Art Análisis de embrague y freno de tambor de expansión interna de una cargadora de ruedas modelo LG916 por el método de elementos finitos

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Análisis de embrague y freno de tambor de expansión interna de una cargadora de ruedas modelo LG916 por el método de elementos finitos
 Mauricio José Benítez Pacheco1, Yarley Andrea Buelvas Arrieta1 y Juan Andrés Tirado Espitia1
1. Semillero de Investigación SIMEC Facultad Ingeniería de la Universidad de Córdoba, campus de Montería (Colombia). Correos electrónicos: mbenitezpacheco83@correo.unicordoba.edu.co, ybuelvasarrieta80@correo.unicordoba.edu.co y jtiradoespitia@correo.unicordoba.edu.co 
 
Resumen
En la industria automotriz, se emplean diferentes tipos de frenos y embragues los cuales se emplean en distintos campos. En el presente informe se propuso estudiar y analizar los embragues y frenos de tambor de expansión interna de una cargadora de rueda modelo LG916, determinando la presión máxima de la zapata, el par de torsión total y las reacciones resultantes en el pasador de la articulación, teniendo en cuenta las dimensiones de los embragues y frenos que se utilizan en este tipo de maquinaria pesada, creando un código en MATLAB. Se realizó el estudio por el método de análisis infinitos (FEM) a través del software Solidworks en el cual se puede apreciar el desplazamiento y la deformación unitaria que se genera en las condiciones presentadas. 
Palabras clave: embragues, frenos de tambor, zapata.
Abstract
In the automotive industry, different types of brakes and clutches are used in different fields. In this report we proposed to study and analyze the clutches and internal expansion drum brakes of a wheel loader model LG916, determining the maximum pressure of the shoe, the total torque and the resulting reactions in the joint pin, taking into account the dimensions of the clutches and brakes used in this type of heavy machinery, creating a code in MATLAB. The study was carried out by the method of infinite analysis (FEM) through the Solidworks software in which it is possible to appreciate the displacement and the unitary deformation that is generated in the presented conditions. 
Keywords: clutches, drum brakes, brake shoes.
Introducción
El embrague está diseñado para transmitir potencia intermitente a la unidad accionada. A diferencia de los acoplamientos ordinarios que mantienen una transmisión de potencia constante entre las unidades impulsora e impulsada, los embragues están diseñados para acoplarse y desacoplarse alternativamente. Cuando el embrague está acoplado, transmite toda la potencia de torsión a la unidad de accionamiento, y cuando el embrague está desacoplado, separa al conductor de la unidad accionada (R Keith, 2001). Mientras que los frenos permiten la disipación controlada de energía para disminuir o controlar la velocidad del sistema (Theoretically, 1911).
 Marco Teórico 
El embrague de tambor es el componente principal del sistema de transmisión del automóvil, juega un papel importante en la transmisión de potencia y es la causa de muchas vibraciones y ruidos en el automóvil. Se requiere una excelente precisión dimensional para mejorar la transmisión de potencia y reducir la vibración y el ruido (Kim et al., 2021).
El embrague de tambor de expansión interna se caracteriza por estar compuesto de tres elementos como lo son: las superficies de fricción que entraran en contacto, el medio de transmisión del par de torsión hacia y desde las superficies y por último el mecanismo de accionamiento (Budynas & Nisbett, 2020).
Los embragues de expansión interna, se emplean a menudo en maquinaria textil, excavadoras y máquinas de herramientas donde dicho mecanismo puede ubicarse dentro de la polea de impulsión. 
Figura 1. Embrague de expansión interna [Ver anexo 1] ; Tomada de (Budynas & Nisbett, 2020)
En la industria del automóvil, el sistema de frenos de tambor se utiliza en dos tipos de ruedas: de fundición y de radios. El tambor de freno, el panel de freno y el revestimiento del tambor de freno son componentes importantes del sistema de freno.
Los frenos son componentes de seguridad importantes. Los frenos de disco y los frenos de tambor funcionan según el mismo principio: fricción y calor. Cuando las ruedas experimentan resistencia o fricción, el sistema de frenos del vehículo hace que las ruedas disminuyan la velocidad y finalmente se detengan, durante este proceso se genera calor, lo que hace que los frenos se calienten (Singh et al., 2010). 
	
Componentes del freno de tambor 
Los componentes del freno de tambor están completamente encerrados dentro del conjunto del freno. Esto da como resultado temperaturas relativamente altas en comparación con un sistema de frenos de disco en las mismas condiciones de frenado. Los frenos de tambor solo funcionan si pueden absorber el calor generado por la energía cinética que se pierde cuando las ruedas se desaceleran. Una vez que los componentes del freno se saturan de calor, pierden su capacidad para detener el vehículo (Singh et al., 2010)
Figura 2. Componentes del freno de tambor [Ver Anexo 2]; Tomada de (Akebono, 2022)
Aplicaciones 
Los frenos de tambor se utilizan ampliamente como componentes de seguridad en la industria automotriz, desde vehículos livianos como automóviles hasta vehículos pesados ​​como camiones, autobuses y maquinaria pesada (Ramesh & Sundar, 2021).
1.1. Materiales y métodos
1.1.1. Selección de la maquinaria
Debido a las distintas aplicaciones en la que se puede utilizar los frenos y los embragues de expansión interna, se toma como referencia el ejercicio 16-1 del libro Diseño en ingeniería mecánica de Shigley de la undécima edición (Budynas & Nisbett, 2020; pág. 873) con condiciones de parametrización de un catálogo de freno de tambor (Ver anexo#) para este tipo de maquinaria (LG916 Cargadora de ruedas para maquinarias). 
1.1.2. Problemática 
La figura 3 muestra un freno de tambor interior con un diámetro interior de tambor de 635 mm y una dimensión R = 257 mm. Las zapatas tienen una anchura de cara de 178 mm y un par de torsión de 29,3 kN. m, el tambor gira en el sentido de las manecillas del reloj. El coeficiente medio de rozamiento es de 0,91.
(a) Encuentre la presión máxima en la zapata. 
(b) Estimar el par de torsión efectuado por cada zapata, y hallar el par de torsión total. 
(c) Calcule las reacciones resultantes de las articulaciones. (Ver Anexo 3)
Figura 3. Problema 16-1 
1.1.2.1. Cálculo de Momento de la zapata 
El cálculo de momento de las fuerzas de fricción y las fuerzas normales se realizó teniendo en cuenta los datos recopilados, utilizando las ecuaciones:
Momento de las fuerzas de fricción es:(16-2)
Momento , debido a las fuerzas normales, tenemos:
 
(16-3)
A partir de la figura 4 se realiza el cálculo de la distancia de la articulación la fuerza ejercida por el resorte, dada por la siguiente ecuación: 
La ecuación del par de torsión T que aplica la zapata de frenado al tambor, se utiliza para hallar la presión máxima en la zapata y está dada por la ecuación: 
(16-6)
1.1.2.2. Cálculo de la fuerza de accionamiento 
Se calcula la fuerza de accionamiento, la cual es capaz de equilibrar los momentos en el sentido de la manecilla del reloj, la está dada por la ecuación: 
(16-4)
A partir de la ecuación 16-7, para el caso de la rotación en sentido contrario al de las manecillas del reloj:
Este cálculo se realizó con el fin de determinar la máxima presión que puede experimentar la zapata dependiendo del sentido de rotación.
1.1.2.3. Cálculo de las reacciones de la articulación
Se realizó el diagrama de cuerpo libre, mostrado en la Figura 4 y se determinó el valor de las reacciones.
Figura 4. Diagrama de cuerpo libre zapata derecha [Ver Anexo 4]; Fuentes: autores 
A partir de la ecuación (16-8), procedemos a calcular las reacciones en el pasador de la articulación:
Para una rotación en el sentido de las manecillas del reloj, tenemos de la ecuación (16-9)
Luego se halla la resultante de la reacción 
De la zapata izquierda, para una rotación en sentido contrario al de las manecillasdel reloj. Tenemos de la ecuación (16-10)
Figura 5. D.C.L de la zapata izquierda [Ver Anexo 5]; Fuente: Autores.
Hallando las reacciones:
Luego la resultante de la reacción 
1.1.3. Análisis computacional
El análisis computacional se lleva a cabo por medio del programa CAD Solidworks 2020, donde se realiza el modelo 3D de la pieza, con las medidas del freno de tambor, S-CAM 20.25" CAST P-BRAKE, complementando los materiales que constituyen la estructura, como el acero, el hierro, los cuales constituyen gran variedad de la industria manufacturera.
Una vez realizado el modelo 3D, se le aplica el proceso de mallado o discretización como formalmente es llamado, para así proceder a realizar el análisis estático. En este caso la pieza fundamental para el estudio son la zapata y el forro de zapata, donde se le aplica un par de torsión que se encuentra ejecutado en la superficie del forro de la zapata, teniendo como soporte la zapata.
Finalmente, para complementar el cálculo de las variables se realiza un código de Matlab, tanto para el ejercicio 16 - 1, como el ejercicio aplicativo, en el cual se obtienen valores más precisos, debido a que usa todos los decimales brindados por el cálculo.
1.2. Resultados y discusión
Los resultados fueron obtenidos a partir de la metodología propuesta anteriormente: 
1.2.1. Paso 1. Cálculo de momento de la zapata 
El cálculo de los momentos de las fuerzas fricción y normales se realizó con las siguientes las ecuaciones (16-2) y (16-3), resolviéndose las integrales presentadas respectivamente: 
 
 
A partir de la Figura 4 se halla el calor de c 
Para encontrar la presión de la zapata máxima utilizamos la ecuación (16-6), debido que tenemos el valor del parte de torsión el cual se encuentra en sentido de las manecillas del reloj. 
	
1.2.2. Paso 2. Cálculo de la fuerza de accionamiento de la zapata derecha 
Se despejo de la ecuación (16-4) para hallar la fuerza de accionamiento 
De la ecuación (16-7), despejamos para hallar la presión máxima de la zapata izquierda 
R/ Se produce la máxima presión de 1343,9524 kPa en la zapata derecha, en el sentido de las manecillas del reloj.
Se calcula el torque de la zapata izquierda ya que no lo tenemos por medio de la ecuación (16-6)
Luego, el par de torsión total es:
1.2.3 Paso 3. Cálculo de las reacciones de la articulación 
La solución se realiza a través del diagrama de cuerpo libre de la Figura 7 
Utilizando la ecuación (16-8) hallamos A y B 
Para una rotación en el sentido de las manecillas del reloj, tenemos de la ecuación (16-9)
La resultante es:
De la zapata izquierda como se muestra en la figura 5, para una rotación en sentido contrario al de las manecillas del reloj. Tenemos de la ecuación (16-10)
La resultante es:
1.3. Análisis computacional 
Relacionando los resultados obtenidos con en el estudio analítico e implementación del método de elementos finitos, en el cual se determinó un par de torsión estipulado en el catálogo [ Ver anexo 11], aplicando dicha magnitud en la zapata y el forro del freno de la cargadora. Según el análisis estático, en las deformaciones unitarias y los desplazamientos, se acercan a los límites de fallo, debido que la torsión aplicada es la máxima que puede resistir el freno, sin mencionar que la estructura y diseño 3D no se encuentra totalmente semejante a la referencia real, debido a que las medidas y parámetros de la empresa fabricante son reservados por derechos de autoría. 
Aun así, se puede observar que el funcionamiento del freno es preciso y correcto, para trabajos como los que se requieren en la industria automotriz, tanto para autos livianos, como para la maquinaria pesada de la cual hacemos énfasis en el análisis computacional. 
	1.3.1. Diseño en 3D 
Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 6. Diseño en 3D de freno y embrague de tambor de expansión interna [Ver Anexo 6]; Fuente: Autores
1.3.2. Vista Explosionada 
Figura 7. Vista explosionada de freno y embrague de tambor de expansión interna [Ver Anexo 7]; Fuente: Autores
1.3.3. Desplazamiento 
Figura 8. Desplazamiento de la zapata [Ver Anexo 8]; Fuente: Autores
1.3.4. Deformación unitaria 
Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 9. Deformación unitaria en la zapata [Ver Anexo 9]; Fuente: Autores
1.3.5. Código de MATLAB 
Figura 10. Código de Matlab [Ver Anexo 10]; Fuente: Autores
Análisis y Conclusiones
Se puede concluir diciendo que la aplicación de estos tipos de frenos y embragues en el sector automotriz, juega un papel importante en la seguridad de los usuarios de vehículos livianos u operarios de maquinaria pesada, cuya labor requieren de precisión al momento de detenerse o disminuir la velocidad. El análisis de este componente del sistema de frenado de una máquina LG916 Cargadora de ruedas para maquinarias, en cuanto al trabajo diario que éstas realizan, es de vital para prevenir y reducir los accidentes laborales, en cuanto a un fallo en las zapatas de los frenos, esto, debido al desgaste del forro del freno a la deformación unitaria, desplazamiento que puede sufrir la zapata, por factores como la temperatura y la presión ejercidas por el freno al tambor del embrague.
Por medio del análisis realizado por SolidWorks Simulation, con las medidas de diseño de fabricación de los frenos y embragues para este tipo de vehículos podemos observar que el par de torsión generado en este componente llevaba al límite la zapata y el forro del freno.
Referencias citadas
Akebono. (2022). Drum Brakes｜Brakes for Automobiles｜Product｜Products and Technologies | Akebono Brake Industry Co., Ltd. https://www.akebono-brake.com/english/product_technology/product/automotive/drum/
Budynas, R. g., & Nisbett, J. K. (2020). Shigley ’ s Mechanical Engineering Design (Eleventh).
Kim, J. H., Ryu, J. C., Jang, W. S., Park, J. H., Moon, Y. H., & Ko, D. C. (2021). Design of multi-stage roll die forming process for drum clutch with artificial neural network. Materials, 14(1), 1–12. https://doi.org/10.3390/ma14010069
R Keith, M. (2001). Couplings. In Plant Engineer’s Handbook (pp. 1065, 1067–1080). https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-7328-0.50061-6
Ramesh, A., & Sundar, S. (2021). Contributions of various non-linearities to the dynamic response of an automotive drum brake during typical braking: A theoretical study. International Journal of Non-Linear Mechanics, 137(September), 103808. https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2021.103808
Singh, O. P., Mohan, S., Venkata Mangaraju, K., Jayamathy, M., & Babu, R. (2010). Thermal seizures in automotive drum brakes. Engineering Failure Analysis, 17(5), 1155–1172. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2010.02.001
Theoretically, H. (1911). Clutches anda Brakes. 866(1), 1–2. https://doi.org/10.1016/j.ccep.2013.05.009