Trabajo de Diseño de Ingeniería Mecánica

TRABAJO DE FRENOS Y EMBRAGUES
Trabajo de investigación
IX semestre
Presentado a:
Ing. FRANCISCO MARRUGO
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA

DISEÑO DE INGENIERÍA MECÁNICA
MONTERIA
2007
INTRODUCCIÓN
Los frenos y los embragues constituyen un parte fundamental del diseño de elementos
de maquinas, es común ver estos elementos en cualquier tipo de maquina como por
ejemplo turbinas, mecanismos móviles, máquinas herramienta, entre otros.
Los frenos y los embragues son ejemplos de elementos de maquinas que utilizan
fricción en una forma útil.
Los embragues se requieren cuando los ejes se deben conectar y desconectar con
frecuencia.
La función de un embrague es doble primero debe proporcionar un incremento gradual
en la velocidad angular del eje impulsado, de manera que su velocidad se pueda llevar
hasta la velocidad del eje impulsor sin impacto y segundo para actuar como un
acoplamiento sin deslizamiento o perdida de velocidad en el eje impulsor, cuando los
ejes giran a la misma velocidad angular.
Un freno es un dispositivo que se usa para llevar al reposo un sistema en movimiento,

para bajar su velocidad o para controlar su velocidad hasta un cierto valor de
condiciones cambiantes.
La función del freno consiste en convertir energía mecánica en calor.
Hay muchos tipos de frenos y embragues pero se estudiaran los más utilizados en el
diseño de maquinas comunes.
TIPOS DE FRENOS Y EMBRAGUES

1) TIPO DE TAMBOR CON ZAPATAS NTERNAS Y EXTERNAS
2) FRENO DE BANDA
3) EMBRAGUE CONICO
4) EMBRAGUE DE DISCO
5) EMBRAGUE DE CONTACTO POSITIVO
6) EMBRAGUES UNIDIRECCIONALES
7) EMBRAGUE DE RESORTE
8) EMBRAGUE DE UÑAS
PASOS PARA EL ANÁLISIS DE FRENOS Y EMBRAGUES
Para el análisis de todos los tipos de frenos y embragues se emplea el mismo

procedimiento general:
1) Estimar o determinar la distribución de presion sobre las superficies de fricción

2) Hallar la relación ente la presion máxima y la presion en un punto cualquiera
3) Aplicar condiciones de equilibrio estático para determinar la fuerza, el torque y
las relaciones en los apoyos
EMBRAGUE TIPO DE TAMBOR CON ZAPATAS NTERNAS

De acuerdo con los pasos del diseño primero se supone que la presion en cualquier
punto es proporcional a la distancia vertical desde el pasador de donde obtenemos las
siguientes ecuaciones para el diseño
Zapata larga: la distribución de las fuerzas normales no puede suponerse constante. se

hace la hipótesis de que la presion P en un punto definido por θ es proporcional a la altura
sobre el punto de la articulación.
Por tanto la presion P en un punto cualquiera definido por θ, se puede relacionar con el punto
de presión máxima Pa definido por θa.
Siendo b el ancho de la zapata, se determina la fuerza F mediante la condición ∑MA=0

se plantea el equilibrio sabiendo que:
Llamando Mf al momento de las fuerzas de fricción, y MN al momento de las
fuerzas normales
De donde se obtuvieron las ecuaciones especificas para la fuerza, el momento, y torque

EMBRAGUE TIPO DE TAMBOR CON ZAPATAS EXTERNAS
Tomando momentos en la articulación se pueden hallar las siguientes expresiones para

los momentos de las fuerzas de rozamiento y las fuerzas normales:
En donde el equilibrio de la zapata es decir, el momento proporciona la relación de estos

y la fuerza sobre la zapata
Las reacciones horizontal y vertical se obtienen haciendo ΣF=0,
Si la rotación del tambor fuese en sentido contrario, existiría autoenergización y la

fuerza F tendría la siguiente expresión:
De este modo obtenemos las ecuaciones necesarias para el diseño de frenos con zapatas
exteriores.
FRENO DE BANDA
Este tipo de frenos funciona mediante una cinta o banda flexible de fricción. Se utiliza
en excavadoras mecánicas, montacargas, etc. Su funcionamiento puede explicarse como
se muestra
Debido a la fricción (y con el sentido de giro señalado en la figura), la fuerza de trabajo

P2 es menor que la fuerza en el punto de retención, P1. Planteando el equilibrio de un
diferencial de cinta, ΣF=0:
De las ecuaciones obtenemos
Sustituyendo el valor de dN en la ecuación e integrando entre P1 y P2:
y por tanto la relación entre las fuerzas es:
y la expresión para el par de frenada, T:

La presión que actúa sobre la cinta, p, puede deducirse del puesto que sobre el
diferencial de longitud rdθ y ancho b actúa una fuerza dN:
y por tanto
De la ecuación anterior se deduce directamente que el punto en el que la presión es

máxima es:
EMBRAGUE CONICO
Los embragues se emplean para llevar dos ejes a la misma velocidad de rotación; el
efecto se produce por un par de rozamiento T.
El embrague cónico es uno de los tipos de embrague más antiguo, tan sólo se emplea en
aplicaciones sencillas, es simple y eficaz.
Un embrague se llama de acción axial si los elementos de fricción que entran en
contacto se mueven paralelamente al eje de rotación
El cono puede deslizarse axialmente, un resorte mantiene la conexión (o cierre) del
embrague. El embrague se desconecta (o abre) mediante un mecanismo que ajusta en la
ranura de cambios.
El ángulo del cono α, diámetro y ancho, son los parámetros de diseño (valores normales
para α entre 10º y 15º).
Para hallar una relación entre la fuerza de trabajo F y el momento de torsión transmitido
se parte del esquema de la figura 6.10. Dos hipótesis son posibles según se considere el
embrague nuevo o usado:
a) distribución de presiones uniforme (embrague nuevo).
b) desgaste uniforme (embrague usado).
EMBRAGUE DE DISCO
En muchas aplicaciones los embragues de disco han desplazado a los cónicos, debido a
que presentan una gran superficie de fricción en un espacio reducido, además la
superficie disipadora de calor es más efectiva.
Este tipo de frenos consiste en un disco metálico de cierto espesor, cuyo centro esta
unido solidariamente al elemento a frenar. Y en el cual una corona circular, por ambas
cara, actúan simultáneamente pastillas opuestas al material antifricción que
normalmente es amianto aglomerado como resina sintética e hilos de cobre o aluminio
Supondremos una distribución uniforme de la presión en el disco.
EMBRAGUE DE CONTACTO POSITIVO
Estos embragues se acoplan mediante interferencia mecánica, y este acoplamiento se

obtiene con quijadas de forma cuadrada o de dientes de sierra, o con dientes de formas
diversas.
Entre sus características se distinguen

 No tienen deslizamiento.
 Transmiten grandes torques.
 Son acoplados a velocidades relativamente bajas (60 rpm máximo para
embragues de quijada y 300 rpm máximo para embragues de dientes).
 Su conexión es ruidosa.
EMBRAGUES UNIDIRECCIONALES
Operan automáticamente con base en la velocidad relativa entre los dos elementos.
Actúan sobre la circunferencia y permiten la rotación relativa sólo en una dirección
Aplicaciones
 Son utilizados en grúas para impedir que la carga se caiga si, por ejemplo, se
interrumpe la potencia en el eje.
 Otra aplicación común de estos embragues es la masa trasera de una bicicleta.
 Transportadores inclinados.
 Ventiladores.
 Bombas.
EMBRAGUE DE RESORTE
Contiene un resorte enrollado con firmeza alrededor del eje. La rotación en una
dirección aprieta el resorte con más fuerza sobre el eje, para transmitir el par de torsión.
La rotación contraria afloja ligeramente el resorte, lo que provoca que se deslice.
EMBRAGUE DE UÑAS
Consta de una pista interior y una exterior, el espacio entre las pistas está lleno con uñas
de forma rara, que permiten el movimiento en una sola dirección pero en la otra se
traban y bloquean las pistas.
Para el diseño de frenos y embragues se debe tener en cuenta el tipo de material a usar
debido al coeficiente de fricción
Estos materiales podemos encontrarlos a continuación
Las propiedades de un material de fricción para freno o embrague deben ser las
siguientes:
 coeficiente de fricción alto y uniforme.
 propiedades poco dependientes de condiciones externas (p.ej. humedad).
 buena conductividad térmica y capacidad de resistir altas temperaturas.
 alta resistencia al desgaste, rayado y raspadura.
En las tablas mostradas a continuación encontramos las características de estos

materiales:
TABLA DE PROPIEDADES PARA EMBRAGUES.

TABLA DE PROPIEDADES PARA FRENOS.
ANEXO
CONCLUSION
Como se sabe para el diseño de frenos y embragues se debe tener en cuenta el tipo, la
geometría de estos y el material friccionarte, además de las especificaciones del
fabricante.
Se debe tener en cuenta las distribuciones de los cambios de presión sobre los materiales
friccionantes, la relación de presión máxima con la de cualquier punto y las condiciones
de equilibrio estático como momentos, torques y reacciones que se generan.
BIBLIOGRAFIA
 Warner Electric, “Magnetic Particle Clutches and Brakes”, Catalogo, South

Beloit, IL., 61080, [4].
 Joseph E. Shigley, “Diseño en ingeniería mecánica”, 6 edición, McGraw-Hill.
 www.warnerelectric.com
 www.magtrol.com

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Ing. FRANCISCO MARRUGO

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA

Un freno es un dispositivo que se usa para llevar al reposo un sistema en movimiento,

TIPOS DE FRENOS Y EMBRAGUES

PASOS PARA EL ANÁLISIS DE FRENOS Y EMBRAGUES

Para el análisis de todos los tipos de frenos y embragues se emplea el mismo

1) Estimar o determinar la distribución de presion sobre las superficies de fricción

EMBRAGUE TIPO DE TAMBOR CON ZAPATAS NTERNAS

Zapata larga: la distribución de las fuerzas normales no puede suponerse constante. se

Siendo b el ancho de la zapata, se determina la fuerza F mediante la condición ∑MA=0

De donde se obtuvieron las ecuaciones especificas para la fuerza, el momento, y torque

Tomando momentos en la articulación se pueden hallar las siguientes expresiones para

En donde el equilibrio de la zapata es decir, el momento proporciona la relación de estos

Si la rotación del tambor fuese en sentido contrario, existiría autoenergización y la

Debido a la fricción (y con el sentido de giro señalado en la figura), la fuerza de trabajo

De las ecuaciones obtenemos

Sustituyendo el valor de dN en la ecuación e integrando entre P1 y P2:

y por tanto la relación entre las fuerzas es:

y la expresión para el par de frenada, T:

De la ecuación anterior se deduce directamente que el punto en el que la presión es

EMBRAGUE DE CONTACTO POSITIVO

Estos embragues se acoplan mediante interferencia mecánica, y este acoplamiento se

Entre sus características se distinguen

En las tablas mostradas a continuación encontramos las características de estos

TABLA DE PROPIEDADES PARA EMBRAGUES.

 Warner Electric, “Magnetic Particle Clutches and Brakes”, Catalogo, South

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