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.

Hasta aquí la primera parte de nuestro especial de embragues, pronto iremos publicando nuevas entregas. Para leer los demás artículos publicados de este especial podéis consultar el índice de Materiales de fricción empleados en los discos de embrague.

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