Frenos con zapatas

FRENOS CON ZAPATAS

Los frenos de zapata son muy utilizados en la maquinaria en general y especialmente para los frenos de los automóviles y ferrocarriles.
En todos los casos, estos frenos funcionan haciendo rozar con fuerza una zapata, o bien de hierro fundido, o bien de acero recubierta de un material especial de fricción, con un tambor metálico, generalmente de hierro fundido,especialmente tratado, en movimiento, con la intensión de detenerlo o en caso tal, mantenerlo detenido. En algunas aplicaciones, como en los trenes la zapata roza directamente sobre la rueda.
La aplicación más común de estos frenos son los frenos de tambor automotrices (vehículos de gama baja-media, sobre todo los frenos en las ruedas posteriores).
Los frenos de tambor modernos se inventaronen 1902 por Louis Renault, aunque un tipo de freno similar pero menos sofisticado ya se había usado por Wilhelm Maybach un año antes. En los primeros diseños las zapatas eran dirigidas mecánicamente; a mediados de los años '30 se introdujo un sistema hidráulico por medio de aceite, si bien el sistema clásico se siguió utilizando durante décadas en algunos modelos.

Clasificación

Los frenos de zapata seclasifican en dos tipos según su construcción:

* Frenos de zapata exterior
* Frenos de Zapata interior

Frenos de zapata exterior
En esencia, constan de un bloque, denominado zapata, que actúa sobre la superficie lateral de un cilindro, denominado tambor, unido sólidamente al elemento a frenar.
La zapata montada sobre una palanca articulada en un extremo y a la que se le aplica la fuerzade frenado en el otro, puede estar unida rígidamente o de forma articulada.

Fig. 1: Esquema de frenos de zapata externa
Frenos de zapata externa larga

Se debe observar que cuando se emplean diseños con zapatas externas como embragues, el efecto de la fuerza centrifuga consiste en disminuir la fuerza normal. Así, a medida que la velocidad se incremente, se requiere un valor mayor de lafuerza de accionamiento F.
Un caso especial se origina cuando el pivote o articulación se ubica de manera simétrica y también de forma que el momento de las fuerzas de fricción respecto del pivote sea cero.
Para obtener una relación de distribución de la distribución de la presión, se considera que el desgaste del fierro es tal que conserva la forma cilíndrica.
En la Figura se muestra un ejemplo dezapata que actúa exteriormente. Aunque la geometría tenga una variación sustancial, los principios y conclusiones efectuado en los apartados anteriores siguen siendo válidos. Ahora bien, tomando momentos con respecto a la articulación se puede obtener los siguientes momentos de las fuerzas de fricción y de las fuerzas normales que actúan en la zapata:

Mµ=µ.pa.b.rsinθaθ1θ2sinθ(r-a.cosθ)dθMn=pa.b.r.asinθaθ1θ2sin2θdθ

Siendo pa la presión actuante sobre la zapata. Luego, el equilibrio global de momentos sobre la zapata daría la siguiente relación:

F=Mµ+MNc

Las reacciones en las articulaciones se pueden hallar por equilibrio de fuerzas verticales y horizontales, de manera de obtener:

Rx=θ1θ2cosθdN+ θ1θ2µsinθdN-Fx

Ry=θ1θ2µ.cosθdN- θ1θ2sinθdN+ Fy

Operando se obtiene:Rx=pa.b.rsinθaB1+µB2-Fx
Ry=pa.b.rsinθaµB1-B2+Fy

Donde:

B1=θ1θ2sinθ.cosθdθ=12sin2θθ1θ2

B2=θ1θ2sin2θdθ=θ2-sin2θ4θ1θ2

Si el sentido de rotación del tambor fuera opuesto al que se muestra en la figura, se produciría una autoenergización de la zapata y la fuerza de accionamiento vendría calculada por la siguiente expresión:

F=MN-Mµc

Para zapata autoenergizante
Así pues un freno esautoenergizante si el momento de fricción ayuda al momento de accionamiento. En cambio el freno será desenergizante si el momento de fricción equilibra el momento de accionamiento.
Cuando se emplean elementos, embragues o frenos, con zapatas exteriores, el efecto de la fuerza centrífuga es reducir la fuerza normal, de manera que al aumentar la velocidad ω, hay que aumentar la fuerza de...