejando la ecuación (c), la fuerza aplicada,
(d)
Tomando las sumas de fuerzas en las direcciones horizontal y vertical se determinan las reacciones en la articulación:
(e)(f)
Con esto termina el análisis estático del problema.
Lo anterior es muy útil cuando se conocen las dimensiones del embrague o freno, y se especifican las características del material de fricción. Sin embargo, en el diseño interesa más la síntesis que el análisis, es decir, el objetivo es seleccionar un conjunto de dimensiones que permita obtener el mejor freno o embrague, dentro de laslimitaciones del material de fricción que se haya especificado.
En el problema precedente se hizo buen uso del material de fricción, porque la presión es máxima en todos los puntos de contacto. Ahora se analizara lo relativo a las dimensiones. En la ecuación (d), si b=fa, el numerador se anula y no se requiere aplicar ninguna fuerza. Esta es la condición de autoaplicación de la zapata. Por logeneral no interesará el diseño de un freno que se autoaplicante, pero si deberá aprovecharse plenamente el efecto de autoenergización. Este puede obtenerse seleccionando para el material de fricción un valor de f que nunca será excedido, aun en las condiciones más adversas. Una manera de hacer esto es incrementar la especificación que da el fabricante para el coeficiente de fricción, por ejemplo,...