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Sistemas de frenos
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Sistemas de frenos

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  • 1. 1 SISTEMAS DE FRENOS Unidad 4. Acoplamientos de elementos de máquinas Uno de estos dispositivos para controlar las variables de operación en las máquinas, son los frenos, dispositivos con la capacidad de incidir directamente sobre la operación general de la máquina.
  • 2. 2 ¿QUÉ ENCONTRAREMOS EN ESTE DOCUMENTO? Introducción ....................................................................................................... 3 Cómo podemos definir los engranajes ...............................................................3 Clasificación de los sistemas de frenos ............................................................... 5 Cómo podemos clasificar los sistemas de frenos ...............................................5 Sistemas de frenos por adherencia o fricción ....................................................6 Sistemas de frenos electrónicos ......................................................................10 Sistemas de frenos de motor............................................................................12 Materiales......................................................................................................... 13 Materiales para la fabricación de frenos ..........................................................13 Nomenclatura del coeficiente de fricción .........................................................13 Enlaces de interés............................................................................................. 15 Dónde podemos encontrar más información....................................................15
  • 3. 3 Introducción Cómo podemos definir los engranajes Las máquinas en general poseen dispositivos con diferentes funciones, muchos de ellos permiten al operario tener un control sobre las variables de operación, variables que si bien son relacionadas con el funcionamiento natural de la máquina o dispositivo mecánico, en ciertos momentos deben ser controladas con el objetivo de regular las variables y en muchos casos deben ser controladas como mecanismo de seguridad o para proteger el equipo
  • 4. 4 El termino freno en general, se asigna a todo dispositivo capaz de modificar el estado de movimiento de un sistema mecánico mediante fricción, pudiendo incluso detenerlo completamente, absorbiendo la energía cinética de sus componentes y transformándola en energía térmica. La forma más simple de sistemas de frenos, es una banda deformable que cubre la superficie periférica de una volante y que al presionarse sobre ella genera fricción y un efecto de frenado. En la práctica existen sistemas más complejos que dada las características de la aplicación, implican que el sistema de frenos tenga una capacidad más alta, dado que las inercias y cargas son muy elevadas. Para este tipo de casos se suelen emplear sistemas hidráulicos y neumáticos que actúan sobre dispositivos solidarios a los elementos dinámicos generando esto el mismo efecto de frenado. Los dispositivos empleados como frenos se construyen con materiales de alta resistencia, al calor y que no se desgasten fácilmente.
  • 5. 5 Clasificación de los sistemas de frenos Cómo podemos clasificar los sistemas de frenos Los sistemas de frenos en termino general se pueden clasificar según él mecanismo empleado para frenar las máquinas, este mecanismo puede ser por adherencia o fricción, eléctricos y motor, lo que implica que haya o no contacto directo entre las partes móviles y estáticas. También es importante mencionar que en la práctica los dispositivos empleados como embragues suelen ser empleados como sistemas de frenos, en cuyos casos el acoplamiento no se produce con el objetivo de acoplar los ejes, sino con el objetivo de generar una resistencia a los mecanismos o sistemas motrices, logrando con ello detener la máquina. Los frenos y embragues están completamente relacionados ya que ambos utilizan la fricción como medio de funcionamiento, en teoría existen cálculos y normas con las que se pueden diseñar y dar mantenimiento a estos dispositivos.
  • 6. 6 Sistemas de frenos por adherencia o fricción Los sistemas de frenos por adherencia se caracterizan por que existe contacto directo entre los elementos móviles y el mecanismo de frenado. Los frenos de fricción están diseñados para actuar mediante fuerzas de fricción, siendo este el medio por el cual se transforma en calor la energía cinética del cuerpo a desacelerar. Algunos sistemas de frenos que generan un efecto de adherencia o fricción son: Frenos de cinta Uno de los mecanismo de frenado más simples, tanto en su construcción como en su operación, es el llamado freno de cinta o freno de banda, el cual consiste fundamentalmente de una cinta flexible o banda estacionaria, que se tensa alrededor de un cilindro solidario al eje cuya velocidad se pretende modificar, la fricción existente entre la cinta y el tambor es responsable de la acción del frenado. Una variable importante en este tipo de freno es la tensión aplicada a la banda, dado que a mayor tensión, mayor será la presión que esta genere sobre el cilindro y por ende el efecto de frenado varía.
  • 7. 7 Frenos de zapatas Los frenos de zapatas o bandas son dispositivos que están constituidos por una o varias zapatas que se obligan a entrar en contacto con un cilindro solidario al eje cuya velocidad se pretende controlar, la zapata se construye de forma tal que su superficie útil, recubierta de un material de fricción, calce perfectamente sobre el tambor. Cuando las máquinas son relativamente pequeñas, la presión y el desplazamiento de la zapata se logra con una simple palanca, la cual hace desplazar verticalmente la zapata sobre el tambor o volante. Para evitar un efecto de arrastre de la volante sobre la zapata, esta suele incluir guías que impiden un desplazamiento periférico de la zapata. Cuando la máquina es de mayor capacidad es indispensable el uso de sistemas que cumplan con dicho requisito, lógicamente los frenos deberán poseer más capacidad, aumentando la presión ejercida sobre el tambor y la superficie de contacto deberá ser más grande para aumentar la eficiencia de frenado.
  • 8. 8 Un ejemplo importante de este tipo de frenos, donde se incrementa la capacidad de frenado notablemente es el freno de zapatas de expansión interna o de campana. Los frenos de zapatas de expansión interna o de campana, tienen dos zapatas semicirculares que presionan contra la superficie interna de una campana o tambor metálico que gira solidario a un eje. Las zapatas están montadas en un plato de anclaje que se fija a una estructura estacionaria de la máquina. Cuando se acciona el freno de zapatas de expansión interna o de campana, se genera una presión hidráulica que es trasmitida a un cilindro ubicado entre las dos zapatas, estas al estar pivotadas en uno de sus extremos, son forzadas a desplazarse contra la superficie interna del tambor, generando un contacto de fricción que genera el frenado de la máquina. Estos sistemas de frenos incluyen también un mecanismo de ajuste para compensar el desgaste de las bandas que se unen a las zapatas y de esta forma mantener la eficiencia del sistema. Para sistemas de frenos de dos bandas, este mecanismo de ajuste es completamente necesario, dado que las bandas están pivotadas en un extremo y si este punto de pivote no se ajusta, la superficie de contacto entre la banda y la campara se reduciría gradualmente con el desgaste de la banda, implicando ello una disminución de la eficiencia de frenado. En sistemas de frenos de cuatro zapatas se suele corregir un poco el problema de ajuste de las zapatas, y la presión ejercida sobre la campana se distribuye de una forma más uniforme.
  • 9. 9 Frenos de discos Los frenos de disco están compuestos básicamente por un disco de hierro fundido o rotor que gira solidario a un eje y una mordaza que incluye un par de pastillas, montada sobre una estructura estacionaria de la máquina. Cuando se acciona el freno la mordaza presiona las pastillas sobre el disco y de esta forma se genera el efecto de frenado de la máquina. Para evitar descompensación en la presión ejercida por ambas pastillas sobre el disco, las mordazas incluyen cierta holgura que permite un desplazamiento simultaneo de los cilindro de la mordaza, permitiendo que esta se ajuste y que la presión sea equilibrada de ambos lados. Este tipo de frenos suele ser más eficiente que los frenos de zapatas de expansión interna y más cuando se incluyen varias mordazas distribuidas periféricamente sobre el disco, lamentablemente cuando el ambiente de operación incluye agentes que pueden entrar en contacto con los discos, estos pueden generar finas capas sobre los discos que pueden generar un efecto de deslizamiento entre las pastillas y los discos, disminuyendo la eficiencia de frenado. Algunas de las ventajas del sistema de frenos de disco son: • No se presentan problemas de cristalización de los componentes, dado que por estar abiertos los discos se enfrían rápidamente o no sufren problemas de calentamiento excesivo. • El polvo generado por el desgaste de las pastillas es fácilmente desechado por acción centrifuga, a diferencia del sistema de campanas donde tiende a acumularse. • El frenado es muy silencioso.
  • 10. 10 Sistemas de frenos electrónicos Un freno eléctrico es un dispositivo que permite decelerar o detener un dispositivo mecánico o una maquina mediante accionamiento eléctrico. Su funcionamiento está basado en el principio de la creación de corrientes que nacen en una masa metálica cuando esta se sitúa en un campo magnético variable. Estas corrientes en forma de torbellino se denominan parásitas o corrientes de Foucault. En su construcción, se emplean bobinas con polaridades alternadas que se instalan en un estator situado entre dos discos solidarios con los ejes de la trasmisión (discos rotores). Estas bobinas cuando se cierra su circuito eléctrico, crean un campo magnético fijo, y es el movimiento de los rotores, lo que produce la variación de velocidad, ya que a mayor velocidad de giro, mayor es la fuerza de frenado generada por el campo electromagnético que atraviesa los discos rotores. La energía cinética del sistema se disipa en forma de calor a través de unas aletas de refrigeración de las que están provistos los discos del rotor. La principal ventaja de este sistema de frenado es que al no tener rozamiento entre partes mecánicas, el desgaste y el mantenimiento son mínimos Dentro de los frenos eléctricos se distingue dos grupos, los frenos regenerativo y los reostáticos.
  • 11. 11 Frenos regenerativos Son dispositivo que permite reducir la velocidad transformando parte de la energía cinética en energía eléctrica. Esta energía eléctrica puede ser almacenada para un uso futuro en bancos de baterías o condensadores. El frenado tradicional, basado en la fricción, sigue siendo usado junto con el regenerativo por las siguientes razones: • El frenado regenerativo reduce de manera efectiva la velocidad a niveles bajos, pero no detiene completamente el movimiento de la máquina. • La cantidad de energía a disipar está limitada a la capacidad de absorción de ésta por parte del sistema de energía, o el estado de carga de las baterías o los condensadores. En cuyo estado de carga completa los frenos de fricción actúan para detener la máquina. Frenos reostáticos Se emplean en máquinas de gran tamaño y algunas locomotoras donde la inercia del motor o volantes de la maquina hacen que este gire por algunos minutos antes de detenerse completamente una vez es desconectado el fluido eléctrico. Esta condición hace que el motor pase a funcionar como generador y de este modo la energía mecánica acumulada se va disipando en forma de energía eléctrica que circula por los devanados del motor generando un par contrario al de giro. Este par generado, contrario al movimiento, hace que disminuya la velocidad del motor hasta valores mínimos, en cuyo caso los frenos de fricción pueden actuar y detener la máquina, sin que se genere un desgaste importante y calentamiento de los componentes sometidos a fricción.
  • 12. 12 Sistemas de frenos de motor Este tipo de frenos es exclusivo de vehículos de gran tamaño, como camiones de carga. Este mecanismo funciona deshabilitando la apertura de las válvulas de escape y convirtiendo al motor en un sistema de compresión y de esta manera se restringe la rotación del motor. Este sistema incluye una solera de control dispuesta en la parte superior del tren de balancines y una válvula de desalojo instalada en el múltiple de admisión del motor que permanece cerrada hasta tanto no sea aplicado el sistema de freno, y que es abierta al aplicarse el freno del motor por un dispositivo de accionamiento de válvula. Un segundo dispositivo de accionamiento desplaza longitudinalmente la solera de control al aplicarse el freno, desacoplando los balancines de escape de la varilla levantadora de válvulas, impidiendo así que las válvulas de escape se abran, manteniendo atrapados los gases en los cilindros oponiendo resistencia al movimiento ascendente de los pistones en su carrera de escape, esto obliga a los gases a salir en el momento de apertura de las válvulas de admisión en la carrera de admisión hacia la válvula de salida al ambiente.
  • 13. 13 Materiales Materiales para la fabricación de frenos Para construir las partes estructurales de los frenos, como los discos y campanas de frenos, se suelen emplear aceros o fundiciones de hierro, materiales que brindan una excelente resistencia y un alto coeficiente de fricción. Las superficies que se encuentran bajo fricción, se recubren generalmente con un material que tenga un buen coeficiente de fricción y que al mismo tiempo tenga una buena resistencia a la compresión y a la abrasión térmica. Nomenclatura del coeficiente de fricción
  • 14. 14 Tipo de Material Coeficiente de Fricción Metálico EE Semimetálico EF, FE, o FF Cerámica FF, FE, FG Asbesto FF o GG Carbono EF o FF Los recubrimientos pueden ser moldeados o tejidos y construidos de materiales metálicos sinterizado o de aceros endurecidos. Los recubrimientos moldeados poseen resinas poliméricas (epóxidas u otras) para aglutinar ciertos añadidos como virutillas de latón, zinc. Los recubrimientos fibrosos suelen incluir fibras de asbesto. Los fabricantes de frenos suministran en sus catálogos una información muy extensa en cuanto a las capacidades de torque y potencia que deben soportar los mismos. También suelen suministrar valores típicos de los materiales empleados en la fabricación de los frenos, como por ejemplo los coeficientes de fricción, las temperaturas máximas y las presiones máximas en KPa. En los mismos catálogos se suelen describir procedimientos para la selección, en los cuales se hace oportuno uso de una serie de factores de servicio que son propios del fabricante. Entre los factores de servicio más característicos a tener en cuenta están: Factores de aplicación: tipo de industria Factores de uso: tipo de motor que se empleará para transmitir potencia Factores de potencia y torque: rango de uso Factores de carga: para prevenir sobrecargas en función del tipo de uso
  • 15. 15 Enlaces de interés Dónde podemos encontrar más información  Frenos industriales http://www.frenos.info/ http://www.antecsa.com/archivos/productos/frenos_index.html  Embragues y frenos http://www.stromag.com/es/index.html?emb.htm  Freno eléctrico http://es.wikipedia.org/wiki/Freno_el%C3%A9ctrico

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