CADENAS Y RUEDAS DENTADAS PARA TRANSMISIÓN I INTRODUCCION Desde niños hemos visto las cadenas como simples s imples partes de una bicicleta. Las hemos observado, maltratado y cambiado sin prestar más atención a su s u funcionamiento o construcción. Sin embargo, la cadena es un componente bastante complejo tanto por la forma en que trabaja, como por los materiales y procesos de fabricación que requiere. Afortunadamente, al igual que en el caso de las poleas y bandas, los fabricantes de cadena publican formas impresas o programas de computadora que nos permiten seguir pasos sencillos para hacer una selección correcta en las aplicaciones a plicaciones más comunes. La cadena permite transmitir movimiento entre ejes paralelos. El arreglo más sencillo tiene un eje motriz y uno conducido girando en el mismo sentido, pero pueden hacerse arreglos con más ejes o hacer que giren en sentidos sent idos opuestos. Algunas de las ventajas que ofrece son: y
y y
y y
y
y y y y
y
La rigidez de la cadena y la rueda dentada mantienen la sincronía entre dos o más ejes. Alta eficiencia, superior a 98% por etapa de reducción en cadena de rodillos Su construcción y materiales permiten una alta capacidad capacida d de carga y larga duración. La cadena no necesita estar en precarga pr ecarga para transmitir un par. Debido a que los extremos se unen con un candado, es fácil de instalar o reemplazar sin mover los ejes. Se puede adaptar a ambientes hostiles (temperaturas altas o bajas, humedad, presencia de aceite, etc.) Se adapta fácilmente a instalaciones expuestas o cubiertas. Permite arreglos con varios ejes conducidos a partir de un solo eje motriz. Hay flexibilidad para establecer la distancia entre los centros de los ejes. La elasticidad de los componentes y la presencia de lubricante a mortiguan los impactos. Se pueden colocar aditamentos a la cadena ca dena para usarla en equipo de manejo de materiales.
Algunas de sus limitaciones son: y y y y y
Mayor nivel de ruido que la transmisión por poleas y bandas. La cadenas estándar solo s olo pueden transmitir en un plano. Su velocidad máxima de operación es un tanto limitada. La lubricación puede ser complicada Cuando se reemplaza una cadena, es probable que sea necesario reemplazar también las ruedas dentadas.
DESEMPEÑO En operación, una cadena es sometida a tensión en las placas pla cas laterales, esfuerzos de corte en los pernos y deslizamiento entre rodillos, bujes y pernos. La tensión es cíclica y tiene efectos en la cadena que dependen de la intensidad: el limite absoluto es la carga
de ruptura; aproximadamente a un 65% de esta carga, para la mayoría de los materiales usados en cadenas de acero, se inicia el daño por deformación permanente; por debajo de este nivel, la cadena está sujeta a fatiga, entre menor sea la carga mayor será el número de ciclos de tensión y relajamiento que pueden soportar los componentes de la cadena; hay una carga, conocida como el limite de fatiga, por debajo de la cual no hay deterioro por fatiga pero la cadena sufre desgaste en las superficies de contacto entre el buje y el perno. Una cadena debe seleccionarse con limite de fatiga superior a las cargas de trabajo. De esta manera la falla será por desgaste, evitando fallas catastróficas por fatiga, deformación o fractura, que pueden dañar la máquina o causar lesiones. Además, el desgaste hace que la cadena se alargue, de manera que al medir la longitud total de la cadena podemos conocer el grado de desgaste y prever con tiempo la necesidad de reemplazarla. Los fabricantes de cadena presentan la información de selección en gráficas o cuadros, que toman en cuenta el limite de fatiga en las placas laterales, un limite similar para bujes y rodillos, y la velocidad que provocaría la pérdida de la película lubricante y, por ello, daños al perno por roce directo con el buje.
Al entrar en contacto con la rueda dentada, los eslabones de una cadena pasan de una alineación más o menos recta a una angular. Este es un movimiento corto y rápido, que se inicia en una condición estática, en la que hay contacto metal con metal entre las superficies del perno y el buje, haciendo inevitable el desgaste e imprescindible una buena lubricación. Otros factores que influyen en el desgaste son: a más velocidad, mayor será el número de veces por unidad de tiempo que cada eslabón entre en contacto con una de las ruedas dentadas y el desgaste se dará con mayor rapidez; entre menos dientes tenga la rueda, más grande será el ángulo que tendrán que girar los eslabones, y mayor será el desgaste; y, en una cadena más larga, cada eslabón tardará más tiempo en volver a entrar a entrar en contacto con la rueda, de manera que el desgaste será menor. Las bandas se acomodan alrededor de una polea redonda en forma tal que el contacto entre la polea y la banda se inicia siempre la misma línea tangente a la polea. Las cadenas, por el contrario, forman un polígono sobre la rueda dentada. Esta geometría hace que la cadena tenga un movimiento lateral cíclico y pulsaciones en la velocidad.
Entre menor sea el número de dientes en la rueda, mayor será el movimiento lateral y la variación de velocidad en el ciclo.
Desplazamiento lateral debido al efecto poligonal en una rueda de cuatro dientes Suponiendo una velocidad constante en la rueda motriz, la variación porcentual en la velocidad lineal de la cadena está dada por la formula:
donde N es el número de dientes de esta rueda. En términos prácticos esto impone un límite al número mínimo de dientes que puede tener la rueda motriz para cada aplicación. Como se muestra en la siguiente gráfica, este efecto es muy pronunciado para ruedas con menos de 20 dientes, por lo que se debe tener cuidado cuando la selección considera ruedas más pequeñas.
N
[Incremento] V%
9
6.031
11
4.051
13
2.906
15
2.185
17
1.703
19
1.364
21
1.117
23
0.931
25
0.789
27
0.676
29
0.586
31
0.513
Por otro lado, la elongación de la cadena, producida por el desgaste, hace que aumente el paso entre eslabones, con lo que aumenta también el diámetro de paso, haciendo que los rodillos se coloquen en un punto más alto en los dientes. En el caso extremo la cadena logra saltar fuera de los dientes. Este efecto es mayor entre mayor sea el número de dientes. Otras desventajas de las ruedas demasiado grandes son: costo, espacio, dificultad para lubricar y fuerzas centrífugas elevadas. Estas consideraciónes imponen un límite práctico para la mayoría de los usos industriales de 6:1 en la reducción por paso en una transmisión de cadena. Para transmisiones en que la distancia entre centros es ajustable y el número de dientes de las ruedas está dentro de los límites indicados, una elongación de un 2% es aceptable. Dependiendo de la configuración de la transmisión y de la velocidad de operación, en las transmisiones con mayor número de dientes o en las que no tienen la posibilidad de ajustar la distancia entre centros, la elongación aceptable puede ser del orden del 0.7% al 1% . Hay fabricantes que aceptan, para condiciones específicas, hasta un 3% de elongación, pero debemos tener en cuenta que comúnmente el perno es cementado y cuando el desgaste ha penetrado por debajo de la capa endurecida, el deterioro sucesivo de la cadena será extremadamente rápido. LUBRICACION En una cadena el lubricante cumple varias funciones: y
y y y y
Lubrica las superficies de contacto entre pernos y bujes, y entre rodillos y ruedas dentadas Amortigua impactos Elimina el calor generado durante la operación Elimina contaminantes Evita la corrosión
El lubricante debe fluir con facilidad para penetrar a las zonas en que se requiere. Por lo que debe evitarse lubricar con grasa. Aunque es posible usarla para aplicaciones de baja velocidad y con ciertas precauciones, en general, la grasa no penetra adecuadamente en las zonas que requieren lubricación, dejándolas desprotegidas y provocando fallas prematuras. El siguiente cuadro muestra el grado de aceite recomendado para diferentes temperaturas del lubricante:
GRADO SAE 5 SAE 10 SAE 20 SAE 30 SAE 40 SAE 50
TEMPERATURA [°C] -25 a ±10 -10 a -5 -5 a 5 5 a 40 40 a 50 50 a 60
Siguiendo la recomendación que los fabricantes presentan en las gráficas o tablas de selección, dependiendo de la combinación de velocidad y potencia a transmitir , se debe usar uno de los siguientes métodos básicos para lubricar cadenas con aceite: El método manual consiste en aplicar aceite con una brocha, aceitera o aerosol, en intervalos de 8 horas de operación aproximadamente; En la lubricación por goteo debe asegurarse que el aceite caiga entre las placas laterales para que llegue a las superficies de fricción; El baño de aceite consiste en permitir que en su punto más bajo la cadena pase por un depósito en el que se moje totalmente con aceite; y, mediante el uso de una bomba e inyectores se puede dirigir un flujo continuo de aceite hacia el hueco entre las placas laterales, de preferencia justo antes de que los eslabones entren en contacto con la rueda motriz. Ver figuras No. 1 y No. 2
Figura No. 1
Figura No. 2 Varios fabricantes ofrecen cadenas autolubricadas. Mediante el uso de bujes de bronce sinterizado impregnado en aceite, materiales plásticos y otros sistemas, estas cadenas pueden prescindir de lubricación externa durante su vida útil, ofreciendo ventajas en aplicaciones que requieren de un alto nivel de limpieza como proceso y empaque de alimentos, fabricación y ensamble de partes electrónicas, elaboración de productos farmacéuticos, fabricación y conversión de papel, etc. Las cadenas autolubricadas tienen las mismas dimensiones básicas de las cadenas de normas ANSI, BS, ISO, etc. por lo que pueden trabajar con las mismas ruedas dentadas. La capacidad de carga y la efectividad del sistema de lubricación dependen de la tecnología empleada y varían de un fabricante a otro. Por lo tanto, es importante usar la información técnica correspondiente a la cadena en particular que se esté considerando y de ninguna manera tomar datos de una marca y modelo como válidos para otras. A temperaturas superiores a 100°C es necesario usar lubricantes especiales. Las cadenas que trabajan a temperaturas elevadas pierden algunas de las características que los materiales adquieren durante el tratamiento térmico. Para temperaturas superiores a unos 170°C es común que los fabricantes recomienden que se considere una capacidad de diseño menor a la publicada, llegando a un 50% para una temperatura de 250°C. No es recomendable usar cadenas estándar por arriba de esta temperatura.
CADENAS Y RUEDAS DENTADAS PARA TRANSMISIÓN II COLOCACION DE LAS RUEDAS DENTADAS El arreglo mas sencillo para una transmisión mediante cadena tiene los ejes horizontales y una distancia entre centros de los ejes que puede ir del equivalente a 30 eslabones al equivalente a 50 eslabones de la cadena. Además, la distancia entre centros debe permitir un contacto con un mínimo de 120° de la rueda de menor diámetro. En un arreglo de este tipo, y si la tensión y la alineación son adecuadas, la cadena es soportada por las ruedas dentadas y no requiere de guías. En estas condiciones el lado tenso de la cadena puede ser indistintamente, el de arriba o el de abajo.
La posición relativa entre los ejes puede ser horizontal, inclinada o vertical. Para las transmisiones en que la colocación relativa de los ejes es vertical o casi vertical, es preferible que la rueda dentada motriz sea la de posición más elevada, pero, con la tensión adecuada, el eje motriz puede quedar abajo.
Para arreglos con la línea entre centros horizontal en que la distancia entre centros sea corta y no se pueda ajustar, es preferible que el lado tenso quede arriba, en la condición contraria la cadena tiende a salir de la posición adecuada de contacto con la rueda dentada. Si la distancie entre centros es muy larga, también es preferible que el lado tenso sea el de arriba para impedir que el lado suelto haga contacto con el lado tenso.
Para cadenas con placas laterales planas, se recomienda que la distancia entre centros sea tal que permita un número par de eslabones ya que una cadena con un número non de eslabones requiere de un candado de placas escalonadas.
Para ejes verticales deben usarse guías de soporte o reducir al mínimo la distancia entre ejes.
En la instalación se recomienda que la tensión de la cadena permita un movimiento total ³A´, de 4 a 6 % de la distancia entre centros, C, para una transmisión horizontal y de 2 a 3% para una transmisión vertical. Transmisión horizontal
Transmision vertical
Debido a la enlongación de la cadena por desgaste, es necesario que la transmisión tenga una forma de mantener la tensión a medida que la cadena aumenta de tamaño. Para ello se puede ajustar la distancia entre centros o usar ruedas tensoras locas.
Ajuste de tensión en la cadena, mediante el movimiento de alguno de los ejes de la transmisión.
Ajuste de tensión en la cadena, mediante el uso de una rueda tensora loca o jockey.
En la mayoría de las aplicaciones industriales las condiciones de trabajo quedan dentro de los limites prácticos que se han indicado. Se recomienda consultar con el fabricante si: y
y y y y y
La potencia y velocidad de trabajo son superiores a las que aparecen en las gráficas o cuadros de selección Se requieren ruedas con menos de 19 o más de 114 dientes Las temperaturas de operación rebasan los 100°C Las condiciones ambientales se salen de lo normal El uso es de alto riesgo Habrá un alto volumen de producción
CADENAS Y RUEDAS DENTADAS PARA TRANSMISIÓN III TIPOS DE CADENAS CADENA DE BUJE Esta es la construcción más sencilla que encontramos en las cadenas modernas de transmisión. Consiste en placas laterales, que pueden ser planas o escalonadas, pernos uniendo la placas exteriores y bujes para unir las interiores. La función del buje es proporcionar una superficie de contacto ancha para las partes en deslizamiento y evitar una concentración de los esfuerzos de contacto, con su consecuente desgaste acelerado entre el perno y las placas interiores. La unión entre el buje y las placas laterales puede ser mediante un ajuste de interferencia o se puede fabricar una pieza integral soldada, de fundición o forjada. Debido al deslizamiento entre el buje y la rueda dentada, la velocidad de este tipo de cadena es algo limitada. CADENA DE RODILLO Como su nombre lo indica, esta cadena, además del buje, tiene un rodillo que elimina el deslizamiento entre la rueda dentada y el buje.
Este tipo de cadena se fabrica bajo diversas normas, las más usadas son: La inglesa, BS 228, equivalente a la ISO 606-B y DIN 8187, que considera cadena sencilla, doble (o duplex) y triple (o triplex), con paso entre 0.158" (4 mm) y 4.5" (114.3 mm). Una de las características de esta norma es un diámetro de perno amplio que ofrece mayor resistencia al desgaste de la cadena. De acuerdo al sistema ISO a esta cadena se le da un número de la siguiente forma xxB-x donde las x representan dígitos, los primeros dos corresponden al paso en 1/16 de pulgada, y el último indica si la cadena es sencilla, doble o triple. Así, el número 12B-2 representa una cadena doble con paso de 3/4". La americana, ANSI B29.1, equivalente a la ISO 606-A y DIN 8188, que contempla hasta cadena decaple (o decaplex) de diez hilos. La numeración ISO solo interca mbia la letra A por la B de la norma inglesa. El sistema de numeración americano le da un número entre el 25 (para paso de 1/4") y el 200 (para paso de 2.5"). Esta norma también contempla cadena con placas mas anchas, designada con el sufijo H y pernos tratados al núcleo, sufijo V. El número ANSI 60-2 corresponde a una cadena doble, paso 3/4", y el número ANSI 60-2HV corresponde a la misma cadena pero con placas reforzadas y perno tratado al núcleo. Las cadenas fabricadas bajo una de estas normas no deben intercambiarse ni usarse con ruedas dentadas de la otra.
Paso 3/8 ´ 1/2 ´ 5/8 ´ 3/4 ´ 1´ 1 1/4 ´ 1 1/2 ´ 1 3/4 ´ 2´
COMPARACIÓN DE DIMENSIONES Ancho Diámetro del Rodillo [pulgadas] [pulgadas] ANSI BS ANSI BS 0.168 0.208 0.200 0.250 0.284 0.283 0.312 0.335 0.343 0.362 0.400 0.400 0.459 0.437 0.469 0.475 0.575 0.650 0.625 0.625 0.692 0.728 0.750 0.750 0.924 0.949 0.875 1.000 0.924 1.157 1.000 1.100 1.156 1.157 1.125 1.151
CADENA DE DIENTE INVERTIDO O SILENCIOSA En lugar de buje o rodillo esta cadena usa placas de transmisión con forma de dientes, colocadas alternadamente hacia adelante y hacia atrás, para hacer contacto con la rueda. La geometría de esta cadena reduce el efecto poligonal e incrementa la eficiencia, por arriba de 99%. Hay ligeras diferencias en los diseños de diferentes fabricantes, que no permiten unir tramos de una marca a tramos de otras, sin embargo, las cadenas denominadas SC, generalmente fabricadas bajo la norma ANSI 29.2, pueden trabajar con ruedas de diferentes fabricantes.
Para mantener la cadena en su posición, además de las placas de transmisión, las cadenas silenciosas llevan placas guía, que pueden ir en el interior de la cadena o en los extremos. Las ruedas dentadas deberán tener ranuras que correspondan con la colocación de las placas guía internas.
La construcción de estas cadenas permite que se fabriquen en varios anchos, sin tener que recurrir a cadenas múltiples. Los modelos más comunes tienen paso que va desde 3/8" hasta 2" con anchos que pueden variar entre 3/4" y 3" para los pasos menores, y entre 3" y 6" para los pasos mayores. Debido a que los dientes de la rueda están en contacto únicamente con la mitad de las placas, es aconsejable que las ruedas tengan un número non de dientes para que en cada revolución los dientes entren en contacto con el grupo de placas alterno, promoviendo un desgaste más parejo en la rueda. Además de la cadena estándar, SC, existen otros diseños en los que el perfil de las placas de transmisión y los dientes de la rueda imitan el contacto de un piñón con una cremallera, permitiendo una transmisión de mayor capacidad, más suave, eficiente y silenciosa. Como en la cadena de rodillos, es preferible que el número de eslabones de la cadena sea par, porque un número non hace necesarias placas escalonadas en el candado.
Se han diseñado también pernos de diversas formas que promueven la suavidad y eficiencia de las transmisiones. CADENAS ESPECIALES Para condiciones adversas de trabajo se han desarrollado cadenas de materiales diversos como acero inoxidable, acero nickelado o plásticos. Estas cadenas tienen limitaciones en cuanto a capacidad, velocidad y requerimientos de lubricación, que deben tomarse en cuenta para su selección. También se han desarrollado cadenas de formas diversas, llamadas cadenas de ingeniería y aditamentos para éstas y para las cadenas estándar. Las cadenas de ingeniería y los aditamentos resuelven algunos problemas que no se prestan al uso de cadenas estándar. En realidad, los aditamentos y las cadenas de ingeniería se usan más para transportación de materiales que para transmisión de potencia, por lo que se discutirán más ampliamente en el capitulo relativo a movimiento lineal.
CADENAS Y RUEDAS DENTADAS PARA TRANSMISIÓN IV SELECCION Al seleccionar una cadena, el primer punto a considerar es la consecuencia de una falla catastrófica. Normalmente, las transmisiones cuentan con dispositivos de seguridad para prevenir las consecuencias de una falla de ese tipo, pero los costos siempre son elevados. Como hemos visto, las cadenas deben seleccionarse de manera que la falla sea por desgaste, esto nos ofrece automáticamente, un factor de seguridad (carga de ruptura/carga de trabajo) mínimo de 8. Sin embargo es importante considerar las cargas de arranque y las cargas pico. La información requerida para seleccionar una cadena es: y y y y y y
Potencia a transmitir Velocidades de ambos ejes Régimen de trabajo Tipo de máquina Tipo de motor Distancia entre centros deseada
1. Determinar la potencia de diseño P d, igual a la potencia a transmitir Pn, por el factor de servicio. Si la información es presentada en forma gráfica también debe multiplicarse con el factor de número de dientes para la rueda motriz.
Características de la Máquina Impulsada
Características del Impulsor GOLPETEO LIGERO OPERACIÓN Motores de SUAVE combustión Motores interna de 6 eléctricos, o más turbinas a cilindros y vapor o a gas, acoplamiento motores de mecánico. combustión motores interna con eléctricos acoplamiento con hidráulico arranques frecuentes
Bombas centrífugas y compresores, máquinas OPRECION punteadoras, 1 SUAVE calandrias papeleras, transportadores uniformemente
1.1
GOLPETEO MODERADO Motores de combustión interna con menos de 4 cilindros y acoplamiento mecánico
1.3
cargados, escaleras, agitadores para líquidos y mezcladores, secadores rotatorios y ventiladores. Bombas y compresores (3 o más cilindros), máquinas mezcladoras de GOLPETEO concreto, 1.4 LIGERO transportadores no cargados uniformemente, agitadores y mezcladores de sólidos. Aplanadoras, excavadoras, molinos de rodillos y de bolas, máquinas GOLPETEO procesadoras 1.8 FUERTE de hule, bombas y compresores de 1 y 2 cilindros, prensas y perforadoras petroleras.
1.5
1.7
1.9
2.1
Factores f 2 para tamaños estándar de ruedas sprocket Z1 f 2 16 1.27 17 1.12 19 1.00 21 0.91 23 0.83 25 0.76
2. Seleccionar el paso de la cadena usando las gráficas o cuadros de los catálogos o manuales de los fabricantes. Es preferible usar el paso más pequeño que pueda transmitir la potencia de diseño y velocidad requeridas, si una cadena sencilla no puede hacer el trabajo, se puede considerar una cadena múltiple. 3. Tomando en cuenta restricciones dimensionales impuestas por el diseño de la máquina y la carga radial que la cadena impondrá sobre el eje, determinar el número de dientes para la rueda motriz Z 1 y revisar si el factor de número de dientes usado en el primer paso es correcto. Si es necesario, repetir los primeros tres pasos. 4. Calcular la relación de velocidades, i, igual a la velocidad del eje motriz N 1, entre la velocidad del eje conducido N 2.
5. Determinar el número de dientes de la rueda conducida Z2, que será igual al No. de dientes en la rueda motriz por la relación de velocidades.
6. Calcular el largo de la cadena L, (número de eslabones).
En donde: C= distancia deseada entre los centros de los ejes * P= Paso de la cadena * * se deben usar las mismas unidades en ambas, ya sean mm o pulgadas. Este cálculo se debe redondear hacia arriba para tener un número par de eslabones. 7. Calcular la distancia real entre los centros de los ejes.
Si la distancia entre centros no queda en el intervalo 30P
