Índice:
Parte 1
1. Justificación y objetivos del trabajo
2. El sistema de embrague de fricción
2.1. Necesidad de su existencia
2.2. Componentes
2.3. Accionamiento del embrague
2.3.1. Accionamiento mecánico
2.3.2. Accionamiento hidráulico
Parte 2
2.4. Otros tipos de sistemas de embrague
2.4.1. Embrague centrífugo
2.4.2. Embrague electromagnético
2.4.3. Embrague automático servocomandado
2.4.4. Embrague pilotado electrónicamente
2.4.5. Embrague hidráulico
2.4.6. Embragues gemelos
Parte 3
2.5. El embrague de fricción en la competición
Parte 4
3. Requerimientos de los materiales de fricción para discos de embrague
4. Materiales de fricción
4.1. Evolución histórica
4.2. Materiales actuales
4.2.1. Orgánicos
4.2.2. Kevlar
4.2.3. Kevlar segmentado
4.2.4. Híbridos carbono/cerámico/orgánico
4.2.5. Carbocerámicos
4.2.6. Metal sinterizado
Parte 5
4.3. Proceso de desarrollo
4.4. Elección del material adecuado
Parte 6
5. Tendencias futuras en competición
5.1. Materiales futuros
5.2. Sistemas de embrague alternativos
6. Fallos típicos del sistema de embrague de fricción
6.1. Fallos en el material de fricción de los discos de embrague
6.2. Fallos en otros componentes
7. Bibliografía
Sistema de embrague de fricción, parte 1
1. Justificación y objetivos del artículo.
El presente artículo pretende servir de guía y recopilación bibliográfica para una profundización en el conocimiento de los distintos materiales de fricción utilizados a lo largo de la historia en el sistema de embrague mono o multidisco en seco en vehículos automóviles.
Tras una introducción al funcionamiento del sistema de embrague citado y sus componentes, se indican los requisitos a cumplir por los materiales de fricción a emplear, la evolución histórica y los diversos métodos de fabricación en la automoción convencional.
A continuación, se citan los materiales específicos utilizados en la competición. Para terminar, se indican los fallos típicos, de construcción y de conducción que provocan el desgaste de los materiales de fricción o el comportamiento anormal del sistema.
Se trata, por tanto, de un estudio que, centrándose en conceptos de tecnología de materiales, presenta a su vez contenidos relacionados con fabricación, evolución histórica, particularización en la competición automovilística y relación de fallos de funcionamiento.
2. El sistema de embrague de fricción.
En este punto se realiza una descripción del sistema de embrague de fricción convencional, la necesidad de su existencia, los elementos que lo componen y su funcionamiento. Además se describen someramente otros sistemas de similar finalidad.
2.1. Necesidad de su existencia.
El embrague es el mecanismo encargado de transmitir el par motor proporcionado por el grupo propulsor a la caja de cambios y ésta, a su vez, a las ruedas a voluntad de conductor (manual) o automáticamente (automático). A grosso modo, su misión es desconectar el motor de las ruedas en el momento de arrancar o realizar un cambio de marcha.
Figura 1. Embrague de fricción.
El mecanismo de embrague es absolutamente necesario en los vehículos automóviles dotados de motor térmico ya que, para iniciar la marcha del vehículo hay que transmitir el par motor a bajo régimen de una forma progresiva por resbalamiento mecánico o viscoso, hasta conseguir un acoplamiento rígido entre el motor y las ruedas del vehículo a través del cambio de velocidades.
Además, en los vehículos con cambio de velocidades mecánico es necesario disponer del mecanismo de embrague para desconectar el movimiento del motor del movimiento de las ruedas siempre que se desee cambiar de velocidad o detener el vehículo sin detener el motor.
El embrague debe cumplir una serie de características, debe poseer suficiente fuerza para que no patine con el motor funcionando a pleno rendimiento y a la vez proporcionar una marcha suave. Debe ser resistente, rápido y seguro. Resistente debido a que por él pasa todo el par motor. Rápido y seguro para poder aprovechar al máximo dicho par en todo el abanico de revoluciones del motor.
El embrague va situado entre el motor y la caja de cambios, y más concretamente entre el árbol motor o cigüeñal y el eje primario de la caja de cambios.
Figura 2. Principio de funcionamiento del embrague de fricción.
En el caso del embrague de fricción, el tratado aquí, su principio de funcionamiento es muy simple: une o separa dos árboles, como puede verse arriba. Esta separación debe efectuarse tanto si los dos árboles se hallan en movimiento o están parados. Se trata de dos discos que se pueden acercar o alejar entre sí, de modo que cuando entran en contacto, tras un breve instante inicial de deslizamiento, quedan unidos firmemente, girando solidarios.
Normalmente, la disposición de trabajo del embrague es en la posición de transmisión de movimiento, en tal circunstancia se dice que el vehículo está embragado, el par motor pasa al primario de la caja de cambios. En caso contrario, cuando se interrumpe la transmisión de dicho par, un automóvil está desembragado cuando no transmite ningún tipo de movimiento.
Figura 3. Embrague de muelle de diafragma.
2.2 Componentes.
El embrague de fricción está constituido por una parte motriz, que transmite el giro a una parte conducida, utilizando para tal efecto la adherencia existente entre los dos elementos, y a los que se les aplica una determinada presión, que los une fuertemente uno contra el otro.
El embrague de fricción está compuesto por dos partes claramente diferenciadas, el disco de embrague y el plato de presión, siendo la actuación más extendida del mecanismo, sistema con el que se presiona un elemento contra el otro y con el que, por tanto, se controla la transmisión de par, por muelles o por diafragma. Los dos tipos están formados por un plato de presión, una carcasa y, dependiendo del tipo, unos muelles y patillas de accionamiento, o un diafragma.
Se describen a continuación los distintos componentes del sistema:
Disco de embrague.
Este dispositivo está formado por un disco de acero en el que, por medio de unos remaches, van sujetos los forros de material de fricción, de tal manera que la cabeza de los remaches van embutidas para que no rocen contra la superficie del asiento del volante de motor.
El disco de embrague es el elemento encargado de transmitir a la caja de cambios todo el par motor sin que se produzcan resbalamientos en condiciones estacionarias. Por este motivo, el disco de embrague está forrado de un material de fricción que se adhiere a las superficies metálicas (superficies con las que entra en contacto dicho disco).
Este material, muy resistente al desgaste y al calor, es el centro de atención del presente trabajo, y las diferentes opciones disponibles a lo largo de la historia de la automoción serán desarrolladas en los puntos posteriores.
Figura 4. Disco de embrague.
El dimensionado del disco de embrague se realiza dependiendo del par motor a transmitir y del peso del vehículo. Se trata de un disco en cuyo centro se dispone un cubo estriado (por el que se pone en contacto con el eje primario de la caja de velocidades) que se une, mediante unos muelles repartidos en toda su circunferencia, a un plato forrado por sus dos caras con el material de fricción.
Dichos muelles, visibles en la figura 4., sirven para que la transmisión de par torsor desde el material adherente al cubo estriado (y por tanto al eje primario) se realice de una manera elástica, absorbiéndose vibraciones y posibilitando el retorno a su posición inicial.
El plato, a su vez, por su parte externa está provisto de unos cortes, quedando toda la periferia de éste dividida en diferentes lengüetas, dobladas en uno y otro sentido, facilitando la progresividad cuando se realiza el apriete del disco de embrague contra el volante debido a la flexibilidad que adoptan dichas lengüetas.
Plato de presión.
El plato o disco de presión sirve de acoplamiento del conjunto al volante de inercia y va montado entre el disco de fricción y la carcasa. Entre el plato de presión y la carcasa van montados los elementos de presión, que pueden ser muelles helicoidales o un diafragma.
También denominado “maza de embrague”, se compone de un disco de acero en forma de corona circular. Por una cara se une a la carcasa del mecanismo de embrague, a través de los muelles o diafragma, y por la otra cara se une a una de las caras del disco de embrague.
Carcasa.
Es el elemento que sirve de cubierta al mecanismo de embrague, por el que se fija éste al volante de inercia por medio de tornillos. En ella se alojan los distintos muelles o diafragma que permitirán la presión del disco de embrague contra el plato de presión y el volante motor.
Figura 5. Carcasa. Muelle de diafragma visible.
Cojinete de embrague.
Denominado también cojinete axial o collarín de embrague, es el elemento por el que se acciona el mecanismo. Se trata de un cojinete de bolas que se desliza sobre el tramo del eje primario situado en la campana de la caja de velocidades.
Dicho desplazamiento axial se controla por una de sus caras a la que va acoplado un elemento denominado horquilla, y por el otro extremo permanece en contacto con las patillas de accionamiento, en el caso de que se trate de un mecanismo de embrague por muelles, o sobre los dedos elásticos, si se trata de un mecanismo dotado de embrague por diafragma, realizando el empuje axial sobre éstos.
La siguiente figura muestra todos los componentes ya comentados.
Figura 6. Componentes del embrague de fricción con accionamiento por diafragma.
Las particularidades del sistema en función de su accionamiento por muelles o por diafragma se indican a continuación:
Embrague de muelles.
Es un tipo de accionamiento muy utilizado a lo largo de la historia, pero que actualmente se encuentra en desuso frente al embrague de diafragma. Los muelles están dispuestos circularmente para que resulte una presión más uniforme sobre la maza de embrague. Empujan al plato de presión por uno de sus dos extremos, apoyando el otro en la carcasa.
Debido a la presión que ejercen éstos sobre el plato de presión, cuando no actuamos sobre el mecanismo de embrague, el disco de embrague está presionado entre el plato y el volante motor. Por el contrario, cuando actuamos sobre el mecanismo de embrague oprimimos dichos muelles, dejando de ejercer presión sobre el disco de embrague con la consecuente interrupción de la transmisión del par motor a la caja de velocidades.
Para ejercer la acción sobre los muelles, el sistema está provisto de unas patillas de accionamiento. Éstas están accionadas, en uno de sus extremos, por el mencionado cojinete de embrague, y por el otro extremo actúan sobre el plato de presión, desplazándolo y actuando éste a su vez sobre dichos muelles. Estas patillas se basan en el principio de la palanca para realizar tal función, teniendo como punto de apoyo la propia carcasa.
Embrague de diafragma.
El diafragma está constituido por un disco de acero, de forma cónica, en el cual se encuentran practicados unos cortes raciales en forma de ranuras, y cuya elasticidad causa la presión necesaria para mantener el plato de presión contra el disco de embrague.
Al practicarse dichos cortes, el disco queda dividido interiormente en varios dedos elásticos que ejercen la función de las patillas de accionamiento en los embragues con muelles.
Cuando se monta en el vehículo, en posición de reposo, el diafragma se fuerza colocándose en su posición plana por lo que, al tratar de recuperar su forma cónica, oprime al disco de embrague por medio del plato de presión. La acción sobre el diafragma se ejerce en el centro de éste mediante un cojinete de embrague. Cuando se realiza la acción de desembragado, se actúa de tal modo que se invierte la conicidad del diafragma, dejando de ejercer presión sobre el plato de presión con la consiguiente liberación del disco de embrague.
Figura 7. Maza de embrague de muelles y de diafragma.
Este último sistema de accionamiento requiere de menos fuerza sobre el pedal de embrague, cuando la acción es mecánica directa. Además, presenta la importante ventaja que supone una fuerza sobre el disco de embrague mucho más uniforme que aquella aplicada por los muelles.
Con el desgaste progresivo del material de fricción del disco, en el sistema de diafragma aumenta la presión sobre éste debido a su conicidad, mientras que con los muelles esta presión va disminuyendo debido al estiramiento de los mismos, corriéndose el riesgo de que se convierta en insuficiente.
Por último, cabe indicar que el sistema de diafragma es más fácil de equilibrar y más sencillo de construir.
2.3 Accionamiento del embrague.
Por accionamiento del embrague o “timonería” se entiende todos los elementos que se encargan de llevar la acción que el conductor realiza sobre el pedal hasta el embrague en sí.
En este punto se pretende describir las diferentes posibilidades con las que el conductor puede pilotar el sistema de embrague de fricción.
2.3.1. Accionamiento mecánico.
Se basa en el accionamiento del sistema de embrague mediante un cable de acero unido por uno de sus extremos al pedal de embrague, y por el otro a una horquilla de embrague, unida ésta a su vez con el cojinete de embrague. Al pisar el pedal, el cable tira de la horquilla, aplicándole un esfuerzo capaz de desplazar al cojinete de embrague, deformando a su vez el diafragma del mecanismo con el consiguiente desembragado del sistema.
Al soltar el pedal, la fuerza de dicho diafragma hace desplazar al cojinete en sentido contrario, y éste a su vez al cable, con el consiguiente retorno del pedal a su estado de reposo. En el sistema de accionamiento del embrague por cable, encontramos básicamente dos variedades. Por una parte tenemos el sistema en el que el cojinete de embrague, en posición de reposo, está en constante contacto con el diafragma, o con las patillas de accionamiento, según proceda.
Por otra, se encuentra el sistema en el que el cojinete de embrague y el diafragma, en posición de reposo, tienen una separación denominada guarda. Esta separación se obtiene gracias a un muelle situado en la horquilla del embrague. La separación es ajustable por el extremo del cable.
En la actualidad, en los sistemas en los que el cojinete está siempre en contacto con el diafragma, para absorber de manera automática el juego entre el cojinete de embrague y el diafragma existen dispositivos como cables autorregulables, o pedales dotados de unas serretas que, a medida que se va gastando el disco, regulan la posición del cable.
2.3.2. Accionamiento hidráulico.
En este sistema se utiliza, para desplazar el cojinete y en consecuencia todo el mecanismo, un cilindro emisor (o bomba) y un cilindro receptor (o bombín), comunicados entre sí a través de una tubería. El sistema funciona por medio del movimiento de unos émbolos situados dentro de los cilindros, movimiento que se efectúa a través de un líquido (que resulta ser el mismo que el utilizado en los sistemas de frenado). Cuando presionamos el pedal de embrague, éste actúa directamente sobre el cilindro emisor, desplazando su émbolo. Éste, a su vez, ejerce una presión sobre el líquido que desplaza al émbolo del cilindro receptor, el cual se comunica con el cojinete de embrague por medio de una horquilla, conectada al émbolo mediante un vástago. Al desplazarse el émbolo por la fuerza del líquido, se desplaza el vástago y acciona la horquilla.
Otra variedad se encuentra en los modelos en que el cilindro receptor y el cojinete de embrague son una misma pieza, con lo que el desplazamiento axial del cojinete de embrague es aplicado del cilindro receptor directamente a dicho cojinete.
Los diámetros de los dos cilindros, emisor y receptor, son diferentes, por lo que la fuerza ejercida por el conductor sobre el pedal de embrague, aplicada directamente sobre el cilindro emisor, se multiplica, permitiéndose así un esfuerzo menor para el desembragado.
Figura 8. Embrague de fricción con accionamiento hidráulico.
Otros tipos de sistemas de embrague Parte 2
Además del embrague de fricción utilizado en automoción descrito en la parte anterior, existen otros tipos de sistemas que, a modo de recopilación, se describen brevemente en este punto.
2.4.1. Embrague centrífugo.
Este sistema de embrague está previsto de unos contrapesos que, al alcanzar el motor un determinado régimen de giro, son empujados hacia la periferia por la fuerza centrífuga, haciendo que las palancas que van unidas a ellos basculen y hagan presión sobre la maza de embrague.
Cuando el motor gira a ralentí, los contrapesos ocupan su posición de reposo gracias a la acción de unos pequeños muelles y, con ello, el plato de presión deja en libertad al disco de embrague, consiguiendo el desembragado del motor.
Dado que la velocidad de giro del motor sube en las aceleraciones de forma progresiva, la acción de embragado resulta igualmente progresiva.
Basados en este mismo sistema se montan embragues semiautomáticos. Estos embragues están formados por un sistema de embrague convencional, disco y mecanismo, montados sobre la cara frontal de un tambor que recibe en su interior el plato provisto de zapatas en su periferia. El plato está unido al volante de inercia del motor y, por tanto, gira con él. Las zapatas son capaces de desplazarse hacia fuera por la acción de la fuerza centrífuga, haciendo solidario el tambor con el giro del plato. Con esta disposición se consigue que siempre que el motor alcance un determinado régimen de giro se produzca el embragado del motor.
Figura 9. Embrague centrífugo.
2.4.2. Embrague electromagnético.
El embrague de fricción basa su funcionamiento en los efectos de adherencia entre dos piezas de distinto coeficiente de rozamiento. A causa de este frotamiento, estos sistemas de embragues pueden resultar ruidosos y padecen un desgaste. Estos inconvenientes se solucionan gracias al uso de embragues electromagnéticos e hidráulicos, aunque generan otros inconvenientes propios.
El sistema de embrague electromagnético está constituido por una corona de acero que se monta sobre el volante de inercia del motor. En el interior de esta corona va alojada una bobina que, al pasar corriente eléctrica a su través, produce un campo magnético en la zona del entrehierro formado entre la corona y el disco de acero.
El disco va montado en el primario de la caja de cambios por medio de un estriado, sustituyendo al disco de embrague convencional. El espacio existente en el interior de la corona se cierra con chapas de acero, y se rellena con polvo magnético que se aglomera en el entrehierro por la acción del campo magnético creado por la bobina, haciendo solidarios a la corona con el disco.
De esta forma, cuando pasa corriente por el arrollamiento de la bobina, se produce la aglomeración del polvo magnético consiguiendo el embragado del motor. Por el contrario, si no pasa corriente por la bobina, el polvo magnético no se aglomera en el entrehierro, lo que permite girar en vacío a la corona sin arrastrar al disco, permaneciendo así el motor desembragado.
En el instante en que comienza a pasar corriente por la bobina se inicia la aglomeración del polvo magnético, que tarda un cierto tiempo en completarse, además del retardo en la aparición del flujo magnético que se produce en todas las bobinas. Este efecto consigue que el embrague tenga un funcionamiento progresivo.
2.4.3. Embrague automático servocomandado.
Muchos modelos de vehículos montan actualmente un embrague de tipo automático pilotado, donde las acciones de embragado y desembragado se efectúan automáticamente, sin que el conductor tenga que utilizar el pedal, con lo que éste queda suprimido.
Este tipo de embrague automático está formado por un embrague centrífugo que se une al volante de inercia del motor, al que se le acopla, mediante un mecanismo de rueda libre, un sistema de embrague convencional. La rueda libre no permite girar al disco del embrague centrífugo a mayor velocidad que el motor, pues en cuanto esto ocurre, la rueda libre se bloquea, haciendo a los dos embragues solidarios.
El embrague centrífugo actúa en función de las revoluciones del motor, que realiza las acciones de embragado y desembragado a partir de un cierto valor de giro. El embrague convencional es gobernado por un mecanismo servoneumático activado por una electroválvula, que es mandada por la palanca del cambio de velocidad y por el pedal del acelerador.
La marcha del vehículo, partiendo de la situación de parado, comienza alrededor de las 1000 revoluciones por minuto del motor, mientras que a partir de las 1500 vueltas ya puede ser transmitido todo el par motor, concluyendo por ello todo deslizamiento y permaneciendo conectado el embrague centrífugo durante todo el tiempo de marcha.
Con el vehículo en marcha, al accionar la palanca del cambio de velocidad se activa una electroválvula capaz de poner en comunicación el servo con la depresión creada por el motor. Con ello se consigue el accionamiento de la palanca de desembrague produciéndose el desembragado del motor. En cuanto se lleva la palanca del cambio a la posición de una nueva velocidad se desactiva la electroválvula interrumpiendo la comunicación entre el servo y la depresión producida por el motor, con lo cual se logra el embragado.
Esta maniobra se realiza de forma progresiva en función de la posición del pedal del acelerador, que influye en la depresión transmitida al servo, lo que permite una conexión suave y gradual en el paso a marchas inferiores y una conexión rápida sin excesivos deslizamientos en las maniobras de cambio de marchas en las aceleraciones.
2.4.4. Embrague pilotado electrónicamente.
La principal diferencia con respecto al embrague automático servocomandado radica en que el embrague pilotado electrónicamente es gobernado por un sistema electrónico de gestión que controla un circuito hidráulico de mando de la palanca de desembrague. Dicho módulo de gestión electrónica recibe información sobre la posición de la palanca de cambios y del pedal del acelerador, así como la velocidad del vehículo y el régimen del motor.
Con el vehículo parado y el contacto desconectado el embrague siempre se encuentra en posición de embragado, independientemente si está en punto muerto o no. Si se encuentra una velocidad metida no es posible arrancar el vehículo. Para sacar la velocidad el sistema está provisto de un captador de esfuerzo situado sobre la palanca del cambio que envía una señal al calculador electrónico que acciona el embrague. Permitiendo así sacar la velocidad y poder ser arrancado el motor.
Al poner en marcha el vehículo y accionar la palanca del cambio de velocidades, un captador de esfuerzo manda una señal al módulo electrónico, que activa el embrague permitiendo la selección de esta marcha. El arranque del vehículo se produce de manera progresiva con la posición del acelerador.
Con el vehículo circulando a gran velocidad el desembrague se produce cuando el módulo recibe señales del captador de esfuerzo de la palanca del cambio y el captador de la posición del acelerador indica que se ha levantado el pie del acelerador. Al colocar la palanca del cambio en la velocidad deseada el captador de la posición de la palanca del cambio envía una señal al módulo que autoriza el embragado al acelerar.
La gestión electrónica del embrague mejora considerablemente las prestaciones y manejo del cambio que un embrague convencional, además de que la conducción del vehículo es mucho más agradable y el disco de embrague se desgasta bastante menos.
2.4.5. Embrague hidráulico.
Los embragues convencionales de fricción tienen el inconveniente principal de que su funcionamiento es un poco ruidoso y se producen desgastes. Estos pequeños defectos, por otra parte no importantes en la mayoría de modalidades de competición automovilística por su relativamente corta duración, se evitan con el uso de embragues hidráulicos.
A grandes rasgos, el funcionamiento de un embrague hidráulico es parecido a dos ventiladores, uno enchufado y otro no: la corriente de aire creada incide en las aspas del ventilador desenchufado y lo hace girar. Así se logra transmitir el movimiento sin que haya rozamiento, y con ello se evitan los desgastes.
Consta de dos partes giratorias: la bomba, movida por el motor, y la turbina, que transmite el par a la caja de cambios. Ambos elementos tienen forma de medio toro con álabes en su interior y se deben colocar enfrentados entre sí, dentro de una caja llena de aceite, pero con una cierta separación de modo que nunca lleguen a tocarse.
En el funcionamiento de este tipo de embragues se puede distinguir tres fases distintas, que dependen principalmente del régimen del motor. Cuando el motor (y por tanto la bomba) gira a pocas revoluciones el aceite por efecto de la fuerza centrífuga, sale de la bomba y penetra en la turbina golpeando sus álabes. Sin embargo, la turbina permanece fija, ya que la velocidad del aceite es tan pequeña que no tiene la fuerza suficiente para hacerla girar.
Cuando el conductor pisa el acelerador para iniciar la marcha suben las revoluciones de la bomba a la par que las del motor, de modo que el aceite se mueve ahora con mucha más energía, consiguiendo hacer girar la turbina y por tanto desplazar el coche. Sin embargo, en esta situación existe un gran deslizamiento, esto es, la bomba girará mucho más deprisa que la turbina.
A partir de las 3000 revoluciones aproximadamente, se alcanza un deslizamiento mínimo que está en torno al 3%. Es importante que exista un cierto deslizamiento, aunque pequeño, puesto que de lo contrario no se transmitiría ningún esfuerzo.
Figura 10. Embrague hidráulico.
2.4.6. Embragues gemelos.
Un embrague gemelo o dual (Dual Clutch Transmission, DCT) es un tipo de transmisión semi-automática con embragues separados para marchas pares e impares. El embrague exterior controla las marchas impares y la marcha atrás, mientras que el embrague interior controla las marchas pares. Los cambios pueden realizarse sin interrupción en la transmisión de potencia del motor, al poder aplicar el par generado a un embrague mientras el otro es desconectado.
Dado que los sincronizadores que seleccionan las marchas impares pueden desplazarse mientras el vehículo funciona con una marcha par, y viceversa, los sistemas DCT pueden permitir un cambio de marcha más rápido que el de cualquier embrague convencional, incluido el utilizado en la Fórmula 1. A su vez, el cambio puede realizarse de forma más suave y progresiva, haciendo el sistema óptimo para conducción normal.
Este tipo de embrague fue inventado por Adolphe Kégresse poco antes del inicio de la Segunda Guerra Mundial, pero nunca desarrolló un modelo que funcionara. El primer sistema DCT apareció en los 80, cuando los sistemas electrónicos de control fueron lo suficientemente compactos: el PDK (Porsche Doppelkupplung) utilizado en el Porsche 956 y el 962, ambos competidores en Le Mans, y el Sport Quattro S1.
Figura 11. Embragues gemelos ( sistema “dual clutch”).
El embrague de fricción en la competición, parte 3
2.5 El embrague de fricción en la competición.
Con independencia de los materiales de fricción empleados, los sistemas de embrague específicos para competición automovilística muestran diferencias importantes con respecto a los empleados en automoción, podríamos llamar, civil.
Es importante resaltar que, en competición, priman características como la rapidez de actuación, peso reducido y capacidad de transmisión de pares elevados frente a otras como confort, ausencia de ruido o durabilidad. Es por ello que, aún hoy en día, los embragues utilizados en este campo son los de fricción, frente a hidráulicos, electromagnéticos o centrífugos.
La inmediatez en el proceso de desembragado y embragado necesaria actualmente ha permitido que los sistemas de embrague más utilizados sean los de pilotado electrónico. Es decir, el piloto no necesita accionar el pedal de embrague salvo, en algunos casos, únicamente para la aceleración desde parado. La gestión electrónica controla, a través de la posición de la palanca de mandos, de las revoluciones del motor y la posición del pedal de aceleración, la activación del circuito hidráulico de mando.
Por otra parte, la capacidad de aceleración longitudinal depende en gran medida de la masa e inercias de todo el sistema de transmisión, como puede inferirse del siguiente desarrollo:
Por la segunda ley de Newton, F = m.a, el vehículo sufrirá una aceleración longitudinal que es función de la fuerza de tracción disponible, es decir, la total aportada por el motor menos la fuerza de rodadura, la resistencia aerodinámica y el efecto de pendientes adversas, en su caso. A su vez, ambos valores se relacionan mediante la masa equivalente del vehículo, masa en vacío multiplicada por un coeficiente, llamado factor de masa, que crece con el incremento de las inercias del sistema de tracción: motor, caja de cambios y embrague, árboles de transmisión, diferencial y ruedas.
En vehículos de calle, esta masa equivalente puede alcanzar, en primera marcha, valores hasta tres veces superiores a la propia masa del vehículo. La capacidad de aceleración, por tanto, queda muy mermada.
Es obvio, de ese modo, que la disminución del factor de masa es vital con vistas a obtener las mejores prestaciones en aceleración longitudinal del vehículo. Ello implicará la disminución de las inercias de las masas del sistema de tracción.
Figura 12. Volante motor de competición.
Por tanto, donde primen las altas prestaciones, y en competición particularmente, se busca que los componentes del sistema de embrague sean ligeros y del menor radio posible. Ello da lugar a dos acercamientos paralelos.
El primero es la fabricación de los componentes con materiales ultraligeros sin que, por ello, se produzca una pérdida de capacidades resistentes. Más bien al contrario, los pares transmitidos en vehículos de carreras son muy elevados y el sistema de transmisión debe ser capaz de soportarlos. Así, encontramos volantes de inercia fabricados en titanio o acero nitrurado y aligerados, es decir con orificios practicados en zonas de mínimas tensiones con fines de reducir la masa, y carcasas fabricadas en titanio, carbono o kevlar.
Figura 13. Carcasa y disco de embrague de competición.
Además, es usual la división del disco de embrague en segmentos (disco segmentado), como se explica en puntos posteriores del trabajo, con el consiguiente aligeramiento y mejora en la evacuación del calor. La pérdida de área de rozamiento efectiva se solventa con materiales de fricción mejorados y mayores presiones ejercidas. Además, en competición los componentes son cambiados con mucha mayor frecuencia y las expectativas de vida útil de los componentes son mucho menores.
El segundo acercamiento, utilizado en campeonatos como los motociclísticos y la Fórmula 1, es la inclusión de varios discos de fricción. El sistema, así, es llamado multidisco, en contraposición a los dispositivos monodisco.
La siguiente imagen muestra un ejemplo.
Figura 14. Sistema de embrague multidisco en seco.
La inclusión de varios discos de embrague permite aumentar el área de fricción efectiva sin, por ello, aumentar el radio de los discos y, con ello, el tamaño de la carcasa, el volante motor y el plato de presión. Además, la progresión del par transmitido entre disco y disco hasta que todo el conjunto se vuelve solidario permite mayor progresividad en la entrega de dicho par.
A modo de ejemplo, se describe a continuación el sistema de embrague utilizado en la Fórmula 1. Sobra indicar la dificultad en obtener información o imágenes de una disciplina deportiva donde la ingeniería cobra tanta importancia y la información se guarda con tanta cautela.
Figura 15. Componentes del sistema de tracción en un F1.
El sistema, fabricado para la mayoría de equipos de Fórmula 1 por las empresas ZF Sachs y AP Racing, tiene un peso total que no supera los 860 gramos. El diafragma aplica una presión de hasta 1.6 toneladas a los tres discos de fricción de carbono. La carcasa, fabricada en titanio y de 100 milímetros de diámetro, soporta temperaturas que alcanzan los 700 grados centígrados durante los 0.5 segundos en que, como máximo, el sistema electrónico permite deslizamiento entre los discos.
Figura 16. Embrague del equipo Ferrari de F1.
El embrague, por tanto, es uno de los componentes del vehículo que soporta mayores tensiones, además de las enormes vibraciones generadas por el motor, muy ligero y con potencias muy elevadas (el menor peso de los motores de F1 hace que éstos generen vibraciones muy elevadas) y temperaturas, como se ha mencionado, de hasta 700 grados.
Figura 17. Motor de Fórmula 1 del equipo Ferrari con el embrague visible.
Los embragues en Fórmula 1 ponen al límite la resistencia de los materiales más avanzados existentes en la actualidad.
Sistema de embrague de fricción, parte 4
3. Requerimientos de los materiales de fricción para discos de embrague.
El proceso de transmisión de par en los embragues de fricción está controlado en gran medida por las cualidades del material de fricción en el disco de embrague y que roza con el volante motor y el disco de presión. Las principales características del comportamiento tribológico de los materiales en contacto deben ser:
- Ambos materiales en contacto deben tener un alto coeficiente de fricción. Un elevado valor de este parámetro permite minimizar la presión necesaria para conseguir la transmisión de par.
- Los materiales en contacto deben resistir los efectos de desgaste, punzonamiento, ablación y formación de microsoldaduras.
- El valor del coeficiente de fricción debe ser constante sobre un rango de temperaturas y presiones adecuado.
- Los materiales deben ser resistentes a las condiciones atmosféricas y ambientales (humedad, presión, contaminación, partículas de polvo…).
- Los materiales deben poseer buenas propiedades térmicas: alta conductividad térmica, baja inercia térmica y adecuada resistencia a las altas temperaturas.
- Capacidad para soportar elevadas presiones de contacto.
- Buena resistencia a esfuerzos cortantes transmitidos por la fricción de los elementos.
- Materiales de fabricación y uso seguros, y aceptables para el medio ambiente (algo que cada vez cobra más importancia).
- Debe tener una vida útil de hasta cientos de miles de kilómetros.
Por tanto, se infiere que el embrague es un sistema que debe ser capaz de transmitir pares que en ocasiones pueden ser muy grandes, y hacerlo de modo adecuado bajo condiciones muy adversas, cumpliendo además severos requisitos.
4. Materiales de fricción.
El presente punto se centra en describir la evolución histórica de los materiales de fricción utilizados en los embragues de automoción, así como los materiales actuales disponibles. Por último, centrándose más en la competición, se indican los materiales adecuados en función del tipo de vehículo y disciplina.
Figura 18. Materiales de fricción.
4.1. Evolución histórica.
El cuero constituyó, durante muchos años y desde el inicio de la automoción, el material de rozamiento más empleado, pero tenía el problema de un calentamiento rápido y su gran sensibilidad al aceite y a la humedad, por lo que nunca garantizaba un funcionamiento constante.
Figura 19. Primeros embragues de cuero.
Hacia 1920, la fabricación y difusión de los forros de embrague de aglomerado de amianto permitió obtener elevados coeficientes de rozamiento (de más de 0.3) y alcanzar elevadas temperaturas sin perjuicio para los propios forros, lo que permitió el éxito definitivo de un tipo de embrague que había sido introducido ya a principios de siglo por De Dion Bouton.
El éxito del embrague monodisco en seco se debió, en gran parte, a la empresa británica Ferodo, que anteriormente había construido forros de rozamiento a base de conglomerado de amianto y cobre para el frenado. Dicho material demostró su capacidad de resistencia a elevadas temperaturas y presiones, necesarias para un embrague monodisco. No obstante, pronto surgieron dudas acerca de la idoneidad de este material. Ya en 1907, Murray había denunciado el primer caso de asbestosis, fibrosis pulmonar o neumoconiosis producida por el amianto, y en 1931 se reconocieron a nivel médico las cualidades carcinógenas de las fibras microscópicas respirables que se producen cuando éste entra en fricción.
Figura 20. Fibras microscópicas de amianto. Muy nocivas al ser inhaladas.
Los primeros discos de embrague eran sencillos, consistiendo básicamente en una sección de cono que mantenía su posición gracias a un muelle, adecuadamente tarado, y sobre los que se atornillaba el forro de cuero y, posteriormente, de aglomerado de amianto, como se observa en la figura 19.
No obstante, este embrague monodisco en seco no resultó satisfactorio hasta pasados los años 30 debido a la aparición de una serie de inconvenientes. El principal problema, además de una reducida vida útil de la unión del forro al disco, residía en que el contacto en el disco no era completamente plano, puesto que era suficiente un pequeño juego en el árbol acanalado o en el sistema de palancas para tener un contacto parcial, teniendo en cuenta, además, que si se utilizaban varios muelles, la carga de los mismos no era lo suficientemente uniforme, el embrague vibraba y la unión se producía a golpes.
Pata evitar este inconveniente se rediseñó el disco para hacer éste plano (similar a los actuales), y se desarrolló el disco de “acero armónico”, con la circunferencia exterior ondulada, de manera que constituía una especie de muelle entre dos forros rozantes. Cuando el disco era apretado entre el volante y el plato de presión, ambos forros eran aplastados progresivamente, con lo que se compensaban los efectos de falta de paralelismo.
Sin embargo los problemas de desalineamiento seguían sin solucionarse por completo, y hacia los años 60 se produjo un claro avance con el empleo de muelles de diafragma en lugar de los cotidianos muelles helicoidales. El funcionamiento, como se ha explicado con detenimiento en puntos anteriores, es similar al de los muelles helicoidales.
Los materiales de fricción utilizados a partir de los 60 y hasta la actualidad son los llamados de tipo “orgánico”, y que se describirán en el siguiente punto.
4.2. Materiales actuales.
En la actualidad se dispone de un amplio rango de materiales de fricción disponibles en función de las necesidades específicas del vehículo por potencia y uso.
En cuanto a las partes estructurales del embrague, incluido el volante motor y el plato de presión sobre el que fricciona el material del disco de embrague, se utiliza fundición de hierro, aluminio (volante) o acero convencionalmente, y aleaciones especiales de acero, titanio o carbono (carcasa) en la alta competición.
Se detallan a continuación los materiales disponibles y sus características principales. En cada uno de ellos se incluye información técnica de una variante concreta, a modo de ejemplo, dentro del catálogo de productos de la empresa Protec. Friction Supply.
Posteriormente, se realizará un análisis del material de fricción más adecuado para usos concretos dentro y fuera de la competición.
4.2.1. Orgánicos.
Fibras de metal entre tejido compactado de aramida (poliamida aromática, con estructura química perfectamente regular cuyos anillos aromáticos dan como resultado las moléculas del polímero con las propiedades de una cadena razonablemente rígida, estable mecánicamente y muy tenaz) o fibra de vidrio y aglutinado mediante resinas poliméricas. De accionamiento suave y progresivo, larga vida útil, amplio rango de temperaturas de trabajo y período de desgaste inicial casi nulo.
Todo material de fricción, como puede observarse en la figura 21., presenta en su ciclo de vida un período inicial de funcionamiento diferente con respecto a su funcionamiento normal, en el que el desgaste generado, así como las temperaturas alcanzadas, son mayores y, por lo tanto, la presión aplicada debe disminuirse.
Que dicho período inicial sea mínimo es determinante de la calidad e idoneidad del producto.
Figura 21. Ciclo de vida del material de fricción.
Los forros con este material soportan usos intensos, si bien son intolerantes al uso abusivo repetido (sobrecalentamiento). Retornan a condiciones óptimas de funcionamiento tras sufrir sobrecalentamiento. El material es de color marrón oscuro o negro, con las fibras de metal visibles. El metal empleado es cobre o latón.
Figura 22. Coeficiente de fricción de material orgánico.
Figura 23. Material orgánico. Las fibras metálicas son visibles.
Tabla 1. Propiedades de material orgánico Thermofiber 2020 (Protec).
4.2.2. Kevlar.
El kevlar (poliparafenileno tereftalamida) es una amida sinterizada por la empresa DuPont. Las fibras de este compuesto presentan altas prestaciones mecánicas por la orientación perfecta de las moléculas del polímero, destacando principalmente su resistencia a tracción y a cizalladura.
Figura 24. Polímero kevlar.
Material de elevada duración, más resistente al uso intenso. Sus cualidades con uso moderado son similares a las de materiales orgánicos, si bien presenta ligera facilidad a esmaltarse en tráfico con paradas continuas, resultando en un deslizamiento hasta un nuevo uso intenso. Rango de temperaturas superior en general, aunque puede destruirse por sobrecalentamiento (no presenta capacidad de retorno a las características originales). Presenta un período de funcionamiento irregular inicial, período de “rodaje”, de en torno a 1000 km, pudiendo producirse deslizamientos. Durante este período se ha de profesar un cuidado especial para evitar sobrecalentamientos producidos por un deslizamiento excesivo. El material es de color homogéneo amarillo/verde.
Figura 25. Coeficiente de fricción kevlar.
Figura 26. Forro de embrague de kevlar.
Tabla 2. Propiedades del Kevlar, Thermofiber 1600 (Protec).
4.2.3. Kevlar segmentado.
Es el mismo material anteriormente descrito, pero segmentado (bloques o secciones del forro vacías) para mejor disipación del calor. Presenta menor tendencia a esmaltado y es una excelente elección para sistemas de funcionamiento progresivo en vehículos de alta potencia o equipados con transmisiones de tipo secuencial.
4.2.4. Híbridos carbono/cerámico/orgánico.
Material orgánico (descrito en el punto 4.2.1.) en una cara y material de carbono o cerámico segmentado en la otra del disco de embrague. La idea es que la cara con material orgánico permita suavizar el proceso inicial de actuación, reduciendo las vibraciones torsionales generadas sobre la cara segmentada, si bien no se consigue una reducción total de las vibraciones. La temperatura y rango de potencias es idéntica al de materiales orgánicos (por el principio de la cadena: cualquier cadena es tan resistente como su eslabón más débil). La cara de material de carbono/cerámico contacta con el volante motor o el plato de presión más rápido y se desacoplará antes en situaciones de tráfico, siendo en el primer caso el material carbono/cerámico el que actuará en situaciones de gran demanda, y permitiéndose en el segundo caso un desacople más progresivo.
No obstante, a efectos prácticos, el diseño “híbrido” parece más un truco de marketing que una mejora real de comportamiento o rendimiento. Algunos discos presentan diseños pobres y funcionan inadecuadamente debido a flexiones producidas por los esfuerzos asimétricos generados.
4.2.5. Carbocerámicos.
Usualmente encontrados en sistemas multidisco, donde se producen elevados deslizamientos, son capaces de soportar temperaturas muy elevadas. Soportan potencias por encima de los 500 caballos. La conexión es más abrupta y, además, erosionan el material del volante motor y disco de presión más rápidamente.
El carbono, formando fibras obtenidas por termólisis de fibras de poliacrilato, presenta una durabilidad ligeramente mayor, menor peso y menor capacidad de erosión, mientras que el material cerámico soporta temperaturas mayores y presenta mayor rigidez. Ambos pueden encontrarse por separado formando las pastillas de embrague, de carbono o cerámicos, aunque la tendencia actual es a combinarlos formando el tipo de material aquí expuesto.
El diseño multi-disco puede resultar en un comportamiento ligeramente vibratorio en el embragado.
El rango de colores, abarca matices claros como el gris, rosa o marrón.
Figura 27. Coeficiente de fricción material carbocerámico.
Figura 28. Forros de material carbocerámico.
Tabla 3. Propiedades de material carbocerámico Thermofiber 1800 (Protec).
4.2.6. Metal sinterizado.
Capaces de soportar temperaturas extremadamente altas, y potencias por encima de los 700 caballos. El funcionamiento es digital, on/off.
Requiere material especial en la superficie del volante motor.
El color es marrón o negro, en función del metal utilizado. Los dos más usuales son el latón, y principalmente el hierro.
Los segmentos del forro se fabrican mediante sinterización, es decir, compresión en prensa, de polvo del metal en el interior de un molde con la forma adecuada, y el posterior tratamiento en horno de la pieza generada. Es usual añadir al polvo de metal polvo de zinc, latón (en el caso de segmentos de acero) o polvos cerámicos (materiales cerametálicos) para mejorar la conductividad térmica y la resistencia a abrasión.
Los embragues de metal sinterizado y, particularmente, los carbocerámicos, se diseñaron para aplicaciones donde la calidad del desembragado y la comodidad son aspectos secundarios frente a la capacidad de transmisión de par. Su funcionamiento extremadamente abrupto puede dañar, además, otros componentes de la transmisión, incluyendo rodamientos y juntas.
Figura 29. Coeficiente de fricción metal sinterizado. Latón con polvos cerámicos.
Figura 30. Segmento de latón sinterizado con polvos cerámicos.
Tabla 4. Características del latón sinterizado, Thermotech 150 (Protec).
Las gráficas mostradas en las figuras 22., 25., 27. y 29., que muestran el comportamiento del coeficiente de fricción en seco (la caracterización en húmedo, que se puede encontrar también para la mayoría de los materiales arriba expuestos, refiere al uso de aceites en las caras de fricción con fines de limpieza de impurezas y refrigeración, pero no son objeto del presente trabajo), permiten comprobar las particularidades de cada uno de ellos.
En general, todos presentan comportamientos muy lineales para su rango de temperatura útil, salvo, en todo caso, el kevlar y los metales sinterizados, que muestran menor valor de fricción para el rango inferior de temperaturas de trabajo.
El material con un comportamiento más constante es el de tipo orgánico, si bien su valor de coeficiente de fricción es el más moderado y las temperaturas máximas que puede llegar a alcanzar son muy limitadas, del orden de los 250 ºC.
Los materiales capaces de soportar mayores temperaturas son los metales sinterizados y los carbocerámicos, seguidos muy de cerca por el kevlar. Este último es el que presenta, por otra parte, mayores coeficientes de fricción.
Se determina cómo, con respecto a los materiales de fricción empleados tan solo hace 30 años, los actuales presentan coeficientes de fricción que pueden ser del doble, temperaturas máximas 300 ºC superiores y durabilidades que multiplican por 3 las de antaño.
Por último, y con fines a servir como consulta en caso necesario, la siguiente tabla muestra los valores de coeficiente de fricción (húmedo y seco), temperatura máxima y presión máxima en la fricción combinada entre materiales típicos de los discos de embrague y volante motor-disco de presión.
Tabla 5. Coeficientes de fricción, temperatura y presión máxima. Materiales combinados.
Sistema de embrague de fricción, parte 5 (Desarrollo y elección de materiales)
Esta gráfica es un pequeño avance de lo que os espera…un artículo realmente interesante!! La parte 5 de 6. Id leyendo los que tengais atrasados que pronto se acabará este fantástico especial. Delarosa.
4.3. Proceso de desarrollo.
El proceso de creación de un embrague adecuado, tanto por tamaño, particularidades en su accionamiento, materiales de las partes estructurales y material de fricción sigue una serie de pasos para asegurar el correcto funcionamiento de un sistema que, como se ha comentado anteriormente, trabaja bajo condiciones severas y grandes cargas térmicas y estructurales.
Se detallan a continuación los pasos que se siguen en este proceso de desarrollo del embrague.
Paso 1. Diseño del producto.
La carcasa, los discos y el volante motor se modelan mediante programas de diseño CAD. Partes, uniones y funcionamiento conjunto son estudiados. Los componentes diseñados son ensayados mediante programas de elementos finitos para perfeccionar el diseño.
Paso 2. Creación de prototipos y ensayos.
Los componentes diseñados se fabrican mediante prototipado rápido, y sobre las piezas fabricadas se realiza una serie de rigurosos ensayos en bancos de pruebas simulando las condiciones reales de operación. Los resultados obtenidos de estos ensayos permiten continuar con el proceso de mejora del diseño realizado.
Paso 3. Comprobación de los prototipos.
Nuevos prototipos fabricados tras las mejoras implementadas en el proceso de ensayos son probados en vehículos para comprobar el funcionamiento óptimo de cada pieza en condiciones reales. Se comprueba el desgaste del material de fricción, vibraciones, ruido, progresividad en la entrega del par…
Paso 4. Diseño y producción de las herramientas de fabricación.
Las herramientas con las que se fabricarán en serie los componentes del embrague son diseñados a la par que el propio embrague. La calidad de estas herramientas es imperativa para un resultado adecuado de las piezas fabricadas.
Paso 5. Estampado.
Prensas con cargas que pueden superar las 2000 toneladas cortan y moldean las piezas metálicas. Las piezas estampadas incluyen, por lo general, la carcasa, el volante motor, el disco de presión, el disco de embrague y las bridas.
Paso 6. Mecanizado.
Máquinas herramienta por control numérico (CNC) mecanizan componentes como el disco de embrague o el de presión para un encaje óptimo en el ensamblaje final. Las tolerancias de trabajo en este punto son mínimas con fines a obtener uniones exactas y sin holguras.
Paso 7. Tratamiento térmico.
Partes como los muelles de diafragma son introducidos en grandes hornos en atmósfera rica en carbono para incrementar la dureza superficial y templar el material para mayor durabilidad de las piezas. Las superficies críticas en piezas que sufren fuertes tensiones, como bridas y soportes de la carcasa, se someten a un proceso de endurecimiento por inducción, en el que el calentamiento por corrientes inducidas y posterior enfriamiento de la superficie de la pieza provocan un proceso de templado metalúrgico que dota a las primeras micras de material de una dureza extraordinaria.
Paso 8. Ensamblaje.
En este punto el embrague cobra forma a partir de todas las piezas fabricadas por separado. Todos los componentes, que han pasado controles de calidad individuales, son ensamblados. El embrague final se inspecciona visualmente y se le realiza un equilibrado dinámico antes de las comprobaciones finales.
Es en este punto donde los forros de material de fricción son pegados a las caras del disco de embrague mediante pegamentos químicos extremadamente resistentes.
Los forros ya han sido fabricados mediante un proceso específico en función del material del que se trate:
Compactado y aglutinado mediante resinas poliméricas en el caso de materiales orgánicos o kevlar.
Sinterizado con aglutinantes en el caso de materiales carbocerámicos.
Sinterizado en el caso de materiales carbometálicos o metálicos.
Paso 9. Comprobaciones finales.
Los embragues que abandonan la línea de producción son comprobados individualmente, debiendo demostrar funcionamiento adecuado ante pruebas de presión, embragado y desembragado, coeficiente de fricción y temperaturas generadas, y asegurar que no se producen desgastes excesivos. Los discos se ensayan además ante cargas flectoras, capacidad de transmisión de par, presión homogénea por parte del muelle de diafragma, en su caso, y paralelismo de las superficies de fricción.
4.4. Elección del material adecuado.
La selección del material de fricción adecuado para una aplicación concreta es condición crítica de un buen funcionamiento del sistema. Algunas de las características a controlar son:
- Tacto del embrague.
- Rango de temperaturas de trabajo.
- Características de desgaste/durabilidad.
- Fuerza de actuación.
- Período inicial de funcionamiento anormal.
Muy a menudo, el impulso inicial es el de adquirir “demasiado embrague”. En ocasiones es un error muy importante, dado que debe haber un compromiso entre algunas de las características vistas arriba.
El primer paso en la identificación de qué material de embrague adquirir depende de las características del vehículo. Las principales son:
- La potencia del automóvil.
- El modo de uso: conducción urbana o competición y, en caso de la última, de qué tipo.
Se describe a continuación el uso más adecuado de cada uno de los materiales vistos en el punto 4.2. Materiales actuales. Reseñar que los valores de potencia indicados son aproximativos.
Orgánicos.
Su relativa tolerancia a sobrecalentamientos, su entrega progresiva de par y un tiempo inicial de funcionamiento anormal casi nulo los hacen idóneos para vehículos urbanos de potencias elevadas, hasta 400 caballos, y competición en circuito con vehículos de similar potencia máxima en los que se busca alta durabilidad.
Figura 31. Embrague de material orgánico. Fibras de latón.
Kevlar.
Coches de conducción urbana de hasta 500 caballos y vehículos de circuito con elevadas potencias y usos muy intensos. Resistencia elevada a un uso intensivo, si bien es un material que carece de tolerancia a abusos (no recupera sus características tras sobrecalentarse). Las cualidades del kevlar lo hacen poco apto para conducción urbana en general, especialmente en aquellos casos de frecuentes paradas por tráfico intenso, donde puede aparecer esmaltado en la superficie de fricción del material y pérdida de las características friccionales.
Material muy adecuado para embragues multidisco.
Figura 32. Embrague de kevlar.
Kevlar segmentado.
La elevada capacidad de evacuación de calor hace este tipo de material ideal para vehículos deportivos de hasta 650 caballos y vehículos de competición en circuito de elevadas potencias y prolongada duración de la carrera.
Ideal cuando se busca un funcionamiento suave y progresivo en vehículos de gran potencia o aquellos equipados con cambios secuenciales.
No son aptos para embragues multidisco, pues el choque de los segmentos produce vibraciones intolerables.
Figura 33. Embrague de kevlar segmentado.
Híbridos carbono/cerámico/orgánico.
Pueden utilizarse en las mismas circunstancias que los materiales orgánicos estándar. El sistema híbrido no ofrece mejoras con respecto a éstos y parece ser más una maniobra de marketing que una mejora real de prestaciones.
Se debe emplear un especial cuidado en comprobar que el diseño es adecuado, pues las cargas asimétricas pueden ocasionar flexiones destructivas en el disco de embrague.
Carbocerámicos.
Material idóneo para embragues en vehículos de competición de aceleración o drag-racing y vehículos de circuito de hasta 500 caballos con altas demandas de potencia y altos pares.
Soporta un uso muy intenso, adecuado para aplicaciones donde las presiones son extremas.
Figura 34. Embrague carbocerámico.
Metal sinterizado.
Principalmente en el caso de embragues de hierro sinterizado, su uso está estrictamente limitado a la competición de resistencia de vehículos de muy elevada potencia. Con un plato de presión adecuadamente dimensionado, el sistema es capaz de soportar fuerzas de presión extraordinarias. El funcionamiento es como el de un interruptor: activado/desactivado.
No funcionan bien en ambientes a baja temperatura.
Se requiere un volante motor con una muy elevada resistencia superficial. Los volantes estándar se destruyen rápidamente por la fricción con estos discos de embrague.
Figura 35. Embrague segmentado de hierro sinterizado.
Volviendo a la cuestión inicial, cómo elegir, la respuesta depende de la conclusión a las dos cuestiones formuladas arriba: potencia y uso del vehículo.
En función de la respuesta, la decisión a tomar puede verse facilitada por la siguiente imagen.
Figura 36. Elección del material de fricción adecuado.
Para hacer hincapié en los puntos esenciales, es importante no adquirir un embrague con capacidades muy por encima de las requeridas.
Un simple disco orgánico convencional puede soportar gran variedad de usos, incluyendo conducción urbana, conducción deportiva severa e incluso competición en circuito, de hecho, el reglamento de muchas competiciones en circuito obliga a montar en los vehículos embragues orgánicos estándar.
Los discos de kevlar son una buena elección para deportivos radicales y competiciones en circuito de vehículos con elevada potencia y par. Especialmente idóneos para vehículos sobrealimentados.
El material carbocerámico debería utilizarse únicamente en vehículos de muy altas prestaciones sometidos a continuas aceleraciones o en vehículos dedicados únicamente a competiciones de aceleración.
Los discos de embrague con forro de metal sinterizado tienen su uso estrictamente en pruebas de muy larga duración y potencias extremas.
Sistemas de embrague de fricción, parte 6. El final.
Hoy acaba un especial. Valga la redundancia, pues se trata de un especial muy especial. No sólo se acaba un artículo fantástico, sino que además se acaba el que es, y será probablemente mucho tiempo, el artículo más largo de 8000vueltas. De hecho me atrevo a decir que se trata del artículo más largo y completo de cualquier blog de características parecidas a las de 8000vueltas. Me enorgullece decir que, aunque no es obra de los redactores habituales, ha sido escrito por un gran amigo nuestro: Vicente Pechuan. Un entendido en embragues, ingeniería y coches de competición.
Sólo quería despedir este artículo como se merece, y animaros a que dejéis vuestras impresiones del mismo ya que ha sido dividido en demasiados posts como para comentarlos uno a uno.
Delarosa
5. Tendencias futuras en competición.
Es la competición automovilística la que ha introducido a lo largo de la historia la mayoría de las grandes innovaciones que posteriormente se han ido adoptando en los automóviles de calle. Por tanto, es relativamente sencillo conocer los materiales “del mañana” en la automoción urbana, pero no lo es tanto cuando se trata de la propia competición.
En esta sección se pretende trazar unas breves pinceladas acerca de lo que podría encontrarse, en cuanto embragues de competición se refiere, en un futuro próximo.
5.1. Materiales futuros.
En aquellas competiciones de muy alto nivel donde el coste es secundario, principalmente la Fórmula 1, se utilizan materiales que congregan lo más avanzado de las diferentes disciplinas de la ciencia de materiales: metalurgia, procesos de fabricación, tribología… Son los llamados materiales “de la era espacial”. El material de fricción utilizado en la F1 es el kevlar, si bien, muy probablemente, entremezclado con fibras de otros componentes que son un secreto muy bien guardado.
De hecho, el futuro de los forros de tipo kevlar es entremezclar las fibras de este componente con otro tipo de fibras capaces de dotar al conjunto de características especiales. Alguna de esas fibras son el nomex, material ignífugo, para permitir la resistencia a temperaturas más elevadas. Es de hecho la temperatura el mayor problema a solventar en los embragues de fricción.
Las capacidades de par a transmitir son actualmente suficientes en estos materiales de última generación, así como la resistencia a presiones elevadas, pero el sobrecalentamiento y quemado es un problema a evitar, siendo la principal causa de fallo de estos sistemas en la competición.
Los metales sinterizados permiten soportar temperaturas muy elevadas, pero su actuación es extremadamente poco progresiva y por tanto inadecuada en muchas disciplinas, como por ejemplo la F1, donde se necesita cierta progresividad en la aceleración desde parado y en marchas bajas para no provocar el derrape y desgaste de las ruedas. La sinterización de metales con otros componentes que doten al disco de embrague de cierta capacidad de deslizamiento antes de la unión solidaria es uno de los caminos de futuro.
Los materiales cerametálicos, que aúnan las capacidades de resistencia térmica de las cerámicas y los metales como el hierro, sinterizados en forma de fibras y entrelazadas en fibra de kevlar con algún otro componente son un posible paso futuro hacia la mejora de unos componentes que, por otra parte, ya cumplen actualmente de manera muy adecuada con los requisitos demandados.
Por lo visto arriba, las evoluciones futuras parece que se encaminan a la mezcla de varios componentes, cada uno con unas cualidades particulares, para dotar al forro de las características de resistencia térmica, desgaste y resistencia a presión deseadas. Es algo que ya viene realizándose desde hace tiempo, si bien los materiales de que se dispone son cada vez más avanzados.
Vídeo de un test de un embrague de F1:
5.2. Sistemas de embrague alternativos.
Los embragues de fricción son los más utilizados en competición porque son los de menor peso, los que permiten transmitir mayores pares de modo abrupto y por su relativa sencillez. Su limitada vida útil bajo requerimientos muy intensos no suele suponer una limitación por poder cambiarse éstos tras un número reducido de kilómetros. El resto de embragues disponibles actualmente no son capaces de cumplir los requisitos de alta demanda y bajo peso de la mayoría de disciplinas de competición actuales.
Sin embargo, la tecnología de embrague de fricción parece haber tocado techo, y no se prevé el desarrollo de materiales futuros que permitan mejoras sustanciales en el comportamiento general del proceso de fricción.
Tampoco hay un material de forro de embrague que sea óptimo en todos los requerimientos: durabilidad, progresividad, resistencia a altas temperaturas y elevadas presiones de contacto y coeficiente de rozamiento constante en todo el rango de trabajo. Todos aquellos que presentan un buen comportamiento ante alguno de los requerimientos nombrados son inadecuados bajo la perspectiva de otros.
Quizá el paso siguiente es un cambio radical en la tecnología de embrague que, a grandes rasgos, lleva intacta cien años.
De momento nos conformaremos con carbono
Un posible embrague, que funcione aprovechando las capacidades de control computacional actuales, es el electromagnético de imanes de inducción. En él, el eje proveniente del motor se aloja en el interior de una serie de aros exteriores conectados al eje primario que va a la caja de cambios. En el eje motor se alojan una serie de imanes permanentes que, por interacción con los imanes de inducción situados en dichos aros exteriores, provoca que éstos giren a la misma velocidad.
Disminuir la carga eléctrica hacia los imanes de inducción provoca que éstos pierdan fuerza, y su capacidad de seguir el movimiento de los imanes permanentes del eje motor se ve mermada, produciéndose el desacople de las velocidades angulares del eje motor y del primario, conectado a los imanes de inducción. La progresividad en la pérdida de imantación regula la progresividad en el acople o desacople de ambos ejes.
Este sistema elimina la necesidad de utilizar materiales rozantes. No existe desgaste alguno y la progresividad puede controlarse a placer en función de las necesidades instantáneas.
6. Fallos típicos del sistema de embrague de fricción.
En este punto se detallan los principales fallos del sistema de embrague tratado en este trabajo, tanto del material de fricción como de otros componentes, así como las posibles causas y el comportamiento anormal que el conductor o piloto puede detectar.
6.1. Fallos en el material de fricción de los discos de embrague.
Embrague quemado.
El término “quemar el embrague” es bien conocido por todos aquellos con conocimientos moderados de automoción. Sucede en la mayoría de los casos cuando el pedal del embrague se mantiene en una posición en la que el disco de embrague no se encuentra totalmente presionado contra el volante motor y el plato de presión. En estas circunstancias, el volante motor fricciona contra el material de fricción del disco de embrague de un modo continuado, sobrecalentándolo.
Este proceso sostenido provocará no solo un olor muy característico, sino un desgaste inaceptable del material de fricción. Ésto puede suceder inintencionadamente con el mal hábito de mantener el pie apoyado sobre el pedal de embrague en conducción normal. Esa ligera presión puede ser suficiente para liberar en pequeña medida el muelle de diafragma y ocasionar la pérdida de adherencia y la fricción continuada.
El uso excesivamente intenso, con continuas aceleraciones en parado y reducciones violentas a marchas inferiores también produce el desgaste prematuro del material.
Un embrague quemado queda totalmente inutilizado para su uso.
Embrague que patina.
Es otro término muy al uso. Se trata de un embrague que tiene un problema mecánico. Bien el muelle de diafragma ha perdido fuerza y no puede aplicar la presión suficiente al disco de embrague o, más probablemente, el material de fricción presenta un desgaste excesivo. En cualquier caso, el disco de embrague no fricciona adecuadamente contra el volante motor.
El comportamiento anormal más obvio en vehículos con embrague que patina es que, en aceleraciones a altas cargas o en pendientes, se observa un aumento de las revoluciones que no se acompaña por un aumento en la velocidad. Ésto se produce porque el eje del motor, efectivamente, se revoluciona, pero el aumento de velocidad angular no se transmite a las ruedas por el resbalamiento de la unión entre el volante motor y el disco de embrague.
6.2. Fallos en otros componentes.
Todos los componentes del embrague están sometidos a fuertes cargas torsionales y de compresión, pudiéndose generar fallos por no soportar estos, en algún punto, tales esfuerzos.
En la mayoría de los casos, el fallo se presenta como destructivo, obteniéndose una inmediata pérdida de las prestaciones del sistema.
Son típicas roturas en el estriado de la maza de presión, alguno de los amortiguadores del disco de embrague, alguna lengüeta del diafragma o alguno de los rodamientos del sistema. Estas roturas se producen por un diseño y dimensionado inadecuado, por un defecto en el montaje o por un uso excesivamente duro.
Figura 37. Estriado de la maza destruido
Por otra parte, un hábito típico de conducción, consistente en mantener, en parado (por ejemplo en un semáforo) el pedal de embrague apretado y la primera marcha engranada, carga el cojinete de embrague en exceso, reduciendo su vida y pudiendo causar ruido.
Figura 38. Rotura de lengüeta del diafragma
La selección de una marcha excesivamente superior causa cargas excesivas en disco de embrague y puede dañarlo o dañar por torsión los muelles de disco.
Por último, la carga excesiva del vehículo puede provocar la rotura de componentes como los rodamientos o el disco de embrague.
Fuente: http://8000vueltas.com/2008/07/15/especial-tecnica-el-embrague-y-los-materiales-de-friccion
