Freno de retención de un actuador lineal Training

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Diseño y teoría

Como regla general, los actuadores lineales industriales no están diseñados para operar en reversa. Se dice que un husillo, un actuador o un sistema funcionan en reversa cuando la carga los mueve mientras no reciben alimentación.

Hay varias formas de evitar que un actuador lineal industrial funcione en reversa. Algunos actuadores tienen husillos de transmisión autobloqueantes. Los actuadores que usan husillos de bolas incorporan frenos de retención. El tipo de freno de retención más común es el freno de muelle enrollado.

Cómo se evita el retroceso de la carga

Para obtener más información acerca de cómo funciona un freno de muelle enrollado, siga leyendo. De lo contrario, puede avanzar al siguiente tema. (enlace)

Cómo funciona un freno de muelle enrollado

El principal componente de un freno de muelle enrollado es un embrague de muelle enrollado. En el nivel más básico, un embrague de muelle enrollado consiste de dos cubos y un muelle enrollado. El diámetro interior del muelle enrollado es ligeramente menor que el diámetro exterior de ambos cubos. Durante el montaje, el muelle se inserta a presión sobre los dos cubos.

Un diseño básico de un muelle enrollado

Rotar cualquiera de los cubos en la dirección para desenrollar o desenroscar el muelle enrollado permite que el cubo gire loco.

El movimiento que tiende a desenrollar el muelle desacopla los ejes

El giro del eje en la dirección que tiende a enrollar más el muelle hace que este se apriete contra los cubos y los acople firmemente. Cuanto mayor es la fuerza de rotación, más agarran el muelle los cubos.

El movimiento que tiende a enrollar o apretar el muelle acopla los ejes

Si uno de los cubos se mantiene fijo, este conjunto puede funcionar como freno. Sin embargo, frenaría en una dirección y patinaría en la otra. Para frenar en ambas direcciones, como en el caso de un freno de muelle enrollado, se requieren más componentes.

Freno de muelle enrollado del actuador

El freno de muelle enrollado del actuador consiste básicamente en 2 embragues de muelle enrollado. Los embragues comparten un cubo de entrada (en el centro) y 2 cubos de salida (a cada lado). El cubo de entrada se acopla al eje conducido por el motor, lo que hace que el actuador se extienda o retraiga (de color verde en la animación).

Vista de despiece del freno del actuador (simplificada)

Girar el conjunto del eje y el cubo de entrada (verde) en sentido horario hace que el muelle se enrolle de forma más ceñida alrededor del cubo de entrada y el cubo de salida derecho, lo que los bloquea. En cambio, el muelle del cubo derecho se desenrolla, lo que permite que patine.

Freno del actuador girado en sentido horario

Girar el conjunto del eje y el cubo de entrada (verde) en sentido antihorario hace que el cubo de entrada y el cubo de salida derecho engranen. En este caso, el cubo de salida izquierdo patina.

Freno del actuador girando en sentido antihorario

Motor que impulsa el actuador

Cuando el motor hace girar el conjunto del husillo y el cubo de entrada en sentido antihorario, el actuador se extiende. Cuando el actuador se extiende, la fuerza de expansión presiona el actuador contra el cubo izquierdo. Como mostramos antes, el cubo izquierdo es el que patina en esta dirección. Cuando el motor hace girar el husillo en sentido horario, el actuador se retrae y la fuerza de retracción empuja el actuador contra el cubo derecho, que es el que patina en esta dirección.

En la siguiente animación:

el tubo de extensión junto con la tuerca que contiene se representan con el cilindro azul;
la dirección de la fuerza externa (tensión o compresión) y la fuerza opuesta contra el cubo se muestran con flechas anaranjadas;
las flechas amarillas representan las fuerzas que traban los cubos y el muelle entre sí a causa del giro del husillo y el cubo de entrada.

Freno de muelle enrollado expandiéndose y contrayéndose

Retención de una carga

Para que este conjunto funcione como freno, se agrega material de fricción a los extremos de los cubos exteriores. Cuando la carga intenta comprimir el actuador, el cubo de salida izquierdo presiona contra el material de fricción, que lo frena. Del mismo modo, cuando una carga tira del actuador (tensión), el cubo de salida derecho presiona contra el material de fricción, que lo frena.

Al mismo tiempo, la carga de compresión o tensión aplicada al actuador tiende a hacer girar el husillo. Este intento de hacer girar el husillo traba el conjunto del eje y el cubo de entrada con uno de los cubos de salida. Cuando la carga intenta comprimir el actuador, el muelle enrollado traba el cubo de entrada con el cubo de salida izquierdo. Cuando una carga tira del actuador (tensión), el muelle enrollado traba el cubo de entrada con el cubo de salida derecho.

En la siguiente imagen:

las flechas rojas muestran la dirección en la que el husillo intentaría retroceder;
las flechas amarillas muestran los cubos y el muelle trabados entre sí cuando el conjunto del husillo y el cubo de entrada intentan girar en dirección opuesta.

Izquierda: freno por compresión Derecha: freno por tensión

Observe que el conjunto del cubo de entrada está trabado con el cubo de salida que, a su vez, se fuerza contra el material de fricción que lo frena y evita que gire. Esto ocurre tanto en situaciones de compresión como de tensión y evita que el conjunto del husillo y el cubo de entrada gire. Como el conjunto no puede girar, el tubo de extensión se mantiene en su posición.

Cargas motrices

Una carga motriz es aquella que actúa en el mismo sentido que avanza el actuador; es decir, una carga de compresión cuando el motor intenta retraer el actuador o una carga de tensión cuando el motor intenta expandir el actuador.

Esta situación es análoga a la situación en la que el motor mueve el actuador, con una diferencia: el cubo que presiona contra la superficie de fricción es el otro cubo de salida. Esto significa que es el cubo que gira el que frota contra el material de fricción (se muestra en rosa en la animación). En esta situación, el motor vence la fricción y expande o contrae el actuador. Sin embargo, esta situación produce un desgaste del material de fricción.

Actuador expandiéndose y retrayéndose con una carga motriz