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Diseo de Mquinas 141
12 EMBRAGUES 1. INTRODUCCIN
Los embragues son elementos que sirven para acoplar (embragar) y
desacoplar (desembragar) dos ejes en funcin de las necesidades. Se
trata por tanto de elementos de unin temporal entre ejes. En una
mquina, por lo general interesa que los ejes estn unidos para que
la potencia llegue desde el motor a la resistencia. Sin embargo, en
algunas situaciones interesa desacoplar el eje actuante del
resistente: para que el arranque del motor sea sin carga, para
realizar el cambio de marchas (por ejemplo en un automvil), para
frenar el eje resistente en ausencia de par actuante Es en estas
condiciones cuando se hace necesario disponer de un embrague que
permita unir/separar los ejes segn interese. Existe una gran
variedad de tipos de embragues, clasificados en funcin de su mtodo
de accionamiento y principio bsico de operacin. Por un lado, el
mtodo de accionamiento se refiere a cmo se introduce en el embrague
la fuerza que une/separa los ejes; as, el accionamiento puede ser
mecnico, neumtico, hidrulico, elctrico Por otro lado, el principio
bsico de operacin se refiere a cmo se transmite el par torsor de un
eje a otro. A continuacin se explican los principales tipos de
embrague mecnico segn esta clasificacin.
En los embragues de contacto positivo, el par se transmite por
arrastre entre elementos que encajan entre s(ver Figura 1a). Las
principales ventajas de estos embragues son
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142 Diseo de Mquinas
que no se produce ninguna friccin entre superficies(con lo que
no se genera ningn calor por rozamiento) y que son capaces de
transmitir grandes pares. La desventaja es que los ejes deben
acoplarse a bajas velocidades (a menudo en parado) y en ausencia de
pares para evitar impactos bruscos. Los embragues de contacto
positivo se calculan a cortante y aplastamiento, de forma similar a
las chavetas.
En los embragues de friccin, el par se transmite por friccin
entre superficies (en la Figura 1b, superficies cnicas). La ventaja
de estos embragues es que el proceso de embragado se da de forma
suave y progresiva: antes de unirse, los ejes estn girando a
velocidades que pueden ser muy diferentes; cuando se unen, existe
un deslizamiento entre ambas superficies debido a la diferencia de
velocidad de giro, sin embargo la friccin hace que poco a poco (de
forma suave y progresiva) este deslizamiento vaya desapareciendo
hasta que finalmente los dos ejes acaban girando a la misma
velocidad. Las desventajas de este tipo de embrague en comparacin
con los de contacto positivo son que se genera calor debido al
deslizamiento que se da durante el tiempo de embragado, y que no
tienen una capacidad de transmisin de par tan elevada.
A menudo se combinan los mecanismos de contacto positivo y de
friccin en un mismo embrague, a fin de aprovechar sus respectivas
ventajas. Primero se llevan los dos ejes a la misma velocidad
mediante friccin entre superficies, y luego se unen los ejes con un
contacto positivo. Los sincronizadores de la caja de cambios de un
automvil corresponden a este tipo de embrague combinado (ver Figura
1c).
Los embragues centrfugos son un tipo particular de embrague de
friccin (ver Figura 1d). En ellos, el par se transmite por friccin,
con la particularidad de que la fuerza que une las dos superficies
de friccin es una fuerza centrfuga. Por tanto, el embragado se da a
partir de una determinada velocidad de giro, y el par que se puede
transmitir vara en funcin de la velocidad de giro (a mayor
velocidad, mayor fuerza centrfuga y por tanto mayor par torsor se
puede transmitir).
Los embragues unidireccionales son aquellos que slo transmiten
par en un sentido de giro del eje (ver Figura 1e). Adems de los
embragues mecnicos descritos, existen adems embragues
electromagnticos, de acoplamiento fluido
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Diseo de Mquinas 143
a) b)
c)
d) e)
Figura 1.Tipos de embrague mecnico segn su principio bsico de
operacin: a) de contacto positivo b) de friccin c) combinado
(contacto positivo- friccin) d) centrfugo e) unidireccional
R=150mm
K
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144 Diseo de Mquinas
Normalmente los embragues no se disean desde cero, sino que se
seleccionan de catlogos de fabricantes. Al elegir el embrague de un
catlogo, la dificultad en su eleccin reside estimar correctamente
sus requisitos: potencia, par y giro a transmitir, naturaleza de
los mismos (continuo o intermitente, suave o con impactos), la
inercia de los ejes a unir (inercia equivalente), etctera. Debido a
su versatilidad, los embragues ms utilizados son los de friccin, y
son stos los que se van a estudiar en los siguientes apartados. Los
dos tipos de embrague de friccin bsicos en funcin de la forma de
las superficies de friccin son el embrague de disco y el embrague
cnico.
2. EMBRAGUE DE FRICCIN DE TIPO DISCO
Los embragues de friccin de tipo disco acoplan dos ejes mediante
el par de rozamiento desarrollado entre superficies con forma de
disco. La Figura 2 muestra un esquema tpico, con la posicin de
embragado y desembragado.
a)
b) Figura 2.Esquema de un embrague de friccin de tipo disco: a)
embragado b) desembragado
La clave para calcular el par es conocer la distribucin de
presiones en el contacto. As, se debe diferenciar entre un embrague
nuevo y uno usado.
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Diseo de Mquinas 145
2.1 EMBRAGUE NUEVO: PRESIN UNIFORME
En un embrague nuevo, la interferencia entre los dos discos es
uniforme y por tanto la presin es la misma en todos los puntos de
la superficie. En consecuencia, los embragues nuevos se calculan
con la hiptesis de presin uniforme:
( )3312 dDpdAprTroz == pi Donde es el coeficiente de friccin, p
es la presin (uniforme en este caso), D es el dimetro exterior y d
es el dimetro interior. Para que se desarrolle la presin entre
discos y por tanto el par de rozamiento, es necesario unir los
discos con una fuerza F:
( )224 dDpdApF == pi Sustituyendo esta expresin de F en la
frmula anterior de Troz:
( )( )22
33
3 dDdDFTroz
=
2.2 EMBRAGUE USADO: DESGASTE UNIFORME
De acuerdo a lo descrito, cuando el embrague es nuevo la presin
es la misma en todos los puntos de contacto entre discos. Sin
embargo, el desgaste es mayor en los puntos ms alejados del centro
del eje (es decir, el radio exterior se desgasta ms que el radio
interior). La expresin del desgaste es:
deslvpk =
Es decir, el desgaste en un punto es proporcional (con una
constante de proporcionalidad k) a la presin p en ese punto y a la
velocidad de deslizamiento vdesl entre los dos discos en ese punto.
A su vez, la velocidad de deslizamiento es:
( ) rwwpkrwpk desl == 21 Donde wdesl es la velocidad angular
relativa (de deslizamiento) entre los dos discos 1 y 2, es decir
w1-w2. De la formula se deduce que los puntos ms alejados del
centro del eje (los que estn a mayor radio r) se desgastan ms. Al
desgastarse ms, la presin de contacto en estos puntos va
disminuyendo poco a poco; como contrapartida, la presin
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146 Diseo de Mquinas
en los puntos cercanos al centro del eje aumenta poco a poco ya
que la suma de las presiones de todos los puntos debe permanecer
constante porque F no ha cambiado. Este proceso se da hasta que,
pasado un tiempo (embrague usado), el desgaste pasa a ser el mismo
en todos los puntos de contacto. En esta situacin se cumple por
tanto la hiptesis de desgaste uniforme en la que, tal y como se ha
explicado, la presin es mucho mayor en el radio interior que en
radio exterior de la superficie de contacto. La distribucin exacta
de presiones a raz de esta hiptesis de desgaste uniforme es:
( ) uniformerpuniformerwwpk === 21 Y es que tanto k como w1-w2
tienen por definicin el mismo valor para todos los puntos.
Desarrollando esta frmula, puede expresar la presin en cualquier
punto en funcin de la presin mxima (que aparece en el radio
interior rint=d/2):
rrpprprp intmaxintmax ==
As, el par de rozamiento desarrollado por el embrague resulta
ser:
( )22max8 dDdpdAprTroz == pi Y la fuerza:
( )dDdpdApF == max2pi
Sustituyendo:
( )dDFTroz += 4 A modo de resumen, la Figura 3 muestra la
distribucin de presiones en un embrague nuevo (presin uniforme) y
uno usado (desgaste uniforme).Cuanto ms rgido es el embrague, antes
se llega a pasar de la situacin de presin uniforme a la de desgaste
uniforme.
La hiptesis de desgaste uniforme es ligeramente ms conservadora,
en el sentido de que para una misma fuerza F aplicada estima un par
de rozamiento desarrollado ligeramente inferior al que se obtendra
con hiptesis de presin uniforme. Por esta razn, habitualmente se
utiliza la hiptesis de desgaste uniforme (adems de porque todos los
embragues acaban en estado usado aunque inicialmente sean
nuevos).
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Diseo de Mquinas 147
Figura 3. Distribucin de presiones en un embrague de friccin de
tipo disco: nuevo (en negro) y usado (en gris)
3. EMBRAGUE DE FRICCIN DE TIPO CNICO
Los embragues de friccin de tipo cnico acoplan dos ejes mediante
el par de rozamiento desarrollado entre superficies con forma de
cono. La Figura 4 muestra un
esquema tpico, donde se observa el ngulo de conicidad &. Al
igual que los embragues de disco, los embragues cnicos nuevos se
estudian bajo la hiptesis de presin constante, mientras que en los
usados se asume desgaste constante.
Figura 4.Esquema de un embrague de friccin de tipo cnico
3.1 EMBRAGUE NUEVO: PRESIN UNIFORME
En un embrague nuevo, la presin es la misma en todos los puntos
de contacto entre los conos. Con un desarrollo anlogo al realizado
para los embragues de tipo disco, el par de rozamiento desarrollado
resulta ser:
( ) ( )( ) pi sin13sin112 2233
33
==== dDdDFdDpdAprTroz
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148 Diseo de Mquinas
3.2 EMBRAGUE USADO: DESGASTE UNIFORME
A medida que el embrague se utiliza, pasa de un estado de presin
uniforme a otro de desgaste uniforme, para el cual el par de
rozamiento que desarrolla el embrague es:
( ) ( ) pi sin14sin18 22max +== dDFdDdpTroz Nuevamente, cuanto
ms rgido es el embrague antes se llega al estado de desgaste
uniforme. Igualmente, la hiptesis de desgaste uniforme resulta ser
ligeramente ms conservadora, y por ello se emplea ms
habitualmente.
Si se comparan el embrague cnico con el de disco, se observa que
para una misma fuerza F aplicada, mismo tamao (D, d) y mismo
coeficiente de friccin , el embrague cnico desarrolla 1/sin&
veces ms par de rozamiento (1/sin&>1 siempre). Como
desventaja, el embrague cnico puede sufrir autorretencin: cuando se
introduce un cono en el otro durante el embragado, se quedan
enclavados y en determinadas circunstancias puede que haya que
ejercer una fuerza para separarlos durante el desembragado (algo
que no suceda en los embragues de disco). Tal y como se ilustra en
la Figura 5, la autorretencin se da si hay que ejercer una fuerza
de extraccin Fextrac>0 para separar los conos, es decir si
>tan&. Por tanto, por un lado interesa que el ngulo de
conicidad & sea pequeo para que el par desarrollado sea
elevado, pero por otro lado eso puede dar lugar a autorretencin.
Consecuentemente, & suele tener valores intermedios, de
alrededor de 10.
Figura 5. Fuerza de extraccin para desembragar un embrague
cnico
N
N
Fext =N(cos&-sin&)
&
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Diseo de Mquinas 149
4. ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL DISEO DE EMBRAGUES
Tras presentar el clculo del par de rozamiento con las hiptesis
de presin y desgaste uniforme, lo primero que debe remarcarse que
estos clculos responden a eso, a hiptesis. En la realidad la
distribucin de presiones no seguir exactamente ninguno de estos
patrones, pero como aproximacin son aceptables a la hora de hacer
una seleccin o diseo inicial del embrague.
Otro aspecto importante a considerar al seleccionar o disear el
embrague es que el par de rozamiento desarrollado por el embrague
Troz debe ser mayor que el par que se desea transmitir; si no lo
es, el embrague patina porque no es capaz de transmitir la
totalidad del par. No obstante, tampoco es recomendable que Troz
sea excesivamente elevado, porque esto generalmente implica un
embrague muy sobredimensionado con demasiada inercia. As, los
propios fabricantes recomiendan cuntas veces mayor que el par a
transmitir tiene que ser Troz en funcin de la inercia de la mquina
donde se vaya a montar el embrague (ver por ejemplo la Tabla
1).
tipo de maquina receptora
tipo de mquina motriz
motor elctrico
motor explosin 4
6 cilindros
motor explosin 2
3 cilindros
motor explosin
monocilindro J muy reducido (bombas centrfugas, pequeos
ventiladores,
compresor centrfugo) 1.5 1.8 2 2.5
J pequeo (elevadores, grandes ventiladores,
transportadores a cinta, maquinas
herramientas para madera y metal, pequea
mquina textil)
1.7 2 2.2 2.8
J mediano (horno rotativo, montacargas, mezcladoras,
cizalla, mquina de estampar, bomba y
compresor de pistn, afiladora, mquina textil
pesada, molinos)
2 2.3 2.5 3.2
J elevado y fuertes puntas de carga (palas, pulidoras,
tractores, laminadoras de
metales ligeros, trituradoras, grandes
ventiladores, prensas de matrizar,
locomotoras, bombas grandes de pistn,
gras)
2.5 2.7 3 3.5
J muy elevado y fuertes puntas de carga (prensas de forjar,
compresor de pistn
grande, laminadoras para acero y caucho,
sierras alternativas, rodillos transportadores,
limadoras, bancos de estiraje, plegadoras,
grandes trituradores, calandras para papel,
centrifugadoras)
3 3.2 3.5 4
Tabla 1. Valores recomendados de cuntas veces mayor que el par a
transmitir tiene que ser Troz
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150 Diseo de Mquinas
Hasta ahora el estudio del embrague se ha centrado en el par de
rozamiento que puede desarrollar. Sin embargo, otro aspecto tanto o
ms importante al seleccionar o disear el embrague es el calor que
se genera por rozamiento durante el proceso de embragado (mientras
las superficies deslizan entre s). Este calor generado puede ser
muy elevado, y si no se disipa adecuadamente, el incremento de
temperatura puede provocar una prdida de eficacia del embrague.
Para calcular este calor generado, el primer paso consiste en
conocer el tiempo de embragado; para ello, en la Figura 6 se
estudia el proceso de embragado en sus tres etapas: antes, durante
y despus del embragado. A continuacin se describe cada una de estas
etapas.
Figura 6. Etapas del proceso de embragado
T1w1
T2w2
T1w1
T2w2
Troz
T1
T2
wf
tiempo
1
2
w1
w2
1
2
w1
w2
tembragado
ANTES DEL EMBRAGADO
DURANTE EL EMBRAGADO
DESPUES DEL EMBRAGADO
?
w,
tiempo
1
2
w1
w2
1
2
w1
w2
tembragado
ANTES DEL EMBRAGADO
DURANTE EL EMBRAGADO
DESPUES DEL EMBRAGADO
?
w,
w1=w2 (si T1>T2)
w1=w2 (si T1
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Diseo de Mquinas 151
Antes del embragado, el eje 1 est sometido a un par actuanteT1
(a favor de su giro w1) y el eje 2 a un par resistente T2(en contra
de su giro w1), de forma que el eje 1 acelera y el 2 decelera segn
la frmula T=I.
,- = .- &- , = . &
En un determinado instante los ejes se ponen en contacto
(embragado) y se desarrolla un par de rozamiento Troz. Debido a
este par, los ejes 1 y 2 se desaceleran y aceleran respectivamente.
La velocidad relativa de deslizamiento entre los dos ejes va
desapareciendo poco a poco hasta que acaban girando conjuntamente a
la misma velocidad. Durante el tiempo tembragado que ha durado este
proceso de embragado (entre la puesta en contacto y la igualacin de
velocidades entre ejes), el par de rozamiento Troz ha generado un
trabajo de rozamiento Wroz en forma de calor. Para calcular
tembragado:
,01* ,- = .- &- = .- 34- 456789:0;
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152 Diseo de Mquinas
De las frmulas del tiempo de rozamiento y del calor generado, se
deduce que a mayor par de rozamiento Troz, menor troz pero mayor
Wroz. Por tanto, la eleccin de Troz a la hora de disear o
seleccionar un embrague debe mantener un compromiso entre estos dos
factores.
Una vez concluida la etapa del embragado, los ejes 1 y 2 giran a
la vez, y se puede considerar el sistema como un eje nico sometido
a un par actuante T1 y un par resistente T2. As, si el par actuante
vence al resistente el eje se acelerar, si no se decelerar.
Un apunte importante a la hora de emplear las frmulas
presentadas es que las inercias I1 y I2 se refieren a las inercias
equivalentes de los ejes 1 y 2. Supngase que se tiene una
disposicin como la de la Figura 7a, donde el eje 2 del embrague est
conectado a otro eje. Mientras que la inercia del eje 1 es
directamente I1=Ia, para calcular la inercia I2 del eje 2 se debe
definir un sistema equivalente como el de la Figura 7b.
a)
b)
Figura 7. Inercia equivalente para el clculo de embragues: a)
sistema original b) sistema equivalente
Este sistema equivalente debe tener la misma energa cintica que
el sistema original:
12 . 4: =
12 .: 4: +
12 .@ 4@
Ib,wb
Ic,wc
Ia,wa
Eje 1 del embrague
Eje 2 del embrague
I*,wbIa,wa
Eje 1 del embrague
Eje 2 del embrague
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Diseo de Mquinas 153
De donde la despeja que la inercia del eje 2 es:
. = . = .: + .@ 4@4:
Para terminar este apartado, se va a en lo referente al material
de friccin, los fabricantes de embragues proporcionan tablas en las
que se detallan las principales propiedades los materiales que
ofrecen en sus catlogos.El material de friccin es el elemento ms
crtico del embrague, ya que influye directamente en el par de
rozamiento desarrollado; como idea general, cuanto mayor sea el
coeficiente de friccin y presin mxima admisible, mayor el par de
rozamiento que puede desarrollar. Para que el material de friccin
no pierda sus propiedades (y por tanto el embrague no pierda
eficacia), sus principales caractersticas deben ser: capacidad de
resistir altas temperaturas sin perder sus propiedades, alta
conductividad y disipabilidad de calor, alta resistencia al
desgaste, alta resiliencia, buen comportamiento ante condiciones
ambientales adversas como la humedad, etctera.
En el contacto, generalmente una de las superficies suele ser de
acero o hierro fundido y la otra de material friccionante. Como se
observa en la Tabla 2, en ocasiones los forros se lubrican los
forros con aceite (Wet); con esto se reduce mucho, aunque a cambio
se disipa mejor el calor y se pueden permitir valores de pmax ms
elevados. Para contrarrestar la posible prdida de Troz, los
embragues lubricados suelen disponer de varias caras de rozamiento
(embragues multidisco, ver Figura 8). En ese caso, el valor del par
de rozamiento calculado se multiplica por el nmero de caras de
rozamiento.
Tabla 2. Valores tpicos de propiedades de contacto en
embragues
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154 Diseo de Mquinas
Figura 8. Embrague multidisco (varias caras de rozamiento)
