UNIDAD 14: EMBRAGUES Y CAMBIO DE MARCHA
DEFINICIONES
Embrague-acoplamiento, o simplemente embrague o clutch, se utiliza en motores diésel marinos. Se denomina acoplamiento al dispositivo que conecta dos ejes para que actúen como uno solo.
El embrague es un dispositivo que permite conectar y desconectar a voluntad un elemento transmisor de potencia (como una polea o un engranaje) a un eje, o desde un eje. También se le conoce como Clutch.
Cuando es necesario conectar o desconectar dos ejes en funcionamiento, el dispositivo empleado tiene características tanto de acoplamiento como de embrague, y se le llama embrague-acoplamiento.
En la práctica, este dispositivo se conoce simplemente como embrague, como en el caso del motor y el eje impulsado de un automóvil.
Mecanismo. Este término tiene varios significados relacionados con el motor. Uno de ellos, frecuentemente utilizado, se refiere a una rueda dentada que engrana con otra similar para transmitir fuerza motriz.
Otro significado alude a un mecanismo auxiliar que cumple una función específica en el motor completo, como el mecanismo de válvulas de un motor de combustión interna.
Un tercer significado describe una combinación de ruedas dentadas o engranajes que funcionan como una unidad y transmiten torque, generalmente con un cambio de velocidad o de dirección de rotación, como en un reductor o una caja de cambios.
El embrague-acoplamiento se emplea en la Marina para la propulsión directa, permitiendo desconectar el motor del eje de la hélice cuando es necesario.
En motores pequeños, los embragues suelen combinarse con mecanismos de inversión de marcha para maniobrar embarcaciones.
En motores grandes, se utilizan embragues especiales para lograr acoplamientos específicos o características particulares.
Los tipos de embrague usados en los motores diesel navales son:
1) Por fricción.
2) Embragues neumáticos.
3) Hidráulicos.
4) Electromagnéticos.
Los embragues de fricción son comúnmente utilizados en motores pequeños de alta velocidad de hasta 500 HP. Sin embargo, algunos embragues de fricción, junto con acoplamientos dentados o de uñas centrífugas, se emplean en motores de hasta 1,400 HP; y los embragues neumáticos con superficies de fricción cilíndricas se usan en motores de hasta 2,000 HP.
En cuanto a su acción, en los embragues de fricción empleados en motores diésel marinos, el torque se transfiere del eje motor al eje impulsado mediante la fricción generada por la fuerza axial que produce el contacto entre dos o más superficies.
Estas superficies de fricción pueden ser planas, como se muestra en la figura 16-1 (a), o cónicas, como en la figura 16-1 (b).
Con el mismo esfuerzo axial, el torque transmitido por un embrague de discos múltiples es directamente proporcional al número de pares de superficies de fricción.
De igual forma, los embragues cónicos frecuentemente se fabrican con dos conos, tal como se muestra en la figura 16-3, duplicando de esta manera su capacidad.
Finalmente, existen embragues que combinan superficies de fricción cónicas y discos en un mismo dispositivo.
Los embragues por fricción se dividen en dos categorías: secos y húmedos, según si operan sin lubricación o con ella.
Ambos tipos tienen un diseño parecido, pero los embragues húmedos necesitan una mayor área de fricción debido a que el coeficiente de fricción disminuye cuando las superficies están lubricadas.
Las ventajas de los embragues húmedos incluyen:
1) Operación más suave.
2) Menor desgaste de las superficies de fricción.
Superficies de fricción:
Estas superficies se fabrican generalmente con distintos materiales, siendo una de hierro fundido o acero, y la otra recubierta con una mezcla de asbesto, hierro calcinado o bronce para los embragues secos; mientras que para los húmedos se emplea bronce, hierro fundido o acero.
Las superficies de fricción de hierro fundido son preferidas por sus mejores propiedades como cojinete y su mayor resistencia al rayado y desgaste.
EMBRAGUES NEUMÁTICOS
Pueden ser:
Operados por presión de aire
Operados por vacío
1. Operados por presión de aire.
En la figura 16-4 se muestra un tipo de embrague neumático, también conocido como embrague operado por aire.
Un tipo de embrague neumático incluye un neumático similar a un anillo de goma, cuyo exterior está acoplado a una llanta motriz y el interior tiene adherida una guarnición de fricción. En la figura 16-5, el motor está conectado a un tambor cilíndrico, que no se ilustra en el dibujo. Al introducir aire comprimido en la cámara de goma, la superficie de fricción se presiona contra el tambor, activando así el embrague.
En los embragues de acoplamiento directo operados por aceite o aire comprimido que se acaban de mencionar, no es necesario realizar ajustes por desgaste y la fuerza de acoplamiento no cambia con el desgaste.
2-Embragues operados por vacío. Los embragues operados por vacío son dispositivos mecánicos que cuentan con una conexión externa operada por un pistón y cilindro al vacío. El vacío puede ser proporcionado por una bomba de vacío independiente.
Las principales ventajas de los controles hidráulicos, neumáticos o al vacío en los embragues de fricción son que pueden operarse con un esfuerzo manual mínimo y facilitan enormemente el control remoto. Los embragues también pueden ser operados remotamente mediante un mecanismo de palancas adecuado, pero tal control resulta difícil debido al aumento del esfuerzo requerido para el desplazamiento por la fricción en el sistema de palancas o por la complejidad de las articulaciones en las palancas externas.
EMBRAGUES HIDRÁULICOS
La Figura 16-6 muestra una sección transversal de un embrague hidráulico estándar. La unidad representada recibe aceite lubricante a través de una bomba externa, y cuenta con mecanismos para la rápida eliminación del aceite cuando se requiere desacoplar.
Tanto en el impulsor como en el rotor se instalan núcleos anulares y anillos guía de sección semicircular para dirigir el fluido operativo.
El impulsor, o elemento motriz, está fijado al eje motriz, mientras que el rotor, o elemento conducido, se fija al eje conducido. Al rotor se le añade una carcasa para encerrar la parte trasera del impulsor y contener el fluido operativo.
Ambos, impulsor y rotor, están equipados con una serie de álabes radiales, como se ilustra en la parte superior de la Figura 16-6.
El fluido operativo, un aceite mineral con una viscosidad de 180 a 200 S.S.U., se introduce en el impulsor o rueda primaria desde una bomba externa. La rotación del impulsor provoca que el fluido sea expulsado radialmente hacia afuera por la fuerza centrífuga hasta alcanzar el borde exterior, desde donde fluye radialmente hacia adentro. El flujo del fluido sigue un patrón similar al de un resorte en espiral doblado en forma circular.
La transmisión de fuerza se realiza mediante la transferencia de energía cinética al impulsor, obtenida cuando el aceite choca contra el borde.
Cuando el fluido fluye radialmente hacia adentro a través de los álabes del rotor o rueda secundaria, la energía cinética se transforma en trabajo mecánico, lo que hace girar el rotor y su eje.
El desacoplamiento rápido se logra abriendo la válvula de anillo (1), que expone una serie de orificios en la cubierta del rotor.
Esto permite que el fluido contenido en el embrague sea expulsado hacia afuera por la fuerza centrífuga.
Las principales ventajas de los embragues o acoplamientos hidráulicos son:
1) Son aptos para motores de cualquier potencia.
2) Impiden la transmisión de vibraciones torsionales entre el motor y el eje de la hélice.
3) Resguardan el motor y el reductor frente a impactos repentinos causados por cargas imprevistas, ya sea por el acoplamiento del pistón o por inconvenientes en la hélice.
4) La alineación se facilita ya que las holguras entre los elementos rotativos son comparativamente amplias.
EMBRAGUES ELECTROMAGNÉTICOS
Los motores diésel requieren operar a una velocidad relativamente alta para minimizar el peso y tamaño y así lograr una potencia específica. En contraste, las hélices funcionan mejor a velocidades más bajas para maximizar la eficiencia, especialmente cuando se necesita un alto empuje, como en los remolcadores.
Los reductores se utilizan para conciliar estos dos requisitos opuestos, permitiendo así una velocidad baja en el eje de la hélice mientras el motor opera a alta velocidad.
Generalmente, la relación de reducción no supera 3:1, aunque en ocasiones se utilizan relaciones de hasta 6:1.
Los reductores se clasifican según el tipo y la disposición de los engranajes que utilizan, que pueden ser:
1) de engranajes externos
2) de engranajes internos
3) de engranajes planetarios
El término "piñón" se refiere al engranaje más pequeño de un par, siendo el más grande la rueda dentada o engranaje, sin importar cuál es el motor y cuál el movido. La unidad de engranajes exteriores, figura 16-8(a), consta de una rueda dentada principal o engranaje movido, que engrana con un piñón montado en un eje paralelo. Se utilizan dientes rectos, engranajes helicoidales o de tipo Herringbone. Los dientes helicoidales engranan de manera más suave, ya que en un momento dado hay más dientes en contacto y el funcionamiento es más silencioso en comparación con los dientes rectos. El retroceso es una fuerza axial generada por la inclinación de los dientes. En los engranajes Herringbone, que son como dos engranajes helicoidales con hélices en ángulos opuestos colocados uno junto al otro, se mantienen todas las ventajas de los engranajes helicoidales y la forma en V de los dientes elimina el movimiento y la fuerza axial.
En general, la relación de velocidad se calcula dividiendo el número de dientes del engranaje movido por el número de dientes del engranaje motor.
Si el número de dientes del engranaje conductor es menor que en el engranaje conducido, el cociente será mayor que uno, resultando en una reducción de la velocidad. Si el número de dientes en el conductor es mayor que en el engranaje conducido, el cociente será menor que uno, y el resultado será un incremento de la velocidad, como ocurre frecuentemente en los conductores de bombas centrífugas.
La unidad de engranajes internos se compone de un piñón que engrana con un engranaje con dientes en su superficie cilíndrica interna. Este engranaje interno se monta en un eje paralelo al del piñón, como se muestra en la figura 16-8 (b). Se pueden utilizar dientes rectos o helicoidales indistintamente. Este tipo de reductor necesita una menor excentricidad en la línea de centros entre el eje de la hélice y el eje conductor, en comparación con las unidades reductoras que utilizan engranajes externos de igual grado. Además, ambos ejes giran en la misma dirección, a diferencia de los reductores con engranajes externos, donde los ejes rotan en direcciones opuestas, como se observa en la figura 16-8 (a). No obstante, su diseño generalmente requiere un piñón conductor frontal, es decir, uno que está soportado por un solo lado mediante un cojinete, lo que permite una mayor deflexión del eje bajo carga y resulta en un movimiento más ruidoso y mayor desgaste. Estos reductores se instalan comúnmente en motores de potencia relativamente baja. Un tipo de engranaje reductor planetario consta de un engranaje conductor o impulsor (1), figura 16-9, que engrana con tres piñones satélites idénticos (2); estos, a su vez, engranan con la mitad de cada uno de los piñones satélites largos (3), cuyas otras mitades están engranadas con el engranaje conducido o de salida (4).
La reducción de velocidad corresponde a la relación entre el número de dientes del engranaje mayor (4) y el engranaje menor (1); el número de dientes en los piñones satélites no influye en esto.
Como se observa, el engranaje de salida gira en dirección contraria al engranaje de entrada.
Se denomina planetario porque, en sus aplicaciones originales, la disposición de engranajes y piñones satélites giraba de manera similar al movimiento planetario.
Los ejes de entrada y salida se alinean en la misma línea central, permitiendo así una unidad compacta para un nivel de reducción determinado.
No obstante, las desventajas de este tipo de reductor incluyen:
1) Una construcción bastante compleja.
2) Un incremento en la cantidad de componentes móviles.
3) Un aumento en las pérdidas por fricción resultantes.
La lubricación de los engranajes reductores se realiza por salpicadura en unidades pequeñas y mediante aceite a presión de una bomba integrada en motores de mayor tamaño.
El enfriamiento del aceite lubricante se puede lograr con una camisa de enfriamiento de agua alrededor de la carcasa de los engranajes, mediante un enfriador de aceite externo, o utilizando ambos métodos.
Los mecanismos de reversión se utilizan en motores diésel marinos para cambiar la dirección de rotación del eje de la hélice. Se emplean principalmente en motores de tamaño reducido, generalmente aquellos que no exceden de 500 a 750 H.P. En el caso de motores diésel de alta potencia con caja de cambios, esta se utiliza únicamente durante el funcionamiento a baja velocidad y no está diseñada para soportar la carga completa a la máxima velocidad. Para maniobrar embarcaciones con motores grandes de propulsión directa, se invierte la rotación del eje mediante:
1) Cambio de marcha selectivo.
2) Cambio de marcha planetario.
1) Cambio de marcha selectivo.
Un cambio de marcha selectivo consta de dos transmisiones separadas pero similares, que pueden ser alternadamente activadas por el eje del motor al embragar uno de los dos embragues de fricción.
La transmisión de marcha adelante se compone de un eje hueco exterior, figura 16-10, con un disco de embrague h que puede ser acoplado al eje del motor.
En este caso, la fuerza motriz se transmite al eje de la hélice a través de los engranajes 1 y 2, y el eje porta-hélice gira en dirección contraria al eje del motor.
Cuando el eje del motor se desacopla del embrague h y se acopla mediante el embrague s al eje sólido interior, la fuerza motriz se transmite desde el piñón 3 a través del engranaje intermedio 4 al engranaje 5 en el eje de la hélice.
El eje de la hélice, por supuesto, gira en la misma dirección que el eje del motor, pero en dirección contraria a la que giraba en el primer caso, y la transmisión de marcha adelante se convierte en la transmisión de marcha atrás.
Este mecanismo de inversión de marcha es comúnmente utilizado también como reductor, al tener un número de dientes mayor en el engranaje 2 que en el engranaje 1, y lo mismo en los engranajes 5 y 3, respectivamente.
El número de dientes en el engranaje satélite 4 no influye en la relación de velocidad.
En la figura 16-11 se presenta un ejemplo de dicha combinación de mecanismo de inversión de marcha con reductor. El disco flotante aparece en su posición neutral, desacoplada. Al moverse el collarín deslizante hacia la derecha, en dirección al motor, la palanca con terminales en forma de V invertida presiona el disco neutral contra la tapa del embrague, acoplando el disco de fricción de marcha adelante que está fijado al eje hueco. Así, el eje de la hélice empieza a rotar en la dirección de marcha adelante. Si el collarín deslizante se desplaza en sentido opuesto al motor, interactúa con el otro extremo de la palanca en V, empujando el disco flotante contra el disco de fricción de marcha atrás, acoplando el eje sólido interior y provocando que el eje de la hélice rote en dirección de marcha atrás. El compartimento del embrague de este mecanismo funciona en seco, mientras que el reductor cuenta con un depósito de aceite lubricante en su carcasa, permitiendo que los engranajes y cojinetes se lubriquen por salpicadura.
Caja inversora simple.
Un cambio de marcha planetario se compone de una caja que contiene un reductor planetario, tal como se ilustra en la figura 16-9, un embrague que conecta directamente los ejes motriz y conducido durante la marcha hacia adelante, y un freno que permite detener la rotación de la caja del embrague después de desacoplar el clutch. Si la caja de engranajes está inmóvil, el eje de la hélice empezará a girar en sentido contrario, como se indica en la figura 16-9.
El mecanismo de palanca acodada número 33 empujará el émbolo hacia la izquierda, ejerciendo presión sobre los discos del embrague. Dado que los discos número 13 de este embrague, intercalados con los discos número 11, están unidos a la caja de engranajes, el embrague comprime tanto la caja de engranajes como la jaula de engranajes número 4 junto con el eje de la hélice.
Simultáneamente, el cono del embrague y su superficie plana se acoplan mediante la misma acción de la palanca acodada. A medida que el cono número 5 se engrana con el engranaje del eje de impulsión, la jaula de engranajes número 4, que contiene los ejes de los piñones satélites, se bloquea con el eje de impulsión, transmitiendo así la fuerza motriz a la hélice.
En marcha atrás, se desacoplan tanto los embragues de discos como el de cono de fricción. La banda de freno de reversa se cierra alrededor de la caja de engranajes, impidiendo su rotación.
Por lo tanto, el engranaje del eje de impulsión mueve los tres piñones cortos (número 7).
Estos piñones cortos accionan los piñones largos (no mostrados), que a su vez impulsan el engranaje del eje de salida, o eje de la hélice, invirtiendo así la rotación del eje de entrada.
En punto muerto, tanto los embragues de discos como el cono y la banda de freno están desacoplados, permitiendo la rotación libre de la jaula de engranajes y los piñones.
Los embragues de fricción son de tipo húmedo y operan en aceite, que también lubrica todos los dientes de los engranajes y los cojinetes.
CAJA INVERSORA DE DE DOBLE EMBRAGUE
La inversión de la dirección de rotación se consigue con un mecanismo de doble embrague (presente en la mayoría de los modelos), que permite seleccionar entre dos ejes que giran en direcciones opuestas. Aunque distintos fabricantes proponen diversas soluciones, el esquema mostrado en la figura ilustra el principio de funcionamiento común a la mayoría.
En el acoplamiento de la salida del motor (1), la conexión se realiza mediante un disco con acoplamientos de goma que promueven la suavidad entre la salida del motor y la entrada al inversor. Los engranajes (1) y (5) siempre giran en direcciones opuestas, lo que también hacen los ejes internos (2) y (6) de los embragues de Avante y Atrás.
En la modalidad de "Avante", la transmisión se efectúa (indicado por flechas azules) a través del embrague de avante (2). En este modo, es el embrague (2) el que se encarga de transmitir la potencia desde su parte exterior hacia la corona (3), que acciona el engranaje (4), el cual, a su vez, hace girar el engranaje de salida (5) en dirección de Avante hacia el eje de la hélice (8).
En este estado, aunque la parte interna del embrague de "Atrás" esté en movimiento por el eje interno de marcha atrás, no se transmite movimiento a la parte exterior del embrague. Para activar la marcha atrás, basta con cambiar el estado de los dos embragues, transfiriendo la potencia de (1) a (5) y, por ende, al embrague de Atrás (6), que transmitirá el movimiento a (7) a través de su corona exterior, haciendo que el engranaje de salida (5) gire en sentido inverso.
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FUENTES:
M.J.D.
MAQ 305 MOTORES DIESEL CAPITULO 16 Embragues y cambios de marcha.
http://www.fondear.org/infonautic/Barco/Motores_Helices/Inversora/Reductora_Motor.asp
