Objetivo: Analizar el procedimiento para el diseño de los frenos de tambor y de banda

Determinar el material adecuado para el diseño y aplicación en los frenos.

Concclusiones

En el diseño de los frenos de tambor se debe tomar muy en cuenta los diferentes tipos de palancas de accionamiento que existen en los frenos de tambor.

Para el diseño de los frenos de tambor y de banda se debe escoger muy bien el coeficiente de friccion del material a utilizar, debido a que este varía dependiendo del tratamiento térmico, dureza, resistencia, costo, etc.

En los frenos de tambor con zapata larga se debe tomar muy en cuenta que el punto máximo de esfuerzo va a estar distribuida en toda la zona de contacto.

PREGUTAS

¿Cuál es el rango del coeficiente de fricción de los materiales con base de asbesto?

Varios compuestos a base de asbesto con coeficientes de fricción del orden de 0.35 a 0.50.

¿Cuál es la diferencia del punto de fricción en un freno de tambor de zapata larga y un freno de tambor de zapata corta?

El freno de tambor de zapata corta tienen el punto de fricción resultante en la mitad del elemento, en cambio el otro se distribuye a lo largo de todo su elemento.

¿De qué material son regularmente los frenos de banda?

De acero o hierro colado gris, resistentes y dúctiles.

MATERIALES DE FRICCION Y COEFICIENTES DE FRICCION

Para los elementos de fricción en embragues y frenos se usan varios materiales distintos, y muchos de ellos son patentados por determinado fabricante. En el pasado eran comunes varios compuestos a base de asbesto, con coeficientes de fricción del orden de 0.35 a 0.50. Se ha demostrado que el asbesto es un riesgo para la salud, y ahora se reemplaza por compuestos moldeados de polímeros y hule. Cuando se requiere flexibilidad, como en los frenos de banda, el material base se teje en forma de una tela, y a veces se refuerza con alambre metálico, se satura con una resina y se cura. También se usan el corcho de madera. Los materiales a base de papel se usan en algunos embragues llenos de aceite. En ambientes rigurosos, se emplean hierro colado, hierro u otros metales sinterizados o materiales con grafitos. La tabla 2 muestra los intervalos aproximados de coeficientes de fricción, y la presión que puede resistir los materiales.

Ilustración 1 Tabla de coeficiente de friccion dinpamico de los materiales para frenos

Para aplicaciones automotrices, la Society of Automotive Engineers (S.A.E.) establece las normas. En la norma SAE J866 se define un conjunto de códigos para clasificar los materiales de fricción de acuerdo con el coeficiente de fricción, independientemente del material usado. La tabla 3 muestra esos códigos.

Ilustración 2 Tabla de coeficientes de fricción según S.A.E.

En la fabricación de discos y tambores para frenos y embragues, se usan diversos metales. El material debe tener resistencia, ductilidad y rigidez suficientes como para resistir las fuerzas aplicadas, y al mismo tiempo mantener dimensiones precisas. También, debe absorber calor de la superficie de fricción y disiparlo al ambiente.

Algunas de las opciones preferidas son el hierro colado gris, el hierro dúctil, el acero al carbón y las aleaciones de cobre. Muchos discos y tambores son colados, por razones de costo, para obtener la forma casi neta de las partes que requiera poco maquinado después de colar. El hierro colado tiene bajo costo y gran conductividad térmica, en comparación con el hierro dúctil. Sin embargo, el hierro dúctil puede resistir mejor las cargas de choque o impacto. Las aleaciones de cobre tienen conductividad térmica mucho mayor que otros materiales, pero resisten menos el desgaste.

FRENOS DE TAMBOR DE ZAPATA CORTA

Los objetivos del análisis son determinar la relación entre la carga aplicada y la fuerza de fricción, y poder evaluar el efecto de las decisiones de diseño, como el tamaño del tambor, las dimensiones de la palanca y la ubicación del pivote A. Los diagramas de cuerpo libre, en la figura 3 son una referencia para este análisis. Para la palanca, se pueden sumar momentos del pivote A.

La figura muestra un esquema de un freno de tambor donde la fuerza de accionamiento W actúa sobre la palanca, que a su vez gira sobre el perno A. Eso causa una fuerza normal entre la zapata y el tambor rotatorio. Se supone que la fuerza de fricción resultante actúa en dirección tangencial al tambor, si la zapata es corta. La fuerza de fricción por el radio del tambor da el par torsional de fricción, que desacelera al tambor.

Ilustración 3 DIAGRAMAS DE CUERPO LIBRE DE 3 TIPOS DE PALANCAS DE FRENOS DE ZAPATA CORTA

Para calcular deber primero realizar una sumatoria de momentos con respecto al punto A

A continuación el uso de la Tabla para encontrar la fuerza de accionamiento con relación a la distancia

Ilustración 4 tabla de fuerza de accionamiento en relación de la distancia de la zapata y la fricción

EJEMPLO

FRENOS DE TAMBOR DE ZAPATA LARGA

La hipótesis que se planteó respecto de los frenos de zapata corta fue que la fuerza de fricción resultante en el punto medio de la zapata, y no puede emplearse en el caso de zapatas que abarquen más de 45º del tambor. En esos casos, la presión entre la balata y el tambor es muy dispareja, al igual que el momento de la fuerza de fricción y la fuerza normal con respecto al pivote de la zapata.

Las siguientes ecuaciones gobiernan el funcionamiento del freno de zapata larga, mediante la terminología de la figura.

Ilustración 5 Freno de Zapata Larga

Par torsional de friccional sobre el tambor

Fuerza de accionamiento

POTENCIA DE FRICCIÓN

Pf=T f n

63000 HP

n = velocidad de giro, en rpm

ÁREA DE LA ZAPATA DEL FRENO (NOTA: SE USA EL ÁREA PROYECTADA)

TASA DE DESGASTE:

WR=P fA

EJEMPLO

FRENO DE BANDA

La figura 5 muestra la configuración típica de un freno de banda. La banda flexible, en general de acero, tiene en la cara un material de fricción que se puede adaptar a la curvatura del tambor. La aplicación de una fuerza a la palanca pone la banda en tensión, y fuerza ala material de fricción contra el tambor. La fuerza normal que se crea así produce la fuerza de fricción tangencial a la superficie del tambor y lo retarda.

La tensión en la banda disminuye desde el valor P1 en el lado del pivote de la banda, hasta p2 en el extremo de la palanca. El par torsional neto sobre el tambor es, entonces:

Donde:

r = radio del tambor

Se puede demostrar que la relación entre P1 y P2 es una función logarítmica:

Donde:

θ = ángulo total abarcado por la banda, en radianes.

El punto de máxima presión sobre el material de fricción está en el extremo más cercano a la máxima tensión, P1, donde:

Donde:

w = es el ancho de la banda

Para los dos tipos de frenos de banda que muestra la figura 5, se pueden emplear los diagramas de cuerpo libre de las palancas para demostrar las siguientes relaciones entre la fuerza de actuación, W, en función de las tensiones en la banda. Para el freno de banda sencillo de la figura 5a.

El estilo que muestra la figura b se llama freno de banda diferencial, y la fuerza de accionamiento en él es:

EJEMPLO: