FRENOS Y EMBRAGUES - Mecanica - ingenieria

frenos y embragues. seleccion. calculo. Diseño

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1

2. Elembragueyelfrenosonloselementosdemáquina
utilizadosconmásfrecuenciaparacontrolarelmovimiento;
estoselementossedefinenacontinuación:
•Unembragueesundispositivoparaconectaro
desconectaruncomponenteimpulsadoconelimpulsor
delsistema.
•Unfrenoesundispositivoparadetenerunsistemaen
movimiento,oparadisminuirsuvelocidadocontrolarla
enciertovalor,bajocondicionesvariables.
2
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3. Comoparticularidadpuededecirseque,adiferencia
delamayoríadeloselementosdemáquinas,el
frenooembraguetrabajaoactúademanera
transitoriaduranteunperíododetiempo.
Lafrecuenciadeactuacionesylascaracterísticasdel
sistemaaacelerarodesacelerarserán
determinanteseneldiseñodelsistemadefrenado
oembragado.
3
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4

5. 5
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7. 7
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8. 8
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1)Embragueofrenodeplaca:Cadasuperficiedefricción
tienelaformadeunanillosobreunplatoplano.Unaomás
placasdefricciónsemuevenendirecciónaxialparatocar
unaplacacorrespondiente,lisa,fabricadacomúnmenteen
acero,alaquesetransmiteelpartorsionaldefricción.

9. 9
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1)Embragueofrenodeplaca:

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1)Embragueofrenodeplaca:

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1)Embragueofrenodeplaca:

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1)Embragueofrenodeplaca:

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1)Embragueofrenodeplaca:

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2)Frenodediscocalibrador:Sefijaunrotorenformade
discosalamáquinaquesevaacontrolar.Lasbalatasde
fricción(pastillas),quesólocubrenunapequeñaporción
deldisco,estáncontenidasenunconjuntofijollamado
calibrador(ocaliper),ysoncomprimidascontraeldisco
mediantepresiónneumáticaohidráulica.

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2)Frenodediscocalibrador:
Freno de disco de tambor de arrollamiento de puente grúa

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2)Frenodediscocalibrador:

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2)Frenodediscocalibrador:

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3)Embragueofrenodecono:Unembragueofrenode
conosepareceaunodeplaca,perolassuperficies
acopladasestánenunapartedeuncono,enlugardeestar
sobreunaplacaplana.Aprovechaelefectodeacuñamiento
delcono

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3)Embragueofrenodecono:

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4)Frenodebanda:Sóloseusacomofreno;elmaterialde
fricciónestásobreunabandaflexible,quecasirodeaaun
tamborcilíndricofijoalamáquinaquesevaacontrolar.
Cuandosedeseafrenar,labandaseaprietasobreeltambor
yejerceunafuerzatangencialquedetienelacarga.

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5)Frenodezapata:Laszapatascurvasyrígidasdelmaterial
defricciónsonoprimidascontralasuperficiedeuntambor,
desdesuexteriorosuinterior,yejercenunafuerza
tangencialquedetienelacarga.

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5)Frenodezapata:

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5)Frenodezapata:

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5)Frenodezapata:

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Actuación
-Manual.Eloperadorsuministralafuerza,
engeneralmedianteunarreglodepalancas
paraobtenermultiplicacióndefuerza.
-Aplicadaconresorte.Tambiénsele
conocecomodiseñoapruebadefallas
cuandoseaplicaaunfreno;losresortes
aplicanelfrenoautomáticamente,amenos
quesepresenteunafuerzaopuesta.Así,si
fallalaelectricidad,osisepierdelapresión
neumáticaohidráulica,osieloperadorno
puedehacersusfunciones,losresortes
aplicanelfrenoydetienenlacarga.

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Actuación
-Centrífugo.Seempleaconfrecuenciaunembrague
centrífugoparapermitirqueelsistemaimpulsoraceleresin
quetengacargaconectada.Después,cuandotieneuna
velocidadpreseleccionada,lafuerzacentrífugamuevelos
elementosdelembrague,loscualestocanyconectanla
carga.Aldesacelerarelsistema,lacargasedesconectaráen
formaautomática.

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Actuación
-Neumático.Seintroduceairecomprimidoenun
cilindrooalgunaotracámara.Lafuerzaque
producelapresión,sobreunpistónodiafragma,
juntalassuperficiesdefricciónconlosmiembros
conectadosalacarga.
-Hidráulico.Losfrenoshidráulicosseparecena
losdeltiponeumático,exceptoqueestosusan
fluidosoaceiteshidráulicos,enlugardeaire.El
actuadorhidráulicosueleaplicarsecuandose
requierengrandesfuerzasdeactuación.
-Electromagnético.Seaplicaunacorriente
eléctricaaunabobina,formandounflujo
electromagnético.Lafuerzamagnéticaatrae
entoncesunaarmadurafijaalamáquinaquese
debecontrolar.Laarmaduraes,engeneral,del
tipodeplaca.

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PARÁMETROSDEFUNCIONAMIENTO
Cuandohayuncambiodevelocidad,seacompañadeun
cambiodeenergíacinéticadelsistema.Así,elcontrolde
movimientoimplica,enformainherente,elcontroldela
energía,yaseaagregándolaparaacelerarunsistema,o
disipándolaparadesacelerarlo.
Losparámetrosqueintervienenenlacapacidadde
embraguesyfrenossonlossiguientes:
1.Elpartorsionalnecesarioparaacelerarodesacelerarel
sistema
2.Eltiemponecesarioparaefectuarelcambiodevelocidad
3.Lafrecuenciadeaccionamiento:númerodeciclosde
arranqueyparoporunidaddetiempo.

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PARÁMETROSDEFUNCIONAMIENTO
4.Lainerciadelaspiezasenrotaciónotraslación
5.Elambientedelsistema:temperaturayefectosde
enfriamiento,entreotros
6.Lacapacidaddedisipacióndeenergíadelembragueoel
freno
7.Eltamañoylaconfiguraciónfísicos
8.Elmediodeaccionamiento
9.Laduraciónylaconfiabilidaddelsistema
10.Elcostoyladisponibilidad

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TIEMPO NECESARIO PARA ACELERAR UNA CARGA
Elprincipiobásicoqueintervieneseextraedeladinámicade
loscuerposrotatorios,análogamentealmovimientolineal:
∴��=??????.??????(1)
Donde
Mt[Nm]=momentotorsorparaacelerarlamasaconinerciaI
I[Kgm^2]=momentodeinerciadelamasadeloscomponentesquesevanaacelerar
[rad/s^2]=aceleraciónangular,estoes,latasadecambiodelavelocidadangular,respecto
deltiempo
1
2
�??????
2
=
1
2
��
2
??????
2
LaenergíacinéticatotalKdelcuerpoquegiraes:
??????=
1
2
�
1�
1
2
??????
2
+
1
2
�
2�
2
2
??????
2
+⋯=
1
2
෍�
??????�
??????
2
??????
2
�????????????=෍�
??????�
??????
2
→??????=
1
2
????????????
2

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TIEMPO NECESARIO PARA ACELERAR UNA CARGA
Sesabeque
Esmáscómodoexpresarelmomentodeinerciadelamasa
enfuncióndelradiodegiro,k.
??????=
∆�
�
Donde:
n: Cambio en la velocidad
t: tiempo
??????=
??????
�
→??????=�??????
2
=
????????????
2
??????
(2)
(3)
Donde:
k: radio de giro
I: momento de inercia
m: masa rotante
W: peso rotante

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TIEMPO NECESARIO PARA ACELERAR UNA CARGA
Reemplazando(2)y(3)en(1)
Ecuaciónfundamentaldecálculodefrenosyembragues,
analizandocadavariablepuedeobservarseclaramente
comoinfluyeenlosesfuerzosy/oenlostiempos.
��=
????????????
2
??????
∆�
�
∴�=
????????????
2
∆�
??????��
��=??????.??????(1)
??????=
∆�
�
??????=
????????????
2
??????
(2) (3)

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INERCIADELACARGA
Confrecuencia,eltérminoWk
2
recibeelnombredeinercia
delacarga,aunqueesenombrenoseacorrecto,ensentido
estricto.Unagranproporcióndeloscomponentesdeuna
máquinaquesevaaacelerar,tienenlaformadecilindroso
discos.

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INERCIAEFECTIVA
Enmuchossistemasprácticosdemáquinashayvarios
elementosquefuncionanconvelocidadesdistintas.Se
requieredeterminarlainerciaefectivadetodoelsistema,tal
comoafectaalembrague.
????????????
2
��=????????????
2
�
�
??????
2
Donde:
n: velocidad de la carga de interés
nc: velocidad del embrague/freno
????????????
??????�??????
2
=෍
??????=1
�
????????????
??????
2
�
??????
�
??????
2

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INERCIAEFECTIVADECUERPOSCONMOVIMIENTOLINEAL
????????????=
�??????
2
2
=
????????????
2
2??????
Movimientolineal→
????????????=
????????????
2
2
=
????????????
2
??????
2
2??????
Movimientorotativo→
(1)
(2)
Igualando(1)y(2):
????????????
�
2
=??????
??????
??????
2
∴????????????
�
2
=??????
30??????
??????�
2Donde:
n: velocidad de giro del
freno/embrague (RPM)

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ABSORCIÓNDEENERGÍA/DISIPACIÓNDECALOR
Cuandousaunfrenoparadetenerunobjetogiratorio,ousa
unembragueparaacelerarlo,elembragueoelfrenodeben
transmitirenergíaatravésdesussuperficiesdefricción,
cuandosedeslizanentresí.Enesassuperficiessegenera
calor,elcualtiendeaaumentarlatemperaturadela
unidad.
Naturalmente,elcalorsedisipadelaunidad,ypara
determinadoconjuntodecondicionesdeoperaciónse
alcanzaunatemperaturadeequilibrio.Esatemperatura
debeserlosuficientementebajacomoparaasegurarque
sealargalavidadeloselementosdefricciónyotraspiezas
delaunidad,comolasbobinaseléctricas,losresortesylos
cojinetes.

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ABSORCIÓNDEENERGÍA/DISIPACIÓNDECALOR
Generación
de calor
Disipación
del calor

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ABSORCIÓNDEENERGÍA/DISIPACIÓNDECALOR

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ABSORCIÓNDEENERGÍA/DISIPACIÓNDECALOR
Lacapacidaddedisipacióntérmicadefrenosdediscose
debeverificarparaevitarquesepresententemperaturasde
discoyzapataqueseandañinasparalaspartes.Latasade
transferenciatérmicasedescribeporotraecuaciónde
Newton:

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ABSORCIÓNDEENERGÍA/DISIPACIÓNDECALOR

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ABSORCIÓNDEENERGÍA/DISIPACIÓNDECALOR
Laenergíaadisipareslaenergíaganadaporcambiode
energíacinética:
Sihayciclosrepetitivosdeoperación,sedebemultiplicar
laenergíaobtenidaporlafrecuenciadeciclos.Elresultado
seríalageneracióndeenergíaporunidaddetiempo,la
cualdebesercomparadaconlacapacidaddedisipaciónde
calordelembragueofrenoqueseexamineparala
aplicación.Lacapacidadcombinadadedisipacióndecalor
eselpromediodelacapacidadacadavelocidad,
ponderadoporlaproporcióndelcicloencadavelocidad.
????????????=
????????????
2
2
=
????????????
2
??????
2
2??????

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ABSORCIÓNDEENERGÍA/DISIPACIÓNDECALOR

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TIEMPODERESPUESTA
Eltiempoderespuestaeselintervalorequeridopara
cumplirsufuncióntrasiniciarselaactuación.Estetiempo
varíasegúnlacarga,elambienteylascondiciones
deoperaciónoperación.Enaplicaciones
típicasdemáquinas,los
embraguesyfrenos
comercialespresentan
tiemposderespuestade
algunos milisegundos
hastaalrededorde1sen
equiposde mayor
tamaño. (consultar
fabricantes)

44. 44
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TIEMPODERESPUESTA

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MOMENTOTORSOR
Momento torsor estático →�
�[��]=
60000�
��??????[????????????]
2??????�
��??????[�??????�]
Momento torsor dinámico →�
���=??????[????????????�
2
]??????
�????????????
�
2
�
??????=�
�±�
�Momento torsor total →

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MOMENTOTORSOR
1) Caso general sin descenso de carga
Momento torsor estático →�
�[��]=
60000�
��??????[????????????]
2??????�
��??????[�??????�]
Momento torsor dinámico →�
���=??????[????????????�
2
]??????
�????????????
�
2
Freno →
Embrague →
�
??????=�
�−�
�
�
??????=�
�+�
�

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MOMENTOTORSOR
2) Caso especial con descenso de carga
Momento torsor estático →�
�[��]=
60000�
��??????[????????????]
2??????�
��??????[�??????�]
Momento torsor dinámico →�
���=??????[????????????�
2
]??????
�????????????
�
2
Freno →
Embrague →
�
??????=�
�+�
�
�
??????=�
�−�
�

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MOMENTOTORSOR
�
�>�
??????→Tiempo de frenado inferioral calculado/deseado
�
&#3627408449;<&#3627408448;
??????→Tiempo de frenado mayoral calculado/deseado
&#3627408448;
&#3627408449;<&#3627408448;
&#3627408440;→Freno Caso 2 No frena; Embrague Caso 1 no embraga
en ambos casos el resbalamiento es constante.
&#3627408448;
??????=&#3627408448;
&#3627408439;±&#3627408448;
&#3627408440;
&#3627408448;
&#3627408449;: Momento torsor nominal del freno/embrague
MN
&#3627408481;=
????????????
2
∆&#3627408475;
??????&#3627408455;
∴&#3627408481;=
????????????
2
??????
2??????∆&#3627408475;
60&#3627408448;
&#3627408449;±&#3627408448;
&#3627408440;

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MATERIALESDEFRICCION
Muchosdelostiposdeembraguesyfrenosvistosusan
superficiesopuestasimpulsadasentresí,mediante
materialesdefricción.Lafuncióndeesosmaterialeses
desarrollarunafuerzadefricciónapreciablecuandose
apliqueunafuerzanormalconlosmediosde
accionamientodelfreno.
Lafuerzadefricciónproduceunafuerzaounpartorsional
queretardaelmovimientoexistente,siseaplicacomo
freno,oqueaceleraalelementoenreposo,oen
movimientoabajavelocidad,siseaplicacomoembrague.

50. 50
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MATERIALESDEFRICCION
Losmaterialesdebendesarrollarunafuerzadefricción
apreciablecuandoseapliqueunafuerzanormalconlos
mediosdeaccionamientodelfrenoynodebenfallar.
Laspropiedadesadecuadassonlassiguientes:
1.Debenteneruncoeficientedefricciónalto.
2.Elcoeficientedefriccióndebeserrelativamente
constantedentrodelintervalodepresionesy
temperaturasdefuncionamiento,paraquepueda
esperarseunfuncionamientoconfiableypredecible.
3.Debentenerbuenaresistenciaaldesgaste.
4.Losmaterialesdebentenercompatibilidadquímicacon
suscomponentesacoplados.
5.Sedebenreduciralmínimolosriesgosambientales.

51. 51
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MATERIALESDEFRICCION
Seusanvariosmaterialesdistintos,ymuchosdeellosson
patentadospordeterminadofabricante.Enelpasadoeran
comunesvarioscompuestosabasedeasbesto,con
coeficientesdefriccióndelordende0.35a0.50.
Elasbestoesunriesgoparalasalud,yahorasereemplaza
porcompuestosmoldeadosdepolímerosycaucho.Cuando
serequiereflexibilidad,comoenlosfrenosdebanda,el
materialbasesetejeenformadeunatela,yavecesse
refuerzaconalambremetálico,sesaturaconunaresinayse
cura.Tambiénseusanelcorchoylamadera.Abasede
papelseusanenalgunosembraguesllenosdeaceite.En
ambientesrigurosos,seempleanhierrocolado,hierrou
otrosmetalessinterizados,omaterialescongrafito.

52. 52
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MATERIALESDEFRICCION
Elcermetes unmaterial compuestoformado por materiales cerámicos y metales.
Su nombre proviene del inglésceramicmetal

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MATERIALESDEFRICCION

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MATERIALESDEFRICCION

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MATERIALESDEFRICCION

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MATERIALESDEFRICCION

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MATERIALESDEFRICCION

58. 58
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MATERIALESDEFRICCION

59. 59
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TASADEDESGASTE
Observequeelpartorsionalesproporcionalalradio
promedio,peroqueenlaecuaciónnointervienealguna
área.Enconsecuencia,paraterminareldiseñodelas
dimensionesfinales,serequierealgúnotroparámetro.El
factorausenteenlaecuacióneslatasadedesgastequese
esperaconelmaterialdefricción.
&#3627408455;
&#3627408467;=??????.&#3627408449;.&#3627408453;
&#3627408474;
Donde:
Tf: momento torsorde frenado
: coeficiente de fricción
N: Fuerza normal entre ferodos
Rm: Radio medio del disco

60. 60
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TASADEDESGASTE
Deberíaserobvioque,aunconelmismoradiomedio,un
frenoconmayoráreasegastaríamenosqueunocon
menorárea.Sinembargo,lossiguienteslineamientos
permitenestimareltamañofísicodelosfrenos.
Latasadedesgaste,WR,sebasaráenlapotenciade
fricciónPfqueabsorbaelfrenoporunidaddeáreaA,
donde
??????
&#3627408467;=&#3627408455;
&#3627408467;?????? ??????&#3627408453;=
??????
&#3627408467;
??????
Según Mott:
WR = 0.04 HP/pulg^2, para aplicaciones frecuentes; una tasa conservadora
WR = 0.10 HP/pulg^ 2, para servicio promedio
WR = 0.40 HP/pulg^ 2, para frenos que no se usen con frecuencia y puedan
enfriarse algo entre aplicaciones.

61. 61
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DESGASTE
Eldesgasterealendeterminadaaplicacióndependede
unacombinacióndemuchasvariables.Losmaterialesde
fricciónsonrelativamentemássuavesydébilesquelos
materialesmetálicosusadosenlosdiscosytambores.Con
frecuencia,secaracterizaaldesgastecomoadhesión.
Comolasuperficiedelmaterialdefricciónfrotasobrelos
puntosaltosdelmetal,sedaunadeformaciónplásticaen
lasuperficie,ylaspartículassedesprendenporcorte,lo
cualrompeelenlaceentrepartículas,odesprendelos
materialesdecargadelosagentesenlazadosdepolímero.
Esteprocesoseaceleracuandolastemperaturasenla
superficieaumentan,yamedidaqueelfrenoabsorbela
energíanecesariaparadetenerelsistemagiratorio.

62. 62
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DESGASTE
Elcomportamientotérmicodelsistemaescríticoparaque
laduraciónseabuena.Silastemperaturassubenalrededor
de(200°C),latasadedesgasteaumentaenforma
apreciable,yelcoeficientedefricciónbaja,loquecausael
malfuncionamientodelosfrenos,llamadofundido.
Esdifícilpredecirenformaanalíticaladuraciónde
determinadosistemadefrenado,porlocualse
recomiendaprobarlosnuevosdiseñosbajocondiciones
realesdefuncionamiento.

63. 63
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DESGASTE
Lasiguientelistadescribelosprincipiosgeneralespara
mejorarlascaracterísticasdedesgaste.
■Especifiquematerialesdefricciónquetengan
relativamentepocaadhesión,cuandoesténencontacto
conelmaterialdeltamboroeldisco.
■Especifiquematerialesdefricciónquetenganalta
resistenciadecohesiónentrelaspartículasquelosforman.
■Proporcionealtadurezaalasuperficiedeldiscoo
tambor,mediantetratamientotérmico.
■Mantenga,lomásbajaqueseapráctico,lapresiónentre
elmaterialdefricciónyelmaterialdeldiscootambor.

64. 64
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DESGASTE
■Mantengalatemperaturasuperficial,enlainterfase
entreelmaterialdefricciónyeldeldiscooeltambor,tan
bajacomoseaprácticoConfrecuencia,ensituaciones
críticas,seaplicaflujoforzadodeaireoenfriamientocon
agua.
■Proporcioneunacabadosuperficiallisosobrelosdiscosy
tambores.

65. 65
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DISEÑODEFRENOS
Embrague o freno de conos

66. 66
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DISEÑODEFRENOS
Freno de tambor de zapata corta

67. 67
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DISEÑODEFRENOS
Freno de tambor de zapata larga

68. 68
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SITIOS DE INTERNET PARA EMBRAGUES Y FRENOS
www.eaton.com/us/en-us.html
www.warnerelectric.com/
www.hilliardcorp.com
www.tolomatic.com
www.electroid.com