TRANSMISIONES POR BANDAS Y CADENAS30

Las bandas y las cadenas son los tipos principales de elementos flexibles de transmisin de potencia. Las bandas trabajan con poleas, mientras que las cadenas trabajan con ruedas dentadas llamadas catarina.

Fig 4-1.

Un motor elctrico produce la potencia rotatoria, pero en el caso tpico, los motores funcionan con una velocidad demasiado grande, y entregan un par torsional muy pequeo para que se adapten a la aplicacin final de accionamiento. Recuerde que para determinada transmisin de potencia, el par torsional aumenta en proporcin con la que se reduce la velocidad de rotacin. La alta velocidad del motor hace que las transmisiones por bandas sean ideales para la primera etapa de reduccin. Al eje del motor se le fija una polea pequea, mientras que se monta una polea de mayor dimetro en un eje paralelo que funciona a la velocidad menor correspondiente. Las poleas con bandas tambin son llamadas acanaladas.

Si la transmisin requiere relaciones de reduccin muy grandes, son preferibles los reductores de engranes, porque fsicamente pueden hacer grandes reducciones en un espacio bastante pequeo.

En general, se aplican las transmisiones por bandas cuando las velocidades de rotacin son relativamente altas, como en la primera etapa de reduccin de un motor elctrico o de combustin. La velocidad lineal de una banda es de 2500 a 6500 pies/min (792 a 1980 m/min), lo cual da como resultado fuerzas de tensin relativamente pequeas en la banda.

A mayores velocidades existen efectos dinmicos, como fuerzas centrifugas, chicoteo de bandas y vibraciones que reducen la eficiencia y duracin de la transmisin.

A menores velocidades, la tensin en la banda se vuelve demasiado grande para las secciones transversales tpicas en las bandas, y puede ocurrir deslizamiento entre los lados de la banday las ranuras de la polea que la conduce.

En general, es ideal que la velocidad sea de 4000 pies/min (1220 m/min).

1. TIPOS DE TRANSMISIONES POR BANDAS.

Una banda es un elemento flexible de transmisin de potencia que asienta firmemente en un conjunto de poleas o poleas acanaladas.

Fig 4-2.

Cuando se usa la banda para reducir la velocidad, que es el caso tpico, la polea menor se monta en el eje de alta velocidad, que puede ser el eje de un motor elctrico. La polea mayor se monta en la maquina impulsada. La banda es diseada para montarse en las dos poleas, sin resbalamiento.

Existen muchos tipos de bandas: planas, acanaladas o dentadas, bandas V normales, bandas V en ngulo doble entre otras.

Banda plana.

Es el tipo ms sencillo, y con frecuencia se fabrica de cuero o de lona ahulada. La superficie de la polea es plana y lisa, y la fuerza impulsora se limita, por consiguiente, a la friccin pura entre la banda y la polea (Fig 4-3). Algunos diseadores prefieren que las bandas para maquinaria delicada sean planas, porque la banda se deslizar si el par torsional tiende a subir hasta un valor que pueda daar la maquina.

Fig 4-3.

Bandas sncronas.

Llamadas en ocasiones bandas de sincronizacin(Fig4-4), pasan sobre poleas con ranuras en las que asientan los dientes de la banda. Este es un impulsor positivo, y solo se limitan por la resistencia de la banda a la tensin y la resistencia a la fuerza cortante de los dientes.Fig 4-4.

Bandas dentadas.

Se usan con poleas normales para bandas en V (Fig 4-5). Los dientes dan mayor flexibilidad a la banda y mayor eficiencia, en comparacin con las bandas normales. Pueden trabajar en menores dimetros de polea.

Fig 4-5.

Bandas en V.

Es un tipo de banda muy usado, en especial en transmisiones industriales y en aplicaciones vehiculares. La forma en V hace que la banda se acue firmemente en la ranura, lo cual incrementa la friccin y permite la transmisin de grandes pares torsionales sin que exista deslizamiento.

Fig 4-6. Banda en V.

Fig 4-6. Banda en V con ngulo doble.

La mayor parte de las bandas tienen una lona de alta resistencia, colocadas en el dimetro de paso de la seccin transversal de la banda, para aumentar la resistencia a la tensin en la banda. Las cuerdas se fabrican con fibras naturales, sintticas o de acero, y se encierran en un compuesto firme de hule, para dar la flexibilidad necesaria y que la banda pase alrededor de la polea.

Fig 4-7. Seccin transversal de una Banda en V y la ranura de una polea.

2. TRANSMISIONES POR BANDAS EN V.

El arreglo tpico de los elementos de una transmisin por bandas en V se muestra en la Fig 4-2. Las observaciones importantes acerca de este arreglo se describen a continuacin.

1. La polea, con una o varias ranuras circunferenciales donde se apoya la banda, se llama polea acanalada.

2. El tamao de una polea se indica en su dimetro de paso, que es un poco menor que su dimetro exterior.

3. La relacin de velocidades de las poleas motriz y conducida es inversamente proporcional a la relacin de los dimetros de paso. Lo cual proviene de la observacin de que all no existe deslizamiento (bajo cargas normales). Por lo tanto, la velocidad lineal de la lnea de paso en ambas poleas es igual a la velocidad de la banda vb entonces

La relacin de velocidades angulares es

4. Las relaciones entre la longitud de paso L, la distancia entre centro C y los dimetros de las poleas son

Donde B = 4L - 6,28(D2-D1).

5. El ngulo de contacto de la banda en cada polea es

Esos ngulos son importantes porque la capacidad de las bandas comerciales se evala con un ngulo de contacto, supuesto, de 180. Eso solo sucede si la relacin de reduccin es 1 (sin cambio de velocidad). El ngulo de contacto en la menor de las dos poleas siempre ser menor que 180, y baja su capacidad de transmisin de potencia.

6. La longitud del espacio libre entre las dos poleas, dentro del cual la banda no esta soportada, es

Esto cobra importancia por dos razones: puede comprobar la tensin correcta de la banda al medir la fuerza necesaria para desviar la banda una cantidad determinada a la mitad del espacio libre. Adems, la tendencia de la banda a vibrar o chicotear depende de esta longitud.

7. Los contribuyentes al esfuerzo en la banda son:

a) La fuerza de tensin en la banda, mxima en su lado tenso.

b) La flexin de la banda en torno a las poleas, mxima en el lado tenso de la banda, en torno a la polea menor.

c) Las fuerzas centrifugas producidas cuando la banda se mueve alrededor de las poleas.

L esfuerzo total mximo se presenta donde la banda entra a la polea menor, y donde el esfuerzo de flexin es parte mayor. Por lo tanto, existen dimetros de polea mnimos recomendados para las bandas normales. El uso de poleas menores reduce en forma drstica la duracin de las bandas.

8. El valor de diseo de la relacin de tensin en el lado tenso a la tensin en el lado flojo es 5 para transmisiones con bandas V. El valor real suele ser tan alto como 10.

SECCIONES TRANSVERSALES NORMALIZADAS PARA BANDAS.

Las bandas comerciales se fabrican con una de las normas mostradas en la figuras 4-8 a 4-11. Se emple una conversin suave para reasignar nombres de los tamaos en pulgadas, con el nmero de los tamaos mtricos que expresan el ancho nominal mayor, en milmetros.

Fig 4-8. Bandas en V industriales para trabajo pesado.

Fig 4-9. Bandas en V industriales de seccin angosta.

Fig 4-10. BandasV para trabajo ligero, potencia fraccional.

Fig 4-11. BandasV automotrices.

Las siguientes normas de la Society of AutomotiveEngineers (SAE) establecen dimensiones y funcionamiento para bandas automotrices.

Norma SAE J636: Bandas y poleas en V.Norma SAEJ637: Transmisiones de bandas automotrices.Norma SAE J1278: Bandas y poleas sncronas SI (mtricas).Norma SAE J1313:Transmisiones automotrices por bandas sncronas.Norma SAE J1459: Bandas V acostilladas y poleas.

3. Diseo de transmisiones por bandas en V.

Los factores que intervienen en la seleccin de una banda V y la polea motriz y conducida de la transmisin se resumen a continuacin. Para ilustrar, se presentan ejemplos abreviados de los datos que proporcionan los proveedores. Los datos bsicos necesarios para seleccionar la transmisin son:

La potencia especificada del motor o maquina motriz. El factor de servicio, con base en el motor y la carga impulsada. La distancia entre centros. La capacidad de potencia de una banda, en funcin del tamao y la velocidad de la polea menor. La longitud de la banda. El tamao de las poleas motriz y conducida. El factor de correccin por longitud de banda. El factor de correccin por ngulo de contacto en la polea menor. El numero de bandas. La tensin inicial sobre la banda.

Muchas decisiones de diseo dependen de la aplicacin y de las limitaciones del espacio. Estos son algunos de los lineamientos a seguir:

Se debe efectuar el ajuste por distancia entre centros, en ambas direcciones, a partir del valor nominal. La distancia entre centros debe acortarse en el momento de la instalacin, para permitir que la banda entre en las ranuras de las poleas sin forzarse. Se debe prever el aumento de la distancia entre centros, para permitir el tensado inicial de las bandas y adaptarse a su estiramiento. Los catlogos de los fabricantes contienen los datos.

Si se requiere que los centros sean fijos, se debe usar poleas locas o templadoras. Lo mejor es usar una polea loca acanalada dentro de la banda, cerca de la polea mayor. Para sostener la polea tensora, existen tensores ajustables disponibles.

El intervalo de distancias nominales entre centros debe ser

El ngulo de contacto en la polea menor debe ser mayor que 120.

La mayor parte de las poleas comerciales son de hierro colado, y deben limitarse a una velocidad de banda de 6500 pies/min (1980 m/min).

Se debe considerar un tipo alterno de transmisin, como los engranes o cadena, si la velocidad de la banda es menor que 1000 pies/min.

Evitar temperaturas elevadas alrededor de las bandas.

Asegurar que los ejes que soporten las poleas correspondientes sean paralelos, y que las poleas estn alineadas, para que las bandas entren libremente en las ranuras.

Se debe instalar las bandas con la tensin inicial que recomienda el fabricante. Se debe medir la tensin despus de las primeras horas de funcionamiento, porque habr asentamiento y estiramiento inicial.

Datos de diseo.

Los datos que se presentan a continuacin son para bandas de seccin angosta: 3V, 5V y 8V. Esos tres tamaos abarcan un gran intervalo de trasmisin de potencia. Se puede emplear la figura 4-12 para seleccionar el tamao bsico de la seccin transversal de la banda. Observe que el eje de la potencia es la potencia de diseo, que es la potencia nominal de la planta motriz industrial multiplicada por el factor de servicio tomado de la tabla 4-1.

Las figuras 4-13, 4-14 y 4-15 proporcionan la potencia nominal por banda para las tres secciones transversales, en funcin del dimetro de paso y la velocidad de rotacin de la polea menor. Las lneas verticales en cada figura dan los dimetros de paso de poleas normalizadas disponibles.

Fig 4-12. Para seleccin de BandasV industriales de seccin angosta.

Tabla 4-1. Factores de servicio para BandasV.

Fig 4-13.Capacidades: Bandas 3V.

Fig 4-14.Capacidades: Bandas 5V.

Fig 4-15.Capacidades: Bandas 8V.

La capacidad bsica de potencia para una relacin de velocidades de 1,00 se indica con una curva solida. Una banda determinada puede manejar mayor potencia, a medida que aumente la relacin de velocidades, hasta una relacin aproximada de 3,38. Los incrementos mayores tienen poco efecto, y tambin pueden causar problemas con el ngulo de contacto en la polea menor.

La potencia mxima agregada para relaciones mayores que 3,38 fue la que se uso para trazar las curvas punteadas en las figuras 4-12, 4-13 y 4-14. En la mayora de los casos, resulta satisfactoria una interpolacin aproximada entre las dos curvas.

La figura 4-16 muestra el valor del factor de correccin C en funcin del ngulo de contacto de la banda sobe la polea menor.

La figura 4-17 muestra el valor del factor de correccin CL por longitud de banda. Se prefiere bandas largas, porque reducen la frecuencia con la que determinada parte de la banda se encuentra con el mximo esfuerzo al entrar en la polea menor. Solo se dispone de ciertas longitudes normalizadas de banda, tabla 4-2.

Tabla 4-2.

Fig 4-16.Potencia agregada en funcin de la relacin de velocidades, bandas 5V.

Fig 4-17.

Fig 4-18.

Ejemplo N1: Disee una transmisin de bandas V que tenga la polea de entrada en el eje de un motor elctrico (par torsional normal) de 50 HP a 1160 rpm de velocidad con carga total, datos nominales. La transmisin es para un elevador de cangilones de una planta de potasa, que se va a usar 12 horas por da a 675 rpm aproximadamente.

Objetivo: disear la transmisin de bandas V.

Potencia transmitida = 50 HP al elevador de cangilones.Velocidad del motor = 1160 rpm; Velocidad de salida = 675 rpm.

Paso 1: calcule la potencia de diseo. Segn la tabla 4-1 el factor de servicio es de 1,40. Entonces la potencia de diseo es

Paso 2: seleccione la seccin de la banda. Segn la figura 4-12 es recomendable usar una banda 5V para 70 HP y 1160 rpm en la entrada.

Paso 3: calcule la relacin de velocidades nominales.

Paso 4: calcule el tamao de la polea motriz que produzca una velocidad de banda de 4000 pies/min, como gua para seleccionar una polea de tamao normal.

Entonces el dimetro para que vb= 4000 pies/min es

Paso 5: seleccione tamaos tentativos de la polea de entrada y calcule el tamao adecuado de la polea de salida. Seleccione un tamao estndar para la polea de salida, y calcule la relacin y la velocidad de salida reales.

Los dos tanteos en negritas de la tabla anterior, solo se apartan 1% de la velocidad de salida necesaria, de 675 rpm, y la velocidad de un elevador de cangilones no es crtica. Ya que no se indicaron limitaciones de espacio, se escoger el tamao mayor.

Paso 6:determine la potencia nominal a partir de las figuras 4-13, 4-14 y 4-15.

Para una polea de 12,4 in a 1160 rpm, la potencia nominal bsica es de 26,4 HP. Se necesitaran varias bandas. La relacin es relativamente alta, lo cual indica que se puede emplear cierta potencia nominal agregada. Ese valor se toma directamente a partir de la figura4-16. La potencia agregada es de 1,15 HP. Por lo que la potencia nominal real es 27,55 HP.

Paso 7:especifique una distancia entre centros tentativa. Se puede emplear la Ec 7.8 para calcular el intervalo nominal aceptable de C.

En procura de conservar espacio, se probara con C=24 in.

Paso 8:calcule la longitud de la banda necesaria, con la Ec 4.3.

Paso 9: seleccione una longitud estndar en la tabla 4-2, y calcule la distancia entre centros real que resulta, con la Ec 4.4.

Para este caso la longitud estndar ms cercana es de 100 in por lo tanto

Paso 10: calcule el ngulo de contacto de la banda en la polea menor, con la Ec 4.5.

Paso 11: determine los factores de correccin con las figuras 4-17 y 4-18, para 1=158.

C=0,94 ;CL=0,96

Paso 12: calcule la potencia nominal corregida por banda y la cantidad de bandas necesarias para manejar la potencia de diseo.

Resumen del diseoEntrada: motor elctrico, 50 HP a 1160 rpm.Factor de servicio 1,4.Potencia de diseo: 70 HP.Bandas: seccin 5V, 100 in de longitud, 3 bandas.Poleas: (motriz: 12,4 in de dimetro de paso, 3 ranuras 5V); (conducida: 21,1 in de dimetro de paso, 3 ranuras 5V).Velocidad real de salida: 682 rpm.Distancia entre centros: 23,3 in.

Una cadena es un elemento de transmisin de potencia formado por una serie de eslabones unidos con pernos. Este diseo permite tener flexibilidad, y permite adems que la cadena transmitas grandes fuerzas de tensin.

El tipo de cadena ms comn es la cadena de rodillos, en la que el rodillo sobre cada perno permite tener una friccin excepcionalmente baja entre la cadena y las catarinas.

Fig 4-19.Tipos de cadenas de rodillos.

La cadena de rodillos se caracteriza por su paso, que es la distancia entre las partes correspondientes de eslabones adyacentes. La cadena de rodillos estndar tiene designacin de tamao del 40 al 240, como se muestra en la tabla 4-4. Los dgitos (aparte del cero final) indican el paso de la cadena, en octavos de pulgadas.

Una serie de tamaos para trabajo pesado, con el sufijo H en la identificacin (60H a 240H), tiene las mismas dimensiones bsicas que la cadena estndar del mismo nmero, pero sus placas laterales son ms gruesas.

Las resistencias medias a la tensin de diversos tamaos de cadena tambin se muestran en la tabla 4-4. Se puede emplear estos datos para transmisiones a muy bajas velocidades, o en aplicaciones en que la funcin de la cadena es aplicar una fuerza de tensin o sostener una carga.

Existe una gran variedad de accesorios para facilitar la aplicacin de la cadena de rodillos al transporte u otros usos de manejo de materiales. En el caso normal, tienen la forma de placas prolongadas u oreja con orificios, y facilitan la fijacin a la cadena, de varillas, cangilones, impulsores de partes o laminas de transportador como se muestra en la figura 4-20.Tabla 4-4.

Fig 4-20Conectores para cadenas.

1. DISEO DE TRANSMISIONES POR CADENAS.

Existen tres modos de fallas en la transmisin de potencia en una cadena:

a) Fatiga de las placas de eslabn, debido a la aplicacin repetida de la tensin en el lado tenso de la cadena.

b) El impacto de los rodillos al engranar en los dientes de las catarinas.

c) La abrasin entre los pernos de cada eslabn y sus bujes.

Las tablas 4-5, 4-6 y 4-7 presentan la potencia nominal para tres tamaos normales de cadena: Numero 40(1/2 pulg.). 60(3/4 pulg.) y 80(1 pulg.), a continuacin se mencionan las propiedades ms resaltantes a tomar en cuenta a la hora del diseo:

Las capacidades se basan en la velocidad de la rueda menor, y son para una duracin esperada de 15000 horas, aproximadamente. Para una determinada velocidad, la capacidad de potencia aumenta con el nmero de dientes en la catarina. Naturalmente, mientras mayor sea la cantidad de dientes, mayor ser el dimetro de la catarina. Para un determinado tamao de catarina (determinado numero de dientes), la capacidad de potencia se incrementa al aumentar la velocidad, hasta cierto punto, luego decrece. En las velocidades bajas y moderadas, domina la fatiga por tensin en la cadena; el impacto sobre la catarina gobierna en las velocidades mayores. Las capacidades son para cadenas de una hilera (cadenas simples). Aunque las hileras mltiples aumentan la capacidad de potencia, no son para un mltiplo directo de la capacidad de una sola hilera. Se debe multiplicar la capacidad obtenida en las tablas por los siguientes factores:

Dos hileras = 1,7Tres hileras = 2,5Cuatro hileras = 3,3

Las capacidades son para un factor de servicio de 1, se debe especificar un factor para determinada aplicacin, con la tabla 4-8

Tabla 4-8.

2. LINEAMIENTOS DE DISEO PARA TRANSMISIONES POR CADENAS.

A continuacin se presentan las recomendaciones para disear transmisiones por cadenas:

1. La cantidad mnima de dientes en una catarina debe ser 17, a menos que el impulsor funcione a una velocidad muy pequea, menor que 100 rpm.

2. Relacin de velocidades mxima deber de 7, aunque son posibles relaciones mayores. Se pueden emplear dos o ms etapas de reduccin para obtener relaciones mayores.

3. La distancia entre centros entre los ejes de catarinas debe ser de 30 a 50 pasos de cadena (30 a 50 veces el paso de la cadena).

4. En el caso normal, la catarina mayor no debe tener ms de 120 dientes.

5. El arreglo preferido de una transmisin por cadena es con la lnea central de los ejes, horizontal, y con el lado tenso en la parte superior.

6. La longitud de la cadena debe ser de un mltiplo entero del paso, y se recomienda tener un nmero par de pasos. Debe evitarse un colgamiento excesivo en el lado flojo, en especial en transmisiones que no sean horizontales.

7. El dimetro de paso de una catarina con N dientes, para una cadena de paso p, es

8. El dimetro mnimo, y en consecuencia el nmero de dientes mnimo de una catarina se limitan, con frecuencia, por el tamao del eje donde va montada.

9. El arco de contacto 1 de la cadena en la catarina menor debe ser mayor que 120.

3. LUBRICACIN.

Es esencial dar lubricacin adecuada a las transmisiones por cadenas. En la cadena existen muchas partes mviles, adems de la interaccin entre la cadena y los dientes de la catarina.

Propiedades del lubricante.

Se recomienda lubricante derivado del petrleo, parecido al aceite de motor. Su viscosidad debe permitir el fcil flujo del aceite entre las superficies de la cadena que se mueven entre si, para dar una accin lubricante adecuada. La tabla 7-9 muestra el lubricante recomendado para distintas temperaturas.

Tabla 4-9.

Mtodo de lubricacin.

La asociacin estadounidense de cadena (ACA) recomienda tres tipos distintos de lubricacin, que dependen de la velocidad de funcionamiento y la potencia que se transmite.

a) Tipo A. Lubricacin manual o por goteo: para lubricacin manual, el aceite se aplica en forma copiosa con una brocha o un canaln con vertedor, al menos una vez cada 8 horas de funcionamiento. Para lubricacin por goteo, el aceite alimenta directamente a las placas de eslabn de cada hilera de la cadena.

b) Tipo B. Lubricacin de bao o con disco: la cubierta de la cadena proporciona un colector de aceite, en el que se sumerge la cadena en forma continua. Tambin se puede fijar un disco o un lanzador a uno de los ejes, para que levante el aceite del canal, arriba de la cadena inferior. Por lo tanto, el canal entrega una corriente de aceite a la cadena.

c) Tipo C. Lubricacin con chorro de aceite: una bomba de aceite enva un flujo continuo en la parte inferior de la cadena.

+

Ejemplo N2: Disee una transmisin por cadena para un transportador de carbn muy cargado, movido con un motor de gasolina y una trasmisin mecnica. La velocidad de entrada ser 900 rpm, y la velocidad de salida que se desea es de 230 a 240 rpm. El transportador requiere 15 HP.

Potencia transmitida = 15 HP a un transportador de carbn.Velocidad del motor = 900 rpm; intervalo de velocidades de salida = 230 a 240 rpm.

Paso 1: especifique un factor de servicio y calcule la potencia de diseo. De la tabla 4-8, para choques moderados y un impulsor de motor de gasolina a trasvs de una trasmisin mecnica, FS = 1,4

Paso 2: calcule la relacin de velocidades nominales.

Paso 3: consulte en las tablas 4-5, 4-6 y 4-7 para seleccionar el paso de la cadena.

Para una sola hilera, la cadena numero 60, con p =3/4 pulgadas, parece ser la mas adecuada. Con una Catarina de 17 dientes, la capacidad es de 21,96 HP a 900 rpm, por interpolacin. A esta velocidad se requiere lubricacin tipo B (bao de aceite).

Paso 4: calcule la cantidad necesaria de dientes, para la rueda grande.

Utilice 65 dientes.

Paso 5: calcule la velocidad de salida esperada.

Paso 6: calcule los dimetros de paso de las catarinas mediante la Ec. 4.11.

Paso 7: especifique la distancia entre centros nominal. Se usara la parte intermedia del intervalo recomendado, C = 40 pasos.

Paso 8: calcule la longitud necesaria, en paso, con Ec 4.9.

Se usaran 122 pasos.

Paso 9: especifique un numero par de pasos y calculara la distancia terica entre centros, con la Ec. 4.10.

Paso 10: calcule el ngulo de contacto de la cadena en cada catarina.

Resumen del diseoPaso: cadena numero 60, de pulgada de paso.Longitud: 122 pasos = 122*0,75 in = 91,5 pulg.Distancia entre centros: 29,825 pulgadas (mxima).Catarinas: hilera simple, numero 60, de pulgada de paso.Pequea: 17 dientes, D1 = 4,082 pulgadas.Grande: 65 dientes, D2 = 15,524 pulgadas.

Se requiere lubricacin tipo B, la catrina grande puede baarse en aceite.