CUESTIÓN DE DETALLE: LOS EMBRAGUES EN EL TRACTOR Y SU DIMENSIONAMIENTO

EMBRAGUES
Varias entradas se han dedicado al embrague en este mismo blog:

El embrague del tractor agrícola, el detalle importa (Parte I)

El embrague del tractor agrícola, el detalle importa (Parte II)

La entrada actual es menos descriptiva para ser más práctica a la hora de conocer como se realiza el dimensionamiento de un embrague. Sin embargo no he querido caer en la colocación de fórmulas de cálculo para hacer menos farragoso el post.

Como es sabido el embrague es un mecanismo que interviene en la línea de transmisión de potencia desde un eje motor hasta otro eje conducido, consiguiendo la unión temporal entre ejes. Un buen embrague debe ser capaz de:

• Debe garantizar un funcionamiento progresivo y sin tirones
• Transmitir todo el par recibido
• Tener una larga vida útil
• No necesitar apenas mantenimiento.

¿Uno o varios?: En cuanto a la transmisión se refiere, existe un embrague principal que se sitúa recibiendo el par que llega desde el motor y lo transmite hacia el eje primario de la caja de cambios. Pero un tractor convencional es normal que incorpore además otros embragues para la conexión de la toma de fuerza, o bien para la doble tracción o incluso para cajas con toma consta de potencia, bajo carga o powershift.

Tipos: Hay multitud de tipos de embragues que dan asimismo múltiples clasificaciones: bien por su método de accionamiento (mecánico, hidráulico, eléctrico…); o por su número de discos, monodisco, bidisco o multidisco; o por su medio de trabajo, secos o húmedos; o incluso por su forma de transmisión del par (fricción, fuerza hidráulica o electromagnética)…

Embrague multiláminas húmedo TDF 

EMBRAGUE DE FRICCIÓN

En esta entrada se analizarán, exclusivamente, los embragues de fricción, ya sean en seco o en húmedo.
Estos embragues utilizan la fricción entre dos superficies para transmitir el par entre ambos ejes. Debido a su versatilidad, es el tipo embrague de fricción es el más utilizado.
La gran ventaja competitiva de este tipo de embrague es que consiguen que el acople se produzca de forma progresiva debido a que entre ambos ejes, entrada y salida, se produce durante un tiempo una fricción que finaliza cuando se igualan las velocidades de giro de ambos ejes.
En su ventaja reside también su propia desventaja ya que la fricción origina calor que a la postre significa pérdida de energía y desgaste.
También cuentan con un "contra" a considerar y es que el par de transmisión es “limitado”.

Otros embragues: El mundo no se acaba con la "fricción”.
Un embrague muy popular es el denominado de arrastre. Se trata de embragues en los cuales el movimiento de giro entre los dos componentes se transmite por elementos “encastrados”. La ventaja es que no existe fricción (por ejemplo el manguito desplazable del bloqueo del diferencial) y otra inmensa ventaja es que son capaces de transmitir tanto par como aguanten los ejes.

Un embrague que combina las ventajas de los de fricción con los de arrastre son los propios sincronizadores de una caja de cambios: el de fricción lleva a los dos ejes a la misma velocidad de forma progresiva y luego el de arrastre los engarza solidarios.

Otro tipo habitual en el tractor es el denominado centrífugo y que es el que se suele usar para conectar el compresor de los equipos de aire acondicionado.

CÁLCULOS

Embrague TDF tractor Kubota K1

El diseño de un embrague se hace de forma condicionada. Los cálculos dependen del servicio al que se dedica.

En el embrague principal, el de la línea de transmisión, el diseño se condiciona a la caja de cambios a la que da servicio.

En una caja convencional, con engranajes sincronizados, se montarán embragues de fricción. En una caja powershift, cambio bajo carga, lo habitual es montar embragues de fricción multiláminas pero emparejados (velocidades “pares” e “impares”)

Predimensionamiento: El embrague, con unas características del motor y de la caja que debe unir e incluso del tractor en el que irá montado, se debe predimensionar y para ello, lo primero, es disponer de todos los datos necesarios del tractor y que son referentes tanto al motor, como a la transmisión y como las propias del vehículo. Los criterios fundamentales a considerar son el par a transmitir, energía capaz de disipar, ergonomía en el pedal (fuerza necesaria) y duración mínima para un uso dado.

• Del motor se necesitan conocer datos como la potencia máxima, el par máximo y las revoluciones a las que se producen
• De la transmisión es necesario conocer las relaciones de las diferentes cajas (velocidades, grupos, reductoras…) así como las del grupo cónico y las reducciones finales
• En cuanto al vehículo interesa sobre manera conocer los juegos de neumáticos y, fundamental, el peso máximo autorizado. Quiero llamar la atención de la importancia del peso máximo autorizado (MMA) ya que todos los datos se deben calcular con este dato. Es por lo que insisto tanto a los fabricantes que deben proporcionar la MMA para que el cliente sepa como los ingenieros han calculado no solo los embragues si no también los frenos.

Realizados estos cálculos se debe acudir a un catálogo de un proveedor puntero de embragues. Lo habitual es la colaboración entre cliente-proveedor para la elección definitiva del embrague pues incluso con todo el trabajo realizado aún queda mucho trabajo por hacer. Resta, por ejemplo, analizar y confeccionar los componentes que mejor se adaptan al tractor que se está diseñando y que configuran el conocido como “conjunto embrague”: diafragma, tirantes, arandelas para la histéresis, muelles de amortiguación...

NO ES LO MISMO
Así que el lector entiende que no es lo mismo calcular un embrague para la transmisión, que para la conexión de la doble tracción, o para la toma de fuerza, o incluso para un cambio bajo carga tipo Hi-Lo.
En el caso del embrague principal, el de la transmisión, lo más habitual es iniciar los cálculos simplificados desde las dimensiones de los forros del disco ya que un embrague de fricción se calcula por el par máximo a transmitir. Huelga aclarar que el par que deberá desarrollar el embrague será mayor que el que se desea transmitir; si no se hiciese así el embrague patinaría (no se llegan a igualar las velocidades del eje conductor y conducido) y no transmitirá el par exigido.

Premisa ergonómica: Para el cálculo del par máximo a transmitir se necesita conocer la fuerza de unión de los discos que depende de la “fuerza máxima en el pedal”. La fuerza máxima óptima que se fija en el pedal de un tractor ronda los 100-150 N (F_ped)

La presión necesaria en la superficie de contacto se consigue en base a la fuerza que une a los discos (carga del plato sobre el disco F_diaf o fuerza aplicada en el diafragma). Esta relación es la que origina la relación de desmultiplicación que se debe obtener para cumplir el criterio de ergonomía

Multidiscos para DT y BiSpeed tractor K1

Un ejemplo, si la fuerza que debe ejercer el diafragma es de 3000 N y se elige 150 N como fuerza máxima en el pedal, la relación de desmultiplicación a conseguir es de 3000/150 = 20

Existe una relación de palanca entre el diafragma y el plato que está cercano a 4; es decir que si la F_diaf = 3000 N la fuerza normal (F_n) en el plato es 4*3000 = 12000 N

También hay que considerar y prever el comportamiento del embrague según vayan pasando las horas de funcionamiento (lo habitual es diseñar el embrague con la hipótesis de desgaste uniforme ya que así se sobredimensiona más el embrague)

Además falta un factor de seguridad debido a que durante el funcionamiento siempre se producirán puntas de choque que en realidad son desconocidas. Este factor de seguridad K lo determina la experiencia; valores habituales están entre 2 y 4.

Par de rozamiento (T_roz): Obtenida la fuerza normal se puede calcular el par de rozamiento. El par que el embrague tiene que transmitir es el producto de la fuerza tangencial por la distancia que a su vez es función de la fuerza normal (presión que ejerce el plato y superficie del forro que es la superficie de contacto y que está definida por los diámetros exterior e interior del forro, R_e y R_i)

Todos los cálculos se hace mediante elementos diferenciales que posteriormente se suman (lo que se conoce como “integrar”) Los cálculos se realizan casi con generalidad con programas de simulación por elementos finitos que no es otra cosa que software especializado para hacer de forma muy rápida cálculos engorrosos.

Para evitar caer en la tentación de poner fórmulas matemáticas, diré solamente que los cálculos nos conducen a relacionar la Fuerza normal que une los discos F_n con el par de rozamiento, con el coeficiente de fricción µ  y con la superficie de contacto.

Disipación del calor: El siguiente punto importante y determinante en el diseño del embrague es conocer como se disipará el calor generado en la fricción durante el periodo que hay deslizamiento (tiempo de embragado t_emb)
La fricción generada origina una gran cantidad de calor en la superficie de contacto. A medida que se van igualando las velocidades de giro, se aumenta el par de rozamiento, y se disminuye el deslizamiento. Pero el calor generado debe ser absorbido o transmitido al aire o al aceite cuidando que no llegue a sobrepasar la capacidad calorífica del embrague.

La energía producida depende mucho de la forma de conducción, también de la labor que se está realizando, por ejemplos los trabajos de pala son los que más estrés originan en los embragues. Por ello un buen diseño será aquel que tenga en cuenta este trabajo.
El tiempo de embragado se calcula planteando unos equilibrios de momentos torsores tanto en el eje de entrada como el de salida. En definitiva aparece un trabajo de rozamiento que se transforma en calor y que es de nuevo una integral que depende del par de rozamiento, de las velocidades angulares y del tiempo de embragado.
Con el dato del calor generado y su disipación (kcal/cm²) el ingeniero puede predecir y recomendar la frecuencia máxima de maniobras por unidad de tiempo que puede hacer ese embrague.

Multidiscos seco de Ferrari F1

Los fabricantes de embragues recomiendan que se elija un embrague con un par de rozamiento mayor, por supuesto, al par máximo a transmitir, pero no mucho mayor, ¿por qué? Pues porque a mayor par de rozamiento menor es el tiempo de embragado, dicho de otra forma, cuanto más par de rozamiento desarrolla un embrague más rápido embraga. Pero el calor generado lo desarrolla en menos tiempo y quizá esto signifique que sea crítica su evacuación y mayores las posibilidades de dañar un embrague.

Duración: Para terminar con el prediseño hay que calcular la duración presumible. Este será el dato que defina el espesor del forro.
Para el cálculo se necesita conocer tanto el coeficiente de abrasión del forro como su superficie. Ahora toca aplicar la propia experiencia para definir el número de accionamientos del embrague en un tractor de las características del que se está diseñado. En función de la vida útil que se quiera fijar se obtiene un espesor u otro.

De discos: el material de fricción debe ser capaz de resistir altas temperaturas manteniendo sus propiedades; ser capaz de disipar calor con suficiente facilidad; tener alta resistencia al desgaste y un buen comportamiento ante los cambios atmosféricos como humedad y temperatura.

Un disco orgánico se compone de un tejido de fibras de cobre o latón y poliamida. Los carbocerámicos son simbiosis de carbono y cerámica (son muy utilizados en multidisco, característicos por tener una conexión abrupta pero capaces de transmitir mucho par) El Kevlar es la “fibra de moda”. El disco sinterizado (fabricado por compresión con polvo de metales) son muy buenos y “caros”.

Otros cálculos: Hay muchos otros cálculos que también se deben realizar. Están por ejemplo los asociados al diseño de arandelas y muelles de amortiguación.
Otros cálculos son los concernientes a las vibraciones. En tractores "modernos" que han ido subiendo el par motor pero bajando el tamaño de los motores y de sus volantes de inercia, está siendo habitual que el ingeniero deba recurrir a los embragues multiláminas por no tener superficie suficiente en el volante motor para transmitir el par exigido. Pero los embragues multiláminas son propensos a la vibración y eso es necesario considerarlo en este diseño particular.

Multidiscos Hi-Lo tractor K1

MULTIDISCOS ¿SECO O HÚMEDO?

Como se veía en el apartado anterior, puede darse el caso que el embrague monodisco no sea capaz de transmitir todo el par motor, así que se debe recurrir a los de discos múltiples.
El montaje habitual es que los discos metálicos “hembras” se coloquen en el mandril en el eje primario; intercalados van los discos “machos” unidos al volante. Un pistón mueve los discos las parejas (platos) para juntarlos. Al dejar de mandar aceite unos muelles liberan el mecanismo.

La gran ventaja de los paquetes multidiscos es el tamaño puesto que se puede "apilar". El par de rozamiento de un multidisco es la suma de todos los pares de discos y el proceso de cálculo preliminar para su elección es similar al ya visto.

Los paquetes de discos pueden ir en “seco” o “húmedo” y es por lo que cabe una pregunta ¿por qué seco o húmedo?. El coeficiente de fricción μ se reduce mucho cuando los materiales en contacto están bañados en aceite, así que debe existir alguna poderosa razón para elegir los “húmedos” en contrapartida al “seco”. La razón se debe buscar en la disipación del calor, mucho mejor en los paquetes húmedos.
En cuanto al inconveniente de los húmedos de la reducción del coeficiente de fricción se debe compensar aumentando la presión.

Comparando: un embrague con grafito de carbono sobre acero tiene un coeficiente de fricción μ = 0,05, pero puede trabajar a más de 500 ºC y con presión máxima hasta 2100 kPa (21 kg/cm2) Mientras que en un material de fricción convencional sobre acero μ = 0,2 pero su temperatura máxima no sobrepasa 300 ºC y la presión no superar los 700 kPa (7 kg/cm2)

Multidiscos cerametálicos

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En próxima entrada: ensayo práctico del cálculo de un embrague multiláminas húmedo