EMBRAGUES Y CAMBIO DE MARCHA
DEFINICIONES
Embrague-acoplamiento, o simplemente embrague o clutch. Se usan en los motores diesel de la marina. Se llama acoplamiento al aparato usado para conectar dos ejes, de manera que los mismos actúen como uno solo.
Se llama embrague a un aparato usado para conectar y desconectar a voluntad una parte que transmite potencia (como una polea, un engranaje, etc,), a un eje, o desde un eje. Al embrague se le llama también Clutch.
Si dos ejes deben ser conectados o desconectados mientras están en funcionamiento, el aparato que se usará tiene las características de un acoplamiento y de un embrague y se lo denomina embrague-acoplamiento.
En la práctica tal aparato se designa simplemente con el nombre de embrague, como en el caso del motor y el eje accionado de un automóvil.
Mecanismo. Esta palabra tiene muchos significados, aun cuando se relaciona con el motor. Uno de ellos, usado a menudo, se refiere a una rueda dentada que engrana con una segunda rueda dentada similar y se usa para transmitir fuerza motriz.
Otro significado se refiere a un mecanismo auxiliar que realiza una función definida en el motor completo, como el mecanismo valvular de un motor de combustión interna.
Un tercer significado se refiere a una combinación de ruedas dentadas o engranajes usados como una unidad y que transmiten un torque, usualmente con un cambio de velocidad o de dirección de rotación, tal como el caso de un reductor o un cambio de marcha.
Un embrague-acoplamiento se usa en la Marina para la propulsión directa, con el propósito de desconectar el motor con relación al eje de la hélice cuando sea necesario.
En los motores pequeños, los embragues se combinan generalmente con mecanismos para la inversión de la marcha que se usan para las maniobras de las embarcaciones.
En los grandes motores se usan tipos especiales de embrague, para obtener acoplamientos especiales o características de control, y para prevenir las vibraciones torsionales.
Los tipos de embrague usados en los motores diesel navales son:
1) Por fricción.
2) Embragues neumáticos.
3) Hidráulicos.
4) Electromagnéticos.
EMBRAGUE POR FRICCION
Los embragues por fricción se usan comúnmente en motores pequeños de alta velocidad de hasta 500 H.P.
No obstante lo expuesto, ciertos embragues por fricción, en combinación con acoplamientos dentados o de uñas centrífugas, se usan en motores hasta de 1.400 H.P.; y embragues neumáticos con una superficie de fricción cilíndrica en motores hasta 2. 000 H. P.
Acción. En los embragues por fricción. usados en los motores diesel navales, el torque se transmite desde el eje impulsor al eje accionado a través de la fricción creada por fuerza axial que produce contacto entre dos o más superficies.
Las superficies de fricción pueden ser planas, fig. 16-1 (a), o cónicas, fig, 16-1 (b).
En este caso, todos los discos se hacen de manera que los mismos puedan deslizarse axialmente, pero un disco en cada par rota con un eje y el otro con la caja que está asegurada al otro eje.
Con el mismo esfuerzo axial, el torque transmitido por un embrague de discos múltiples es directamente proporcíonal al número de pares de superficies de fricción.
De la misma manera los embragues cónicos se hacen a menudo con dos conos, como en la fig. 16-3, duplicando así su capacidad.
Finalmente, hay embragues en uso que tienen ambas superficies de fricción cónicas y por discos en una misma caja.
Los embragues por fricción pueden clasificarse en dos tipos: Seco y Húmedo, dependiendo de si las superficies de fricción trabajan en seco o con un lubricante .
Ambos tipos son similares en diseño, excepto que los embragues húmedos requieren un área de fricción mayor, pues el coeficiente de fricción se reduce entre superficies lubricadas.
Las ventajas de los embragues húmedos son:
1) Tienen un funcionamiento más suave.
2) Tienen menos desgaste entre las superficies de fricción.
Supcrficies de fricción.
La superficies de fricción se hacen usualmente con diferentes materiales, siendo una de de hierro fundido o acero; mientras que la otra está revestida con una composición de asbestos, hierro calcinado o bronce en el caso de los embragues secos; y para los embragues húmedos se usa el bronce, el hierro fundido o el acero.
Se prefieren las superficies de fricción de hierro fundido porque tienen mejores cualidades de cojinete y mayor resistencia a las rayaduras y al desgaste.
EMBRAGUES NEUMÁTICOS
Pueden ser :
- Operados por presión de aire
- Operados por vacío
En la fig. 16-4 podemos apreciar un tipo de embrague neumático o embrague operado por aire.
El disco flotante del centro y el disco final son de hierro fundido, y van acoplados mediante estrías al núcleo que va acuñado al eje de la hélice.
El cilindro de aire es parte del platillo final y el pistón se asegura al núcleo del clutch. Cuando la presión de aire se desahoga, cuatro resortes cilíndricos separan el disco final con respecto al disco de fricción. La presión de aire es de 80 a 90 lbs./plg.2 y se obtiene mediante un compresor accionado por el motor o un compresor de accionamiento independiente. Este aire se admite desde el eje hueco mediante un orificio agujereado en el mismo.
En este tipo de embrague es importante mantener una presión de aire constante y segura. Un fallo parcial del suministro de aire puede causar que el embrague resbale y se sobrecaliente, produciendo una avería.
Otro tipo de embrague neumático consiste de un neumático semejante a un anillo de goma, cuyo exterior va acoplado a una llanta de impulsión y el interior lleva fijada una guarnición para la fricción. En la. fig. 16-5 el motor lleva el tambor cilíndrico, que no se muestra en el dibujo. Cuando el aire comprimido se admite dentro de la cámara de goma, la superficie de fricción se presiona contra el tambor y de este modo embraga el clutch.
En los clutches de embrague directo por aceite o por aire comprimido acabados de mencionar, no es necesario efectuar compensación por desgaste y la fuerza de embrague no se cambia con el desgaste.
2-Embragues operados por vacío. Los embragues operados por vacío son clutches mecánicos que tienen una conexión externa operada por pistón y cilindro a vacío. El vacío puede ser suministrado
por una bomba de vacío separada.
Las principales ventajas de los controles hidráulicos, neumáticos o a vacío, en los embragues por fricción, son que ellos pueden operarse con un mínimo de esfuerzo manual y que lo simplifica grandemente el control remoto.
Los clutches pueden ser también operados por control remoto, controlado por medio de un mecanismo de palancas adecuado, pero tal control es difícil porque hay un aumento en el esfuerzo requerido para el desplazamiento debido a la fricción en el sistema de palancas, o por la complicación de las articulaciones en las palancas externas.
EMBRAGUES HIDRÁULICOS
En el impulsor y en el satélite se montan un núcleo anular y anillos guías de sección semicircular,para dirigir el fluido de trabajo.
El impulsor o miembro accionador está asegurado al eje de impulsión. El satélite o miembro accionado se asegura al eje impulsado. Al satélite se le asegura una envolvente para encerrar la parte de atrás del impulsor y retener el flúido de trabajo.
En el impulsor y en el satélite se montan un núcleo anular y anillos guías de sección semicircu1ar, para dirigir el flúido de trabajo.
El impulsor y el satélite se proveen de una series de paletas radiales, como se muestra en la parte superior de la figura 16-6.
El fluido de trabajo, es un aceite mineral de 180 a 200 S.S.U. de viscosidad, se admite al impulsor o rueda primaria desde una bomba externa. La rotación del impulsor hace que el flúido sea arrojado hacia afuera radialmente por la fuerza centrífuga hasta la llanta exterior, desde donde pasa radialmente hacia adentro. El paso del flujo del fluído se parece a un resorte en espiral, doblado en forma de círculo.
La transmisión de la fuerza se efectúa por la entrega de la energía cinética en el impulsor,adquirida cuando el aceite fluye contra la llanta.
Cuando el fluido fluye radialmente hacia adentro entre las paletas del satélite o rueda secundaria, la energía cinética se transforma, se convierte en trabajo y hace girar el satélite y su eje.
El desembrague rápido puede efectuarse abriendo la válvula de anillo (1) la cual cubre una serie de lumbreras en la cubierta del satélite.
Esto permite que el fluido contenido en el embrague sea arrojado hacia afuera por la fuerza centrífuga.
Las principales ventajas de los embragues o acoplamientos hidráulicos son:
1) Pueden usarse en motores de cualquier potencia.
2 ) Evitan la transmisión de vibración de torsión entre el motor y el eje de la hélice.
3) Protegen el motor y el reductor de los choques súbitos originados por las cargas que pueden ocurrir, ya como resultado de engrane del pistón o por los problemas en la hélice,
4) Se simplifica la alineación debido a que los huelgos entre los miembros en rotación son relativamente grandes.
EMBRAGUES ELECTROMAGNÉTICOS
Se llama clutch de resbalamiento, debido a que siempre existe algún resbalamiento entre los miembros accionado y accionador.
Un entrehierro de amplia magnitud separa las dos partes del acoplamiento, las cuales ajustan entre sí en forma concéntrica.
La corriente continua o directa de excitación se introduce en el campo a través de unos anillos colectores y escobillas. Esto forma un flujo magnético, el cual arrastra el miembro interior y con él al eje accionado en una posición prácticamente constante con relación al motor primario.
Las ventajas de un embrague magnético son similares a las expuestas para los embragues hidráulicos.
Además, mediante el ajuste de la corriente de excitación, se puede obtener un control muy fino de la velocidad del eje accionado, y el eje portahélice puede hacerse operar a velocidades muy bajas, como es necesario en las maniobras.
La eficiencia de los acoplamientos magnéticos, incluyendo la potencia requerida para la excitación,varía desde 95 hasta 98 %.
La potencia requerida para la excitación es de alrededor d el 1% de la fuerza transmitida.
El control remoto de los embragues magnéticos es particularmente simple, independientemente de la distancia, pues sólo se necesitan alambres de poco calibre para las conexiones .
REDUCTORES
Los motores diesel deben tener una velocidad relativamente alta para obtener un mínimo de peso y tamaño para obtener una potencia dada. Por otra parte, las hélices deben rotar a una velocidad relativamente baja, para obtener un máximo de eficiencia, particularmente donde se desea un elevado empuje, como en los remolcadores.
Los reductores se emplean para establecer una correlación entre estos dos requerimientos en conflicto, y de este modo obtener una baja velocidad en el eje portahélice con una alta velocidad en el motor.
Comúnmente el grado de reducción no excede 3:1, aunque algunas veces se emplean reducciones hasta de 6:l. ·
Los reductores se clasifican de acuerdo con el tipo y disposición de los engranajes usados. Ellos pueden ser:
1) del tipo de engranajes exteriores
2) del tipo de engranajes interiores
3) del tipo de engranajes planetarios
El término piñón se aplica al menor de un par de engranajes que engranan, siendo el mayor la rueda dentada o engranaje, independientemente de cuál de los dos es el accionador y cuál el accionado.
La unidad del tipo de engranajes exteriores, figura 16-,8 (a), consiste de una rueda dentada prineipal o engranaje accionado, la cual engrana con un piñón montado en un eje paralelo.
Se usan de dientes rectos,engranajes helicoidales o Herringbone.
Los dientes helicoidales engranan más suavemente, en un momento hay más dientes engranados y el funcionamiento es más silencioso, comparados con los dientes de corte recto.
Se llama retroceso a un empuje axial desarrollado por la inclinación de los dientes. Con los engranajes Herringbone, que son iguales que un par de engranajes helicoidales de hélices a ángulos opuestos colocaclos uno al lado del otro,se retienen todas las ventajas de los engranajes helicoidales y la forma en V de los dientes elimina el movimiento axial y el empuje.
En general, el grado de velocidad se determina dividiendo el número de dientes en el engrane accionado por el número de dientes en el engranaje accionador.
Si el número de dientes en el engranaje accionador es menor que en el engranaje accionado, el cociente será mayor que uno y el resultado será una reducción de velocidad.
Si el número de dientes en el accionador es mayor que en el engranaje accionado, el cociente será menor que la unidad y el resultado será un aumento de velocidad , como se encuentra a menudo en los accionadores de las bombas centrífugas'.
La unidad del tipo de engranajes internos consiste de un piñón que engrana con un engranaje que tiene los dientes en la superficie cilíndrica interior. Esta rueda dentada interiormente va montada en un eje paralelo al eje del piñón, figura 16-8 ( b).
Se usan indistintamente dientes de corte recto o helicoidal.
Este tipo de reductor requiere una menor excentricidad de la línea de centros del eje de la hélice con relación a la del eje accionador, en comparación con las unidades reductoras que usan engranajes externos y que sean del mismo grado.
Además, ambos ejes rotan en la misma dirección, mientras que en los reductores con engranajes externos los ejes giran en direcciones opuestas, como puede verse en la fig. 16-8 (a).
Sin embargo, su diseño requiere usualmente un piñón accionador frontal, esto es, uno que está soportado en un solo lado mediante un cojinete, permitiendo con ello mayor deflexión en el eje cuando hay carga y dando por resultado un movimiento mas ruidoso y más desgaste.
Estos reductores se instalan usualmente en los motores de potencia relativamente baja.
Un tipo de engranaje reductor planetario consiste de un engranaje accionador o impulsor (1), fig. 16-9, el cual engrana con tres piñones satelitales indénticos (2) ; éstos a su vez engranan con la mitad de cada uno de los piñones satélites largos ( 3), cuyas otras mitades están engranadas con el engranaje accionado o de salida ( 4).
La reducción de velocidad es igual a la relación entre el número de dientes en el engranaje (4) y el número de dientes en el engranaje (1); el número de dientes en los piñones satélites no tiene ninguna influencia.
Como puede verse, el engranaje de salida o accionado rota en dirección opuesta a la del engranaje de entrada o accionador.
Se usa el nombre planetario porque, como fueron aplicados en un principio, una combinación similar de engranajes y piñones satélites rotaba en forma semejante, al movimiento de los planetas.
El eje de entrada y el eje de salida están en la misma línea de centro, lo cual permite una unidad muy compacta para un grado de reducción especificado.
Sin embargo, las ,desventajas de este tipo de reductor son:
1) Una construcción muy complicada.
2) Un aumento en el número de partes en funcionamiento.
3) El aumento resultante en pérdidas por fricción.
La lubricación de los engranajes reductores es por salpicado en las unidades pequeñas y por aceite a presión obtenido de una bomba, construida integralmente, en los motores grandes.
El enfriamiento del aceite lubricante puede obtenerse ya sea mediante una camisa de agua en la envuelta de los engranajes, o por medio de un enfriador de aceite, o con ambos sistemas.
CAMBIOS DE MARCHA
Los mecanismos de reversión se usan en los motores diesel marinos para invertir la dirección de rotación del eje portahélice.
Ellos se usan principalmente en motores relativamente pequeños, usualmente aquellos que no pasan de 500 a 750 H.P. Si un motor diesel de gran potencia tiene un cambio de marcha, éste se usa solamente durante el funcionamiento a baja velocidad, y no tiene capacidad para plena carga y máxima velocidad.
Para maniobrar las embarcaciones con motores grandes de propulsión directa, las propias máquinas invierten la rotación de eje por medio de:
1)Cambio de marcha selectivo.
2)Cambio de marcha planetario.
1)Cambio de marcha selectivo.
Un cambio de marcha tipo selectivo consiste de dos transmisiones separadas pero similares, las cuales pueden ser alternativamente accionadas por el eje del motor embragando uno de los dos clutches de fricción.
La transmisión de marcha adelante consiste de un eje hueco exterior, fig. 16-10 con un disco de
emnbrague h el cual puede ser embragado con el eje del motor.
La fuerza motriz en este caso se transmite al eje de la hélice a través de los engranajes 1 y 2, y el eje porta-hélice rota en dirección opuesta al eje del motor.
Cuando el eje del motor se desembraga del clutch h y embraga a través del clutch 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, rota en la misma dirección que el eje del motor, pero en dirección opuesta a aquella en que rotaba en el primer caso, y la transmisión de marcha adelante ahora
viene a ser la transmisión marcha atrás.
Este mecanismo de inversión de marcha es generalmente usado también como reductor haciendo un número de dientes mayor en el engranaje 2 que en el engranaje 1, y también en los engranajes 5 y 3, respectivamente.
El número de dientes en el engranaje satélite 4 no tiene influencia en el grado de velocidad.
En la fig 16-11 puede verse un ejemplo de tal combinación de mecanismo de inversión de marcha con reductor.
El disco flotante se muestra en su posición neutral, posición desembragada. Cuando el collarín deslizante se mueve a la derecha, hacia el motor, la palanca con los terminales en forma de V invertida fijará el disco neutral contra la tapa del clutch y embragará el disco de fricción de marcha adelante asegurado al eje hueco. Entonces el eje de la hélice comenzará a girar en la dirección
de marcha adelante.
Cuando el collarín deslizante se mueve hacia el lugar contrario al motor, actúa en el otro extremo de la palanca en V empujando el disco flotante contra el disco de fricción de marcha atrás embragando el eje sólido interior y de ese modo le da al eje de la hélice una rotación de marcha atrás.
El compartimiento del embrague de este mecanismo opera en seco y el reductor tiene un pozo de aceite lubricante, que lo lleva en su misma envuelta y de ese modo los engranajes y cojinetes se lubrican por salpicado.
Caja inversora simple.
2) Cambio de marcha planetario.
Un cambio de marcha planetario consiste de : una caja con un reductor planetario en ella, según se muestra en la fig. 16-9, un embrague para conectar los ejes de impulsión e impulsado directamente durante la transmisión adelante, y un freno mediante el cual puede pararse la rotación de la caja de embrague después de desembragar el clutch.
Con la caja de engranajes sin moverse, el eje de hélice comenzará a rotar en la dirección opuesta, como se muestra en la fig. 16-9.
En la fig. 16-12 se muestra un cambio de marcha planetario típico en la posición de marcha adelante . Para obtener el accionamiento adelante, el motor, o el eje de impulsión, se embraga con el eje impulsado moviendo el collarín deslizante hacia la derecha, alejándolo de la parte de la unidad correspondiente al extremo del motor.
Puesto que los discos 13 de este embrague, que van alternados con los discos 11, a su vez lo están a la caja de los engranajes, el embrague de estos discos aprieta la caja de engranajes y estos discos aprietan la caja de engranajes y la jaula de engranajes 4 con el eje de la hélice.
Simultáneamente el cono del clutch y su superficie plana se embragan por la misma acción de la palanca acodada. Según el cono 5 se engrana al engranaje del eje de impulsión, la jaula de engranaje 4, la cual contiene los ejes de los piñones satélites, se fija de ese modo con el eje de impulsión, transmitiendo la fuerza motriz de éste al eje de la hélice.
En marcha atrás, los embragues por discos y por cono de fricción se desembragan. La banda del freno para la reversión se cierra alrededor de la caja de engranajes, evitándole que rote.
Entonces, el engranaje del eje de impulsión acciona los tres piñones cortos (7).
Los piñones cortos accionan los piñones largos (no están mostrados), los que a su vez mueven el engranaje del eje impulsado, o eje de la hélice.
De este modo, la impulsión del eje de entrada al de salida a través de los piñones satélites recibe una inversión de su rotación.
En neutral, los embragues de discos y cono y la banda de freno están desembragados, dando una rotación libre de la jaula de engranajes y de los piñones.
Los embragues de fricción son del tipo húmedo y funcionan en aceite, el cual lubrica también todos los dientes de los engranajes y los cojinetes.
CAJA INVERSORA DE DE DOBLE EMBRAGUE
La inversión en la dirección de giro se logra mediante un mecanismo de doble embrague (en la mayoría de los modelos) que permiten elegir entre dos ejes que giran en sentidos contrarios. Diferentes fabricantes ofrecen diferentes soluciones, pero el esquema propuesto en la figura explica el funcionamiento de la gran mayoría de ellos.
En el acoplamiento a la salida del motor (1), la conexión se establece a través de un disco con acoples de goma que favorece la suavidad entre la salida del motor y la entrada a la inversora. Los engranajes (1) y (5) giran siempre en sentidos opuestos y por tanto así lo hacen también los ejes internos (2) y (6) de los dos embragues de Avante y Atrás.
En el sentido de “Avante”, la transmisión se establece (en flechas azules) a través del embrague de avante (2). En Avante es el embrague (2) el que trabaja transmitiendo la potencia a través de la parte exterior del embrague a la corona (3) que mueve el engranaje (4), que a su vez hace girar el engranaje de salida (5) en dirección de Avante al eje de la hélice (8).
En esta situación, aunque la parte interna del embrague de "Atrás" gira movido por el eje interno de marcha atrás no transmite el movimiento a la parte exterior de este embrague. Cuando hay que meter la marcha atrás, simplemente bastará con cambiar el estado de estos dos embragues, pasando la potencia de (1) a (5) y por tanto hasta el embrague de Atrás (6) que trasmitirá el movimiento a (7) por su corona exterior y este a su vez al engranaje de salida (5) pero que esta vez girará en sentido contrario.
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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
