3. Requerimientos de los materiales de fricción para discos de embrague.

El proceso de transmisión de par en los embragues de fricción está controlado en gran medida por las cualidades del material de fricción en el disco de embrague y que roza con el volante motor y el disco de presión. Las principales características del comportamiento tribológico de los materiales en contacto deben ser:

• Ambos materiales en contacto deben tener un alto coeficiente de fricción. Un elevado valor de este parámetro permite minimizar la presión necesaria para conseguir la transmisión de par.

• Los materiales en contacto deben resistir los efectos de desgaste, punzonamiento, ablación y formación de microsoldaduras.

• El valor del coeficiente de fricción debe ser constante sobre un rango de temperaturas y presiones adecuado.

• Los materiales deben ser resistentes a las condiciones atmosféricas y ambientales (humedad, presión, contaminación, partículas de polvo…).

• Los materiales deben poseer buenas propiedades térmicas: alta conductividad térmica, baja inercia térmica y adecuada resistencia a las altas temperaturas.

• Capacidad para soportar elevadas presiones de contacto.

• Buena resistencia a esfuerzos cortantes transmitidos por la fricción de los elementos.

• Materiales de fabricación y uso seguros, y aceptables para el medio ambiente (algo que cada vez cobra más importancia).

• Debe tener una vida útil de hasta cientos de miles de kilómetros.

Por tanto, se infiere que el embrague es un sistema que debe ser capaz de transmitir pares que en ocasiones pueden ser muy grandes, y hacerlo de modo adecuado bajo condiciones muy adversas, cumpliendo además severos requisitos.

4. Materiales de fricción.

El presente punto se centra en describir la evolución histórica de los materiales de fricción utilizados en los embragues de automoción, así como los materiales actuales disponibles. Por último, centrándose más en la competición, se indican los materiales adecuados en función del tipo de vehículo y disciplina.

Figura 18. Materiales de fricción.

4.1. Evolución histórica.

El cuero constituyó, durante muchos años y desde el inicio de la automoción, el material de rozamiento más empleado, pero tenía el problema de un calentamiento rápido y su gran sensibilidad al aceite y a la humedad, por lo que nunca garantizaba un funcionamiento constante.

Figura 19. Primeros embragues de cuero.

Hacia 1920, la fabricación y difusión de los forros de embrague de aglomerado de amianto permitió obtener elevados coeficientes de rozamiento (de más de 0.3) y alcanzar elevadas temperaturas sin perjuicio para los propios forros, lo que permitió el éxito definitivo de un tipo de embrague que había sido introducido ya a principios de siglo por De Dion Bouton.

El éxito del embrague monodisco en seco se debió, en gran parte, a la empresa británica Ferodo, que anteriormente había construido forros de rozamiento a base de conglomerado de amianto y cobre para el frenado. Dicho material demostró su capacidad de resistencia a elevadas temperaturas y presiones, necesarias para un embrague monodisco. No obstante, pronto surgieron dudas acerca de la idoneidad de este material. Ya en 1907, Murray había denunciado el primer caso de asbestosis, fibrosis pulmonar o neumoconiosis producida por el amianto, y en 1931 se reconocieron a nivel médico las cualidades carcinógenas de las fibras microscópicas respirables que se producen cuando éste entra en fricción.

Figura 20. Fibras microscópicas de amianto. Muy nocivas al ser inhaladas.

Los primeros discos de embrague eran sencillos, consistiendo básicamente en una sección de cono que mantenía su posición gracias a un muelle, adecuadamente tarado, y sobre los que se atornillaba el forro de cuero y, posteriormente, de aglomerado de amianto, como se observa en la figura 19.

No obstante, este embrague monodisco en seco no resultó satisfactorio hasta pasados los años 30 debido a la aparición de una serie de inconvenientes. El principal problema, además de una reducida vida útil de la unión del forro al disco, residía en que el contacto en el disco no era completamente plano, puesto que era suficiente un pequeño juego en el árbol acanalado o en el sistema de palancas para tener un contacto parcial, teniendo en cuenta, además, que si se utilizaban varios muelles, la carga de los mismos no era lo suficientemente uniforme, el embrague vibraba y la unión se producía a golpes.

Pata evitar este inconveniente se rediseñó el disco para hacer éste plano (similar a los actuales), y se desarrolló el disco de «acero armónico», con la circunferencia exterior ondulada, de manera que constituía una especie de muelle entre dos forros rozantes. Cuando el disco era apretado entre el volante y el plato de presión, ambos forros eran aplastados progresivamente, con lo que se compensaban los efectos de falta de paralelismo.

Sin embargo los problemas de desalineamiento seguían sin solucionarse por completo, y hacia los años 60 se produjo un claro avance con el empleo de muelles de diafragma en lugar de los cotidianos muelles helicoidales. El funcionamiento, como se ha explicado con detenimiento en puntos anteriores, es similar al de los muelles helicoidales.

Los materiales de fricción utilizados a partir de los 60 y hasta la actualidad son los llamados de tipo «orgánico», y que se describirán en el siguiente punto.

4.2. Materiales actuales.

En la actualidad se dispone de un amplio rango de materiales de fricción disponibles en función de las necesidades específicas del vehículo por potencia y uso.

En cuanto a las partes estructurales del embrague, incluido el volante motor y el plato de presión sobre el que fricciona el material del disco de embrague, se utiliza fundición de hierro, aluminio (volante) o acero convencionalmente, y aleaciones especiales de acero, titanio o carbono (carcasa) en la alta competición.

Se detallan a continuación los materiales disponibles y sus características principales. En cada uno de ellos se incluye información técnica de una variante concreta, a modo de ejemplo, dentro del catálogo de productos de la empresa Protec. Friction Supply.

Posteriormente, se realizará un análisis del material de fricción más adecuado para usos concretos dentro y fuera de la competición.

4.2.1. Orgánicos.

Fibras de metal entre tejido compactado de aramida (poliamida aromática, con estructura química perfectamente regular cuyos anillos aromáticos dan como resultado las moléculas del polímero con las propiedades de una cadena razonablemente rígida, estable mecánicamente y muy tenaz) o fibra de vidrio y aglutinado mediante resinas poliméricas. De accionamiento suave y progresivo, larga vida útil, amplio rango de temperaturas de trabajo y período de desgaste inicial casi nulo.

Todo material de fricción, como puede observarse en la figura 21., presenta en su ciclo de vida un período inicial de funcionamiento diferente con respecto a su funcionamiento normal, en el que el desgaste generado, así como las temperaturas alcanzadas, son mayores y, por lo tanto, la presión aplicada debe disminuirse.

Que dicho período inicial sea mínimo es determinante de la calidad e idoneidad del producto.

Figura 21. Ciclo de vida del material de fricción.

Los forros con este material soportan usos intensos, si bien son intolerantes al uso abusivo repetido (sobrecalentamiento). Retornan a condiciones óptimas de funcionamiento tras sufrir sobrecalentamiento. El material es de color marrón oscuro o negro, con las fibras de metal visibles. El metal empleado es cobre o latón.

Figura 22. Coeficiente de fricción de material orgánico.

Figura 23. Material orgánico. Las fibras metálicas son visibles.

Tabla 1. Propiedades de material orgánico Thermofiber 2020 (Protec).

4.2.2. Kevlar.

El kevlar (poliparafenileno tereftalamida) es una amida sinterizada por la empresa DuPont. Las fibras de este compuesto presentan altas prestaciones mecánicas por la orientación perfecta de las moléculas del polímero, destacando principalmente su resistencia a tracción y a cizalladura.

Figura 24. Polímero kevlar.

Material de elevada duración, más resistente al uso intenso. Sus cualidades con uso moderado son similares a las de materiales orgánicos, si bien presenta ligera facilidad a esmaltarse en tráfico con paradas continuas, resultando en un deslizamiento hasta un nuevo uso intenso. Rango de temperaturas superior en general, aunque puede destruirse por sobrecalentamiento (no presenta capacidad de retorno a las características originales). Presenta un período de funcionamiento irregular inicial, período de «rodaje», de en torno a 1000 km, pudiendo producirse deslizamientos. Durante este período se ha de profesar un cuidado especial para evitar sobrecalentamientos producidos por un deslizamiento excesivo. El material es de color homogéneo amarillo/verde.

Figura 25. Coeficiente de fricción kevlar.

Figura 26. Forro de embrague de kevlar.

Tabla 2. Propiedades del Kevlar, Thermofiber 1600 (Protec).

4.2.3. Kevlar segmentado.

Es el mismo material anteriormente descrito, pero segmentado (bloques o secciones del forro vacías) para mejor disipación del calor. Presenta menor tendencia a esmaltado y es una excelente elección para sistemas de funcionamiento progresivo en vehículos de alta potencia o equipados con transmisiones de tipo secuencial.

4.2.4. Híbridos carbono/cerámico/orgánico.

Material orgánico (descrito en el punto 4.2.1.) en una cara y material de carbono o cerámico segmentado en la otra del disco de embrague. La idea es que la cara con material orgánico permita suavizar el proceso inicial de actuación, reduciendo las vibraciones torsionales generadas sobre la cara segmentada, si bien no se consigue una reducción total de las vibraciones. La temperatura y rango de potencias es idéntica al de materiales orgánicos (por el principio de la cadena: cualquier cadena es tan resistente como su eslabón más débil). La cara de material de carbono/cerámico contacta con el volante motor o el plato de presión más rápido y se desacoplará antes en situaciones de tráfico, siendo en el primer caso el material carbono/cerámico el que actuará en situaciones de gran demanda, y permitiéndose en el segundo caso un desacople más progresivo.

No obstante, a efectos prácticos, el diseño «híbrido» parece más un truco de marketing que una mejora real de comportamiento o rendimiento. Algunos discos presentan diseños pobres y funcionan inadecuadamente debido a flexiones producidas por los esfuerzos asimétricos generados.

4.2.5. Carbocerámicos.

Usualmente encontrados en sistemas multidisco, donde se producen elevados deslizamientos, son capaces de soportar temperaturas muy elevadas. Soportan potencias por encima de los 500 caballos. La conexión es más abrupta y, además, erosionan el material del volante motor y disco de presión más rápidamente.

El carbono, formando fibras obtenidas por termólisis de fibras de poliacrilato, presenta una durabilidad ligeramente mayor, menor peso y menor capacidad de erosión, mientras que el material cerámico soporta temperaturas mayores y presenta mayor rigidez. Ambos pueden encontrarse por separado formando las pastillas de embrague, de carbono o cerámicos, aunque la tendencia actual es a combinarlos formando el tipo de material aquí expuesto.

El diseño multi-disco puede resultar en un comportamiento ligeramente vibratorio en el embragado.

El rango de colores, abarca matices claros como el gris, rosa o marrón.

Figura 27. Coeficiente de fricción material carbocerámico.

Figura 28. Forros de material carbocerámico.

Tabla 3. Propiedades de material carbocerámico Thermofiber 1800 (Protec).

4.2.6. Metal sinterizado.

Capaces de soportar temperaturas extremadamente altas, y potencias por encima de los 700 caballos. El funcionamiento es digital, on/off.

Requiere material especial en la superficie del volante motor.

El color es marrón o negro, en función del metal utilizado. Los dos más usuales son el latón, y principalmente el hierro.

Los segmentos del forro se fabrican mediante sinterización, es decir, compresión en prensa, de polvo del metal en el interior de un molde con la forma adecuada, y el posterior tratamiento en horno de la pieza generada. Es usual añadir al polvo de metal polvo de zinc, latón (en el caso de segmentos de acero) o polvos cerámicos (materiales cerametálicos) para mejorar la conductividad térmica y la resistencia a abrasión.

Los embragues de metal sinterizado y, particularmente, los carbocerámicos, se diseñaron para aplicaciones donde la calidad del desembragado y la comodidad son aspectos secundarios frente a la capacidad de transmisión de par. Su funcionamiento extremadamente abrupto puede dañar, además, otros componentes de la transmisión, incluyendo rodamientos y juntas.

Figura 29. Coeficiente de fricción metal sinterizado. Latón con polvos cerámicos.

Figura 30. Segmento de latón sinterizado con polvos cerámicos.

Tabla 4. Características del latón sinterizado, Thermotech 150 (Protec).

Las gráficas mostradas en las figuras 22., 25., 27. y 29., que muestran el comportamiento del coeficiente de fricción en seco (la caracterización en húmedo, que se puede encontrar también para la mayoría de los materiales arriba expuestos, refiere al uso de aceites en las caras de fricción con fines de limpieza de impurezas y refrigeración, pero no son objeto del presente trabajo), permiten comprobar las particularidades de cada uno de ellos.

En general, todos presentan comportamientos muy lineales para su rango de temperatura útil, salvo, en todo caso, el kevlar y los metales sinterizados, que muestran menor valor de fricción para el rango inferior de temperaturas de trabajo.

El material con un comportamiento más constante es el de tipo orgánico, si bien su valor de coeficiente de fricción es el más moderado y las temperaturas máximas que puede llegar a alcanzar son muy limitadas, del orden de los 250 ºC.

Los materiales capaces de soportar mayores temperaturas son los metales sinterizados y los carbocerámicos, seguidos muy de cerca por el kevlar. Este último es el que presenta, por otra parte, mayores coeficientes de fricción.

Se determina cómo, con respecto a los materiales de fricción empleados tan solo hace 30 años, los actuales presentan coeficientes de fricción que pueden ser del doble, temperaturas máximas 300 ºC superiores y durabilidades que multiplican por 3 las de antaño.

Por último, y con fines a servir como consulta en caso necesario, la siguiente tabla muestra los valores de coeficiente de fricción (húmedo y seco), temperatura máxima y presión máxima en la fricción combinada entre materiales típicos de los discos de embrague y volante motor-disco de presión.

Tabla 5. Coeficientes de fricción, temperatura y presión máxima. Materiales combinados.

Esta ha sido la cuarta parte de nuestro especial de embragues. Para leer los demás artículos publicados de este especial podéis consultar el índice de Materiales de fricción empleados en los discos de embrague.

Otros artículos que te pueden interesar:

Jugando con el V8

Light, la última tendencia

La importancia de los motores en la F1