ÉRASE UNA VEZ (CASO PRÁCTICO DE DISEÑO Y CÁLCULO DE UN EMBRAGUE MULTILÁMINAS) Parte II

Y llega la II y definitiva entrega del ejemplo concreto que supuso el diseño del embrague del cambio Dual Speed del tractor Kubota K1, a la postre fue el último diseño de un tractor en España.

Como ya se comentó en la I entrega, esta también es propiedad de mi amigo Julio de la Vega Magán (ingeniero proyectista diseñador de transmisión del Kubota K1)

En la I entrega se hizo una descripción de los embragues del K1 así como el funcionamiento del embrague húmedo del Dual Speed. En esta II parte se efectuará el diseño y cálculo del embrague. 

DISEÑO

El diseño de un embrague se hace de forma condicionada ya que depende del servicio al que se dedica. Un buen diseño debe garantizar un funcionamiento progresivo y sin tirones a la par que consigue transmitir todo el par recibido, tener una larga vida útil y no necesitar apenas mantenimiento.

El predimensionamiento de un embrague se hace considerando criterios como transmisión del par, energía capaz de disipar, ergonomía en el pedal (fuerza necesaria) y duración mínima para un uso dado.

Lo primero, los datos

Un diseño correcto exige 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 (Tabla 1).

Tabla 1: especificación del K1 170 DT

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.

Iniciando
En el predimensionamiento de un embrague se puede partir de “0” total o parcialmente, utilizando componentes comerciales que ya desarrolladas por empresas especialistas.

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.

En este sentido los condicionantes más importantes, son los estriados a utilizar, que tienen la responsabilidad de transmitir los pares entre las diferentes partes de la transmisión. Estos estriados son los interfaces entre los discos, platos, campana, y ejes de transmisión, por tanto afecta sobre todo a la fabricación por brochado que lleva asociado un alto coste por el valor de las brochas.

Embrague multidisco DT y BiSpeed

Los discos, son los elementos encargados de transitar el par. En la mayoría de las ocasiones los discos se eligen comerciales y así evitar fuertes inversiones. Lo habitual es que los discos sean de acero o bien parejas alternando acero y bronce pero en cualquier caso el material seleccionado estará acorde a las presiones superficiales que soportarán.

En el caso del embrague del Dual-Speed son discos de acero con estriado interior (brochado) Por ambos lados del disco de acero se le adhiere una capa de material N266 con alto poder de desgaste. El coeficiente de fricción estático µ de este material es 0,12-0,14 con resistencia a compresión de 25 kgf/cm² (datos SK Wellman)

Llegar a los detalles de diseño haría el artículo excesivamente extenso; pero, a modo de resumen, destacamos la importancia del juego disco-plato.

El juego disco-plato en el caso del K1 se definió de forma experimental. Para ello se hicieron pruebas de pista y campo, con tractor completo, de más de 3000 h.

El juego disco-plato es un parámetro crucial desde el punto de vista de la disipación del calor generado cuando existe fricción entre discos, e incluso con el propio aceite (téngase en cuenta las grandes velocidades relativas entre discos) Si este diseño no se cuida especialmente se originan deformaciones (alabeos) en los discos. Nuestras pruebas experimentales fueron variando el juego necesario hasta conseguir dar el visto bueno al conjunto del embrague DualSpeed.

También es crítico el diseño de los muelles de retroceso del embolo para que se mantengan los juegos establecidos y así evitar que las altas velocidades relativas de rotación llegue a quemar los discos. En algunos casos el embrague del K1 incorpora dos muelles, uno dentro de otro, para garantizar la rápida respuesta.

Par de entrada a transmitir: Generalmente se calcula al límite de tracción del tractor, teniendo en cuenta las diferentes etapas hasta la entrada del embrague (relación de diferencial, velocidades, gamas, epicicloidales etc.). Con este criterio se establece el par y régimen de vueltas a la entrada del embrague.

Superficie de contacto platos-discos: Se selecciona un disco de un fabricante del mercado, que condiciona la geometría del embrague.

Superficie de presión hidráulica (pistón): Se definirá acorde con las dimensiones del disco en la parte de fricción.

Presión de servicio sistema hidráulico: Estará en función a los requerimientos del disco, manteniendo la regulación por debajo de la máxima soportada por el disco.

Rango de presión admisible para los discos: Estará en función a los requerimientos del disco y del par de entrada, estableciendo unos márgenes de seguridad.

Rango de vueltas entrada-salida: En función del sistema cinemático de la transmisión donde esté ubicado el embrague.

CÁLCULOS TRANSMISIÓN DE PAR Y NÚMERO DE DISCOS

La Tabla 2, recoge los datos de partida (variables de entrada), en base a los cuales se calculan; el par transmitido por el embrague, y el nº de discos en función a los factores de seguridad establecidos.

Como ya hemos indicado, es crucial en el diseño de un embrague multiláminas, establecer el juego entre plato y disco (ítem 10-11) así como las cadenas de tolerancias que eviten calentamientos en el embrague que gira libre, debido a las velocidades relativas entre disco y plato puede laminar el aceite perdiendo su capacidad de transmisión de par por deformación de los discos.

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