transmisiones de cadenas

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UNIDAD VIII

TTRRAANNSSMMIISSIIOONNEESS PPOORR CCAADDEENNAASS

1. CARACTERSTICAS GENERALES DE LA TRANSMISIN Dentro de las transmisiones mecnicas con enlace flexible entre el elemento motriz y la mquina movida se encuentra la transmisin por cadena como una de las ms utilizadas para trasmitir potencia mecnica de forma eficiente, con sincronismo de velocidad angular entre los elementos vinculados y cuando existe demanda de grandes cargas en los accionamientos. La transmisin por cadena est compuesta de una rueda dentada motriz, una o varias ruedas dentadas conducidas y un tramo de cadena unido por ambos extremos que engrana sobre las ruedas dentadas. La flexibilidad de latransmisin es garantizada con la cadena, la cual consta de eslabones unidos por pasadores, que permiten asegurar la necesaria flexibilidad de la cadena durante el engrane con las ruedas dentadas. En el caso ms simple, la transmisin por cadena consta de una cadena y dos ruedas dentadas, denominadas ruedas de estrella, ruedas dentadas o sprockets, una de las cuales es conductora y la otra conducida.

Figura 8.1 Esquema bsico de una transmisin por cadenas.

Adicionalmente a las transmisiones por cadenas se le incorporan cubiertas protectoras (guarderas). En casos de transmisiones que trabajan muy cargadas y a elevadas velocidades se emplean carcazas donde la cadena es lubricada por inmersin o con surtidores de aceite a presin aplicados en las zonas de inicio del engrane entre la cadena y las ruedas dentadas.

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Figura 8.2 Tensado adecuado de la cadena en una transmisin.

En el caso de Guarderas o carcazas, la envoltura no debe dificultar la regulacin del tensado de la cadena para compensar el estirado de ella, producto del desgaste de sus eslabones y articulaciones. Generalmente, en las transmisiones por cadenas una de las ruedas es desplazable para garantizar el tensado adecuado de la cadena, de no ser as, se introducen dispositivos reguladores de la requerida tensin de la cadena. Habitualmente, con auxilio de dispositivos reguladores se puede compensar el alargamiento de la cadena hasta la longitud de dos eslabones, despus de esto es conveniente quitar dos eslabones de la cadena y situar el dispositivo regulador en posicin inicial.

Figura 8.3 Esquemas de transmisiones con cadenas empleando dispositivos tensores.

Las transmisiones por cadenas tienen gran utilidad en las mquinas de transporte (bicicletas, motocicletas y automviles), en mquinas agrcolas, transportadoras y equipos industriales en general. Algunas de las ventajas que presentan las transmisiones por cadenas al ser comparadas con otras transmisiones de enlace flexible, como las transmisiones por correas y poleas, son: Dimensiones exteriores son menores. Ausencia de deslizamiento.


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Alto rendimiento. Pequea magnitud de carga sobre los rboles. Posibilidad de cambiar con facilidad su elemento flexible (cadena). En cambio, a las transmisiones por cadenas se les reconoce como inconvenientes que: Pueden ser un poco ruidosas. Requieren de una lubricacin adecuada. Presentan cierta irregularidad del movimiento durante el funcionamiento de la

transmisin. Requiere de una precisa alineacin durante el montaje y un mantenimiento

minucioso. Segn su aplicacin, las cadenas pueden ser divididas para su estudio en tres grupos: Cadenas de carga: Son empleadas para suspender, elevar y bajar cargas. Ellas son empleadas predominantemente en las mquinas elevadoras de carga. Estas trabajan con bajas velocidades (hasta 0,25 m/s) y grandes cargas. Son construidas de eslabones simples, generalmente redondos o de bridas sencillas.

Figura 8.4 Cadena de carga de eslabones redondos.


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Cadenas de traccin: Son empleadas para mover cargas en las maquinas transportadoras, trabajan con velocidades medias (hasta 2-4 m/s). En su fabricacin se emplean eslabones de pasos largos, usualmente entre los 50 y 1000 mm. Cadenas de transmisin de potencia: En estos accionamientos, la cadena y la rueda son usadas como engranaje flexible para trasmitir torque desde un eje de rotacin a otro. Generalmente son empleados eslabones pequeos y de gran precisin en sus dimensiones, con pasos entre 4 y 63.5 mm, con el objetivo de reducir las cargas dinmicas, y con pasadores resistentes al desgaste para asegurar una conveniente duracin. Como es posible apreciar, el elemento principal de este tipo de transmisin mecnica es la cadena, la cual define la seguridad, duracin y capacidad de trabajo de la transmisin. De los tres grupos de cadenas anteriores que se emplean en la industria moderna, son las cadenas de transmisin de potencia las ms difundidas. Adems de clasificar dentro de las transmisiones mecnicas ms eficiente en aplicaciones industriales, con un valor que oscila alrededor del 98% por cada etapa de transmisin. Por tal motivo, las transmisiones de potencia con cadenas sern objeto de estudios en este material.

2. TIPOS DE CADENAS DE TRANSMISIN DE POTENCIA Las diversas exigencias de explotacin a que son sometidas las transmisiones por cadenas han permitido la aparicin de una variedad de tipos de cadenas, las cuales satisfacen diferentes caractersticas y facilidades para la explotacin. Dentro de las cadenas de transmisin de potencia los ms conocidos tipos de cadenas son las de casquillos, las de eslabones perfilados (desmontables), las dentadas, las de rodillos y las correas dentadas. 2.1. CADENAS DE CASQUILLOS

Las cadenas de casquillos estructuralmente coinciden con las cadenas de rodillos, pero ellas se distingue porque no tienen rodillos, por eso son generalmente ms ligeras y baratas. Actualmente son empleadas algunas soluciones de cadenas extraligeras de casquillos con pasadores huecos para disminuir el peso de las cadenas.


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Contrario a lo que pudiera parecer, el precio de venta de las cadenas de casquillos huecos es generalmente superior al de las cadenas de rodillos para pasos superiores a los 12.70 mm (1/2 pulg.), debido a la influencia de la calidad de los materiales y condiciones del mercado.


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Las cadenas de casquillos son ofertadas frecuentemente en pasos pequeos (entre 4 y 9,525 mm) y son empleadas en las transmisiones principales de las motocicletas, como es el caso de la motocicleta BMW modelos K, y en los mecanismos de distribucin de gases de los motores de combustin interna, ejemplo de ello son los motores de los vehculos Fiat Campagnolo, Mercedes Benz D y Opel Diesel 3L5. En todos estos casos las transmisiones por cadenasson diseadas con suficiente capacidad de trabajo. Sin embargo, la ausencia de rodillos en las cadenas de casquillos intensifican el desgaste de los dientes de las ruedas, debido a que los casquillos resbalan por los dientes en lugar de rodar como ocurre con los rodillos, y por consiguiente, deben requerir una lubricacin esmerada. Es recomendable que la velocidad de la cadena de casquillo no supere los 4 m/s.

2.2. CADENAS DE ESLABONES PERFILADOS Este tipo de cadena tiene la ventaja de un fcil arme y desarme de sus eslabones, pues ellos no necesitan ningn otro elemento complementario. El enlace de estos eslabones se hace al desplazar lateralmente el uno con respecto a otro. El diseo de estos eslabones permite su intercambio fcilmente, al poder ser sustituido un elemento de la cadena sin necesidad de desencaje de las articulaciones con empleo de golpes o fuerzas excesivas. El inconveniente de este tipo de cadena es que solo pueden ser empleadas en velocidades muy bajas, por lo general inferior a 1m/s, debido al incremento de las cargas de impacto motivadas por la poca precisin del paso de los eslabones. Habitualmente, son explotadas en condiciones de lubricacin y proteccin imperfectas, sin exigencias severas de reduccin de las dimensiones exteriores. Usualmente, las cadenas de eslabones perfilados se utilizan en la construccin de maquinaria agrcola.


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2.3. CADENAS DENTADAS Las cadenas dentadas, conocidas tambin como cadenas silenciosas, constan de un juego de chapas con formas de dientes. Estas chapas estn enlazadas en determinado orden y articulan con deslizamiento o rodamiento, segn sea eltipo constructivo de la cadena. Las articulaciones en las cadenas dentadas determinan en grado considerable su capacidad de trabajo, siendo superiores las cadenas con articulaciones de rodadura con empleo de prismas con superficies cilndricas de trabajo apoyados en rebajos planos realizados en los agujeros de los eslabones. La cadena dentada, para que durante el trabajo se asiente correctamente en las ruedas, se dota de unas chapas o platinas que sirven de gua. En pequeas velocidades se aconseja utilizar cadenas con chapas gua centrales. En este ltimo caso, en los dientes de las ruedas se deben hacer unas entalladuras para las chapas guas. Varias son las normas de dimensiones establecidas para las cadenas dentadas, las ms conocidas son: la alemana DIN 8190, la estadounidense ANSI B292M-82 y la sovitica GOST 13552-81. Hasta el momento, no existe una normalizacin internacional de las cadenas dentadas, por tal motivo las dimensiones de las ruedas para estas cadenas pueden variar entre normativas y fabricantes, haciendo que los sprockets no sean intercambiables para cadenas de diferentes marcas y fabricantes.


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Las ruedas para cadenas dentadas deben permitir que los eslabones envuelvan completamente el dentado de las ruedas, por lo que el tallado de los sprockets son realizados con fresas de perfil cortante de flancos rectos. Dichas fresas tallan el perfil del diente por copiado y cada fresa puede ser empleada para ruedas de igual paso y nmero de dientes cercanos al del patrn de la fresa.


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2.4. CORREAS DENTADAS A partir de la dcada del 40 surgen las correas y poleas dentadas como una transmisin capaz de dar respuesta a las exigencias de sincronismo, flexibilidad y movimiento silencioso demandadas en los nuevos diseos de la poca. Desde entonces las mejoras constructivas y el conocimiento alcanzado en las leyes de distribucin de la carga en los flancos de los dientes engranados entre la correa y las poleas han contribuido a la amplia difusin de esta transmisin en la actualidad.

Figura 8.5 Correa dentada de perfil recto en los flancos de los dientes.

Las transmisiones por correas dentadas se caracterizan principalmente porque en ellas no existe un contacto metlico, no se aprecia el efecto cordal con su nefasta influencia en la irregularidad del movimiento, ni existe posibilidad de deslizamiento como en las correas de friccin. Otras de las ventajas indicadas a esta transmisin corresponden a un anulamiento de la tensin de montaje y no requerimiento de lubricacin. En contraposicin con las transmisiones de cadenas metlicas, es sealable una menor resistencia a la traccin y por consiguiente una menor potencia transmisible por unidad de ancho, mucho mas acentuado en casos de bajas velocidades. En correas de caucho, puede ser contraproducente su empleo en un ambiente con posibilidad de contaminacin con aceite o con una temperatura superior a los 60C. Actualmente existen tres perfiles tpicos para las correas dentadas: el flanco recto, parablico y curvilneo. La sencillez constructiva a determinado que el perfil recto sea el ms divulgado, pero a la vez es el tipo de diente menos resistente porque sufre todo el empuje de la polea en la base del diente. Los perfiles curvilneos y parablicos se caracterizan por una mejor distribucin de la carga y una mayor capacidad de carga.


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2.5. CADENAS DE RODILLOS Las cadenas de rodillos son un medio altamente eficiente y verstil de transmisin mecnica. Hasta la fecha, en el campo de las aplicaciones industriales la cadena de rodillos ha sido la de mayor difusin entre la variedad disponible de cadenas de transmisin. Este tipo de cadena, en su construccin ms generalizada, esta compuesta por placas interiores y exteriores que se alternan sucesivamente y unidas entre si de forma articulada. Cada articulacin de la cadena consta de un pasador en unin con la placa exterior, un casquillo que se encuentra unido a los agujeros de las placas interiores y por ltimo el rodillo, que se encuentra montado con holgura en el casquillo, para disminuir el desgaste de los dientes de las ruedas y el propio casquillo. Durante el montaje de la cadena sus extremos se unen mediante eslabones desmontables complementarios, diferencindose estos empalmes segn la cantidad de eslabones sea un nmero par o impar. Es aconsejable emplear cadenas con un nmero par de eslabones, teniendo en cuenta que los eslabones de unin son ms resistentes que los correspondientes a un nmero impar de eslabones.

Figura 8.6 Cadenas de rodillos.


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Las cadenas de rodillos para transmisin de potencia se fabrican en empresas o compaas especializadas en su produccin y comercializacin. Algunas de las ms conocidas firmas productoras son las alemanas Iwis y Kbo, la italiana Regina, la inglesa Renold, la espaola Iris y las estadounidenses Rexnord , Link-Belt y Diamond. Como caracterstica de la resistencia mecnica de la cadena se utiliza la carga lmite por rotura, cuya magnitud se determina mediante ensayos y pruebas en la fbrica constructora de cadenas y se reglamenta por las normas. Como parmetros geomtricos principales de las cadenas de rodillos son identificados el paso y el ancho entre placas interiores. Las amplias posibilidades de dimensiones y capacidades de carga de las cadenas de rodillos ha permitido una amplia aplicabilidad en las transmisiones modernas segn se observa en la siguiente tabla.

En caso de grandes cargas y velocidades, para evitar pasos grandes, desfavorables en cuanto a las cargas dinmicas, se emplean cadenas de varias hileras de rodillos. Se componen de los mismos elementos que las de una hilera, slo que sus ejes tienen una longitud aumentada. Las potencias a trasmitir y la carga lmite por rotura de las cadenas de mltiples hileras son casi proporcional al nmero de ramales. Generalmente la cantidad de hileras de rodillos en las cadenas de mltiples ramales se selecciona entre 2 4. 8 Dobrovolski, V., Zablonski, K. Y otros, Elementos de Mquinas, pag.448, Edit. MIR, Mosc, 1976.

3. TRANSMISIONES POR CADENAS DE RODILLOS La transmisin por cadenas de rodillos tiene una bien ganada posicin en el amplio conjunto de accionamientos para transmisiones de potencias medias. Una de las ventajas ms significativa de esta transmisin es el sincronismo que logra con un enlace flexible entre el elemento motriz y el movido, permitindole ser empleada con xito como elemento de transmisin mecnica en maquinas herramientas, mquinas impresoras, maquinaria textil, equipamiento de embalaje, mquinas agrcolas, en la industria de la construccin, en la industria minera, y con un amplio empleo en la construccin de vehculos automotores.


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Figura 8.7 Transmisin por cadena. Las transmisiones por cadenas de rodillos pueden encontrarse trabajando en lugares tan dismiles como pueden ser perforadoras de pozos petrolferos terrestres y marinos, en mecanismos de control de vuelo de aviones militares y civiles, en pequeas mquinas de laboratorio o en motores diesel de grandes buques supertanqueros. Debido al extendido uso de las transmisiones por cadenas de rodillos sus componentes son de los elementos de mquinas ms normalizados internacionalmente. Las cadenas de transmisin de potencia se encuentras dimensionadas segn algunas de las normas ms conocidazas como son las normas: DIN (Deutches Institut for Normang), BS (British Standard) y ANSI (American National Standard Institute), de las cuales han sido derivadas las actuales normas dimensionales ISO. Todas estas normas se agrupan en dos partes fundamentales: Serie Europea: comprende las normas DIN 8187 y BS 228, agrupadas en la norma ISO 606 tipo B. Serie Americana: comprende las normas DIN 8188 y ANSI B: 29, agrupadas en la norma ISO 606 tipo A. Las firmas que fabrican y comercializan cadenas de rodillos generalmente se rigen por las normas mencionadas anteriormente, aunque pueden existir pequeas variaciones en los valores de las dimensiones que caracterizan dichas cadenas. Las partes de que consta una cadena de rodillos son las que se presentan en la figura siguiente:


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Figura 8.8 Partes de una cadena de rodillos.

Las fuerzas que actan son prcticamente las mismas que en las correas excepto que pueden producirse cargas importantes debido al impacto cuando los rodillos establecen contacto con los dientes de los piones. Los piones tienen relativamente pocos dientes. En la figura siguiente se presenta un pin con su cadena correspondiente en dos instantes del movimiento.

Figura 8.9Accin de cuerda. Con esta figura se trata de explicar el fenmeno denominado accin de cuerda caracterstica de estas transmisiones. Se recomienda que el nmero mnimo de dientes del pin ms pequeo de una transmisin por cadena sea: Ndiente = 12 baja velocidad Ndientes = 17 media velocidad Ndientes = 21 alta velocidad


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Se debe entender por velocidad baja de cadena cuando es menor de 2 m/s y por velocidad alta cuando supera los 20 m/s. Hay un detalle constructivo importante y que no debe dejarse pasar por alto, es el hecho de que con un nmero impar de dientes en el pin pequeo y un nmero par de dientes en el pin grande la frecuencia de contacto entre un diente y un rodillo determinados es mnima, lo que origina una mejor distribucin del desgaste. Las fuerzas que aparecen durante el funcionamiento hacen que la potencia que pueden transmitir para una traccin mxima determinada F1 (tngase en cuenta que F2 ~ 0 en las transmisiones por cadena) aumenta con la velocidad lineal hasta llegar a un mximo, a partir del cual disminuye, segn se presenta en la figura siguiente.

Figura 8.10 Variacin de la capacidad de transmisin de potencia con la velocidad. El clculo de la velocidad lineal de la cadena se puede hacer de dos formas: 1. V =.dp.n

Siendo: dp = dimetro primitivo del pin n = rgimen de giro del pin

2. V = P.Z.n Siendo: P = paso de la cadena Z = nmero de dientes del pin n = rgimen de giro del pin

3.1. CLCULO DE LA POTENCIA DE DISEO Debido a que las mquinas conducidas tienen formas particulares de funcionamiento, se deben prevenir fallas debidas a los golpes, vibraciones o tirones. De forma similar, las mquinas motoras tienen formas particulares de funcionamiento, algunas son ms suaves que otras, o tienen un impulso inicial o un giro a tirones. Estas situaciones se


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consideran a travs de un factor de servicio (C1) que aumenta la potencia a transmitir para obtener la potencia de diseo que considera las caractersticas de la mquina y el motor utilizado. En la tabla siguiente, escoja el motor utilizado y la mquina que ms se asemeja a su diseo. Se obtiene as el factor C1, el cual se multiplica por la potencia a transmitir, para obtener la potencia de diseo.


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3.2. DETERMINACIN DE LA RELACIN DE TRANSMISIN La razn entre la velocidad del eje ms rpido dividido por la velocidad del eje ms lento, es la relacin de transmisin "i" (*). Se indica como "1: i". Con este valor se obtiene el tamao de las catalinas a utilizar. La relacin "i" debe corresponder a la razn entre la cantidad de dientes de la catalina grande (la del eje ms lento) denominada corona dividida por la cantidad de dientes de la catalina pequea (la del eje ms rpido) denominada pin. i = Zc / Zp

Zc: cantidad de dientes de la corona Zp: cantidad de dientes del pin

Para el pin se recomienda una cantidad mnima de 15 dientes para un giro ms suave de la corona. Para esta seleccin se considerarn 19 dientes en el pin. De sta forma: i = Zc / 19 Como este valor de "i" no va a coincidir con el calculado en ( * ) se escoge Zc lo ms cercano al ideal. Existen catalinas de stock pero generalmente hay que fabricar aquellas con cantidad de dientes no estndar. Compruebe en la tabla siguiente si el dimetro del eje que se conectar al pin tiene un tamao adecuado, de ser muy grande, debe escoger un pin con ms dientes:


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3.3. SELECCIN DEL TAMAO Y CANTIDAD DE CADENAS EN PARALELO (PARTE I)

El tamao de una cadena est representado por la separacin entre ejes de los rodillos, llamada paso (P), existen en la serie BS (British Standart) los pasos:


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3/8" (9,525mm), 1/2" (12,70mm), 5/8" (15,875mm), 3/4" (19,05mm), 1" (25,40mm), 1 1/4" (31,75mm), 1 1/2" (38,10mm), 1 3/4" (44,45mm) y 2" (50,80mm) que son los de uso ms comn.

Adems las cadenas pueden ser de una, dos tres hileras de cadenas iguales en paralelo. A mayor paso y a mayor cantidad de hileras, la cadena resiste mayor carga

Figura 8.11

3.4. SELECCIN DEL TAMAO Y CANTIDAD DE CADENAS EN

PARALELO (PARTE II)

Con el valor de la potencia de diseo (C1* Potencia a transmitir) y la velocidad del eje rpido, se consulta el grfico siguiente, en donde las columnas de la izquierda se indica la potencia que puede transmitir una cadena simlpe, una de doble hilera y una de triple hilera,. Se ubican en estas 3 columnas el valor de la potencia de diseo en [kW], se mueve horizontalmente hasta la velocidad del eje rpido (generalmente la velocidad del pion). Se determinan de esta forma, 3 puntos ubicados


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sobre los grficos. Cada paso est representado por una zona de igual color, los 3 puntos indican el paso que se recomienda usar. Por ejemplo: Con una potencia de diseo de 1,5 kW y un pin girando a 150 rpm, se recomienda usar una cadena triple de P = 1/2", una cadena doble de P = 1/2" y una cadena simple de P = 5/8". La decisin final sera la cadena doble de 1/2" y la simple 5/8". Las curvas mostradas en el grfico, son recomendaciones para un pin de 19 dientes.

3.5. CLCULO DE LA DISTANCIA ENTRE CENTROS Y LARGO DE LA CADENA Para una vida til adecuada se recomiendan las siguientes distancias entre centros (C):

El largo de una cadena se expresa en cantidad de pasos, los cuales deben ser una cifra par con objeto de unir los extremos usando un eslabn desmontable llamado "candado".

Figura 8.12


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ANOTACIONES ................................................................................................................................

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