Elementos Flexibles de Transmisión de Potencia
Se denomina transmisión mecánica a un mecanismo encargado de transmitir potencia entre dos más elementos u órganos de una maquina, muchas veces clasificado como uno de los dos subgrupos fundamentales de estos elementos de transmisión y elementos de sujeción. En la gran mayoría de los casos, estas transmisiones se realizan a través de elementos rotantes, ya que la transmisión de energía por rotación ocupa mucho menos espacio que aquella por traslación.. Típicamente, a transmisión cambia la velocidad de rotación de un eje de entrada, lo que resulta en una velocidad de salida diferente. En la vida diaria se asocian habitualmente las transmisiones con los automóviles. Sin embargo las transmisiones se emplean en una gran variedad de aplicaciones, algunas de ella estacionarias. Las transmisiones primitivas comprenden, por ejemplo, reductores y engranajes en ángulo recto en molinos de viento o agua y maquinas de vapor, especialmente para tareas de bombeo, moliendo o elevación (norias). En general, las transmisiones reducen una rotación inadecuada, de alta velocidad y bajo par motor, del eje de salida del impulsor primario a una velocidad más baja con par de giro más alto, o a la inversa. Muchos sistemas, como las transmisiones empleadas en los automóviles, incluyen la capacidad de seleccionar alguna de varias relaciones diferentes. En estos casos, la mayor ía ía de las relaciones (llamadas usualmente “marchas” o “cambios”) se emplean para reducir la velocidad de salida del motor e incrementar el par de giro; sin embargo, las relaciones más altas pueden ser sobre marchas que aumentan la velocidad de salida.
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Correas
Las correas son elementos de transmisión de potencia, de constitución flexible, que se acoplan sobre poleas que son solidarias a ejes con el objeto de transmitir pares de giro. Su naturaleza flexible va a permitir que su fabricación se realice con una cierta incertidumbre mecánica que puede ser asumida, posteriormente, en su montaje. En general, el empleo de correas en las transmisiones resulta una opción más barata, pero como contrapartida, este tipo de elementos no pueden garantizar una relación de transmisión siempre constante entre ejes, dado que pueden originarse pequeños deslizamiento de la correa sobre la canaladura de la polea, debido, por ejemplo, a que el tensado inicial no se ha hecho correctamente, o en todo caso, producido por el desgaste con las horas de funcionamiento. Las correas de transmisión se clasifican en:
Correas planas: actualmente ya en desuso y sustituidas gradualmente por las trapezoidales, se utilizaban sobre todo en aquellas transmisiones donde no se requerían grandes prestaciones, esto es, que no se transmiten grandes pares ni la velocidad lineal que alcanza la correa es elevada (< 5 m/s). También pueden emplearse cuando la distancia entre ejes de poleas es elevada. Las correas planas se dividen a su vez en correas "sin fin", también llamadas correas continuas, y correas abiertas, que se denominan así porque se suministran abiertas para su montaje y posteriormente son cerradas mediante grapas o pegamento industrial. Correas trapezoidales o de sección en "V": las correas en "V" permiten transmitir pares de fuerzas más elevados, y una velocidad lineal de la correa más alta, que puede alcanzar sin problemas hasta los 30 m/s.
Correas dentadas o síncronas (timing belts): tienen aplicación sobre todo en aquellas transmisiones compactas y que se requieren trasmitir alta potencia. En este caso se deben emplear poleas de pequeño diámetro, y las correas dentadas ofrecen mayor flexibilidad y mejor adaptabilidad al dentado de la polea. Por otro lado, también permiten
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ofrecer una relación de transmisión constante entre los ejes que se acoplan.
Cinemática de las correas Conductoras
Se conoce como correa de transmisión a un tipo de transmisión mecánica basado en la unión de dos o más ruedas, sujetas a un movimiento de rotación, por medio de una cinta o correa continua, la cual abraza a las ruedas ejerciendo fuerza de fricción suministrándoles energía desde la rueda motriz. Es importante destacar que las correas de trasmisión basan su funcionamiento fundamentalmente en las fuerzas de fricción, esto las diferencia de otros medios de flexibles de transmisión mecánica, como lo son las cadenas de transmisión y las correas dentadas las cuales se basan en la interferencia mecánica entre los distintos elementos de la transmisión. Las correas de transmisión son generalmente hechas de goma, y se pueden clasificar en dos tipos: planas y trapezoidales.
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Fuerza en las Correas
La potencia transmitida por una correa es función de la diferencia entre las tensiones de sus ramas y de su velocidad lineal, ya que como se observa en la siguiente figura, el par transmitido viene dado por:
M (F F )•r
Siendo: M = par motor. F1 = fuerza en el ramal más cargado. F2 = fuerza en el ramal menos cargado. r = radio de la polea. Y como entre las expresiones de la potencia se tiene que: N = M•n
Siendo: N = potencia. M = par motor. n = régimen de giro. Sustituyendo la primera expresión en la segunda se tiene:
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N (F F )•n•r
Y como: n·r = velocidad lineal de la correa se tiene: N = (F1−F2)•v
Siendo: N = potencia transmitida. F1 - F2 = diferencia de carga entre los ramales de la correa v = velocidad lineal de la correa. La transferencia de potencia en una transmisión por correa requiere de la fricción. Las transmisiones por correas son transmisiones por fricción y flexibles, lo que le permite transmitir el movimiento de la polea conductora a la conducida, con la potencia deseada, gracias a la fuerza de rozamiento que surge en el contacto entre la polea y correa. En una transmisión por correas, la correa sufre tensiones y distensiones, de forma que aumenta la tensión en una rama de la correa (T1) y esto hace que disminuya la tensión en el otro (T2), mientras que la suma de las tensiones se mantiene constante. La transmisión de potencia comprensibilidad elástica.
por
correas
se
caracteriza
por
su
Presenta un ramal fuerte, donde la correa se estira. Y un ramal flojo, donde la correa se encoje.
La diferencia de longitudes existente entre los dos ramales de la correa (por estar a diferente tensión) se compensa en el deslizamiento elástico entre la correa y la llanta de la polea. Este deslizamiento no se produce en la totalidad del arco abarcado por la correa, sino sólo en una fracción o zona del arco de contacto. En este deslizamiento se moviliza el coeficiente de rozamiento que hace que se transmita esfuerzo entre la llanta y la correa. Toda correa tiene cierta masa que al someterse a movimiento curvilíneo, sufre el efecto de la fuerza centrífuga. Esta fuerza actúa sobre todos y cada
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uno de los elementos diferenciales en movimiento, provocando tensiones complementarias en ambas ramas de la correa.
Selección de correas planas
Las correas planas se caracterizan por tener por sección transversal un rectángulo. Fueron el primer tipo de correas de transmisión utilizadas, pero actualmente han sido sustituidas por las correas trapezoidales. Son todavía estudiadas porque su funcionamiento representa la física básica de todas las correas de trasmisión. Las correas del tipo plano están constituidas por una banda continua cuya sección transversal es rectangular, fabricadas de distintos materiales siendo los más empleados: • Cuero de 4 a 6 mm. de espesor. Para bandas de más espesor se unen capas sucesivas de cuero mediante adhesivos, construyéndose bandas de dos capas y bandas de tres capas.
Las correas planas poseen una sección generalmente de tipo rectangular y transmiten la potencia entre las poleas de los árboles, mediante rozamiento entre las superficies correa - polea. Fue el modelo de correa más empleado (denominado "banda") por las industrias de comienzo de siglo para poder transmitir la potencia desde el punto de generación a las diferentes máquinas del local. Hoy en día se emplea muy poco debido a la existencia de las correas de sección trapezoidal, que permiten transmitir más par, y a las correas sincronizadas, que permiten un mejor sincronismo entre los ejes de entrada y salida. Algunas de sus ventajas son:
Se emplean principalmente cuando la distancia entre centros de árboles sea elevada. Cuando se utilizan correas planas (o bandas) puede obtenerse acción de embrague. Permiten configuraciones cruzadas, es decir, transmisión de potencia entre dos ejes no paralelos. Existe la posibilidad de obtener la longitud deseada, por unión entre extremos.
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Suelen ser delgadas, por lo que el efecto de fuerza centrifuga es menor. Esto implica que puedan operar con poleas pequeñas a altas velocidades. Las relaciones de transmisión, por tanto, suelen ser elevadas (i = [1 - 40]). Velocidades de los ramales hasta 60 m/s. Rendimientos altos, entre 0.96 y 0.98 (siempre que se encuentre pretensada correctamente).
Y sus inconvenientes más importantes:
Debido a los efectos de deslizamiento que se produce entre superficies, la relación de transmisión entre las velocidades angulares de los dos ejes no es siempre constante ni exactamente igual a la relación entre los diámetros de las poleas. Precisan de un esfuerzo de pretensado inicial que pude producir problemas de fatiga en los ejes, y daños en los cojinetes (si hubiera).
Existen varios tipos de materiales para poder construir las correas planas. Entre ellos se destacan los siguientes:
Plásticos Termosoldables: estás pensados para poder unir los extremos de una correa plana, mediante la aplicación de presión y calor. Generalmente son polímeros tales como el poliuretano, que se caracterizan por tener unos colores llamativo. Cuero curtido con corteza de roble. Permite transmitir grandes potencias a velocidades moderadas con una larga duración. Sin embargo, son costosas y pueden sufrir estiramientos y contracciones. Además son más sensibles a la humedad y radiaciones solares. Cauchos reforzados mediante cuerdas de algodón, nylon o alambres. gracias a los refuerzos pueden soportar cargas de potencia de hasta 3 KW / mm de ancho de la correa, con velocidades elevadas.
La elección de un tipo de material u otro está directamente relacionado con el coste, la duración, las dimensiones (longitud y anchura) y el nivel de confianza deseado.
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Selección de Correas en “V”
La selección de la correa de transmisión determina la capacidad de trabajo de toda la transmisión. Las correas trapezoidales o correas en "V" trabajan a partir del contacto que se establece entre los flancos laterales de la correa y las paredes del canal de la polea. Según las normas ISO las correas trapezoidales se dividen en dos grandes grupos: las correas de secciones con los perfiles clásicos Z, A, B, C, D y E, y las correas estrechas de secciones SPZ, SPA, SPB Y SPC. En la figura adjunta se representa esquemáticamente una sección tipo de correa trapezoidal o correa en "V":
Donde, a, es el ancho de la cara superior de la correa; h, es la altura o espesor de la correa; ap, es el denominado ancho primitivo de la correa.
En la siguiente tabla se muestran los valores de los parámetros anteriores según el perfil de correa:
Las correas trapezoidales o en "V" trabajan en condiciones óptimas cuando lo hacen a velocidades lineales dentro del rango de los 20-22 m/s.
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Las correas en "V" no deben trabajar a velocidades superiores de los 30 m/s, dado que la elevada fuerza centrífuga que se genera terminaría sacando la correa de la ranura de la polea. Por otro lado, si funcionasen a velocidades más baja también necesitarían un proceso de equilibrado estático para conseguir un trabajo más óptimo.
Selección de Cables de Alambres
El cable metálico de alambre se fabrica en dos tipos de torcido, como se indica en la figura. El torcido normal, que es el estándar, los alambres están torcidos en un sentido para formar los cordones o torones, y estos se tuercen en sentido contrario para formar el cable. En el cale terminado los alambres quedan visiblemente paralelos al eje geométrico del cable. En los cables de torcido normal no se forman dobleces ni se destuercen, y son vaciles de manejar. Los cables de torcido Lang tienen los alambres en cada torón y los torones del cable torcidos en el mismo sentido; por fuera, los alambres se ven en dirección diagonal a través del cable. Este tipo de cable es más resistente al desgaste por abrasión y a la falla por fatiga que los de torción normal, pero tienen más tendencia a formar cocas y destorcerse. Los cables estándares se hacen con alma de cáñamo, que soporta y sirve para lubricar los torones. Cuando los cables están sometidos a calor, deben utilizarse los de centro de acero o de centro de torón de alambre. Los cables metálicos se designan, por ejemplo, como cable de arrastre de 1 1/8 de pulgadas, 6 * 7. El primer número es el diámetro del cable, el segundo y el tercero son el número de torones y el número de alambres en cada torón, respectivamente. El área transversal de metal en cables de izar y de arrastre estándares, es: Cuando un cable metálico pasa alrededor de una polea se produce cierto acomodo de sus elementos. Cada uno den los alambres y torones debe deslizar uno sobre otro y, presumiblemente, ocurre alguna flexión. Es probable que en esta acción compleja se produzca cierta concentración de esfuerzos. El esfuerzo en uno de los alambres de un cable 10
que pasa sobre una polea puede calcularse en la forma siguiente: de la mecánica de sólidos se tiene: O también donde las cantidades tienen su significado usual. Eliminando M y despejando el esfuerzo queda: Para el radio de curvatura r, puede introducirse el radio de la polea; es decir, D / 2. así mismo. Los cables de alambre con núcleo de fibra se utilizan casi exclusivamente para propósitos de izaje, como puede ser el izar pilotes; los cables de alambre con núcleos de torones o núcleos independientes de cable de alambre, se utilizan para líneas de sustentación o cables de izaje. Las prácticas de manufactura para estos cables varían, dependiendo del uso que se piensa darles. Los cables de alambre se emplean para malacates, grúas, contravientos y cables de suspensión de puentes. Aunque los cables de alambre se usan ocasionalmente para miembros de contraventeo, su aplicación es limitada, debido a su incapacidad para soportar fuerzas de compresión, a la necesidad de accesorios especiales de conexión y a su alargamiento excesivo cuando se utiliza toda su resistencia. En algunas estructuras especiales, tales como torres de acero atirantadas con cables, pueden diseñarse los alambres y los cables con una tensión inicial considerable, de modo que la estructura tenga un pres forzado que aumente su efectividad para resistir las cargas exteriores; los cables pres forzados pueden soportar compresiones resultantes de las cargas exteriores, siempre que no excedan la tensión inicial.
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Tipos de cadenas de transmisión de potencia
Las diversas exigencias de explotación a que son sometidas las transmisiones por cadenas han permitido la aparición de una variedad de tipos de cadenas, las cuales satisfacen diferentes características y facilidades para la explotación. Dentro de las cadenas de transmisión de potencia los más conocidos tipos de cadenas son las de casquillos, las de eslabones perfilados (desmontables), las dentadas, las de rodillos y las correas dentadas.
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 más ligeras y baratas. Actualmente son empleadas algunas soluciones de cadenas extra ligeras de casquillos con pasadores huecos para disminuir el peso de las cadenas. Cadenas de Eslabones Perfilados: Este tipo de cadena tiene la ventaja de un fácil arme y desarme de sus eslabones, pues ellos no necesitan ningún otro elemento complementario. El enlace de estos eslabones se hace al desplazar lateralmente el uno con respecto a otro. El diseño de estos eslabones permite su intercambio fácilmente, 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 precisión del paso de los eslabones. Habitualmente, son explotadas en condiciones de lubricación y protección imperfectas, sin exigencias severas de reducción de las dimensiones exteriores. Usualmente, las cadenas de eslabones perfilados se utilizan en la construcción de maquinaria agrícola. Cadenas Dentadas: Las cadenas dentadas, conocidas también como cadenas silenciosas, constan de un juego de chapas con formas de dientes. Estas chapas están enlazadas en determinado orden y articulan con deslizamiento o rodamiento, según sea el tipo constructivo de la cadena. Las articulaciones en las cadenas dentadas determinan en grado considerable su capacidad de trabajo, siendo
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superiores las cadenas con articulaciones de rodadura con empleo de prismas con superficies cilíndricas 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 guía. En pequeñas velocidades se aconseja utilizar cadenas con chapas guía centrales. En este último caso, en los dientes de las ruedas se deben hacer unas entalladuras para las chapas guías. Varias son las normas de dimensiones establecidas para las cadenas dentadas, las más conocidas son: la alemana DIN 8190, la estadounidense ANSI B292M-82 y la soviética GOST 13552-81. Hasta el momento, no existe una normalización 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. 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 es 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 número de dientes cercanos al del patrón de la fresa.
Correas Dentadas: A partir de la década del 40 surgen las correas y poleas dentadas como una transmisión capaz de dar respuesta a las exigencias de sincronismo, flexibilidad y movimiento silencioso demandadas en los nuevos diseños de la época. Desde entonces las mejoras constructivas y el conocimiento alcanzado en las leyes de distribución de la carga en los flancos de los dientes engranados entre la correa y las poleas han contribuido a la amplia difusión de esta transmisión en la actualidad. Las transmisiones por correas dentadas se caracterizan principalmente porque en ellas no existe un contacto metálico, 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 fricción. Otras de las ventajas indicadas a esta transmisión corresponden a un alunamiento de la tensión de montaje y no requerimiento de lubricación. En contraposición con las transmisiones de cadenas metálicas, es señaladle una menor resistencia a la tracción y por consiguiente una menor potencia transmisible por unidad de ancho, mucho más acentuado en casos de
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bajas velocidades. En correas de caucho, puede ser contraproducente su empleo en un ambiente con posibilidad de contaminación con aceite o con una temperatura superior a los 60ºC. Actualmente existen tres perfiles típicos para las correas dentadas: el flanco recto, parabólico y curvilíneo. La sencillez constructiva a determinado que el perfil recto sea el más 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 curvilíneos y parabólicos se caracterizan por una mejor distribución de la carga y una mayor capacidad de carga. Los parámetros principales de las correas dentadas son: longitud, paso y ancho, los cuales siempre deben ser tenidos presentes en la selección y cálculo de las transmisiones por correas dentadas. Las poleas de la transmisión se caracterizan por el número de dientes, diámetro primitivo, diámetro exterior y ancho de la polea.
Cadenas de Rodillos: las cadenas de rodillos son un medio altamente eficiente y versátil de transmisión mecánica. Hasta la fecha, en el campo de las aplicaciones industriales la cadena de rodillos ha sido la de mayor difusión entre la variedad disponible de cadenas de transmisión. Este tipo de cadena, en su construcción más generalizada, está compuesta por placas interiores y exteriores que se alternan sucesivamente y unidas entre si de forma articulada. Cada articulación de la cadena consta de un pasador en unión con la placa exterior, un casquillo que se encuentra unido a los agujeros de las placas interiores y por último 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, diferenciándose estos empalmes según la cantidad de eslabones sea un número par o impar. Es aconsejable emplear cadenas con un número par de eslabones, teniendo en cuenta que los eslabones de unión son más resistentes que los correspondientes a un número impar de eslabones. Las cadenas de rodillos para transmisión de potencia se fabrican en empresas o compañías especializadas en su producción y comercialización. Como característica de la resistencia mecánica de la cadena se utiliza la carga límite por rotura, cuya magnitud se determina mediante ensayos y pruebas en la fábrica constructora de cadenas y se reglamenta por las normas. Como parámetros geométricos principales de las cadenas
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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 según se observa en la siguiente tabla. En caso de grandes cargas y velocidades, para evitar pasos grandes, desfavorables en cuanto a las cargas dinámicas, se emplean cadenas de varias hileras de rodillos. Se componen de los mismos elementos que las de una hilera, sólo que sus ejes tienen una longitud aumentada. Las potencias a trasmitir y la carga límite por rotura de las cadenas de múltiples hileras son casi proporcional al número de ramales. Generalmente la cantidad de hileras de rodillos en las cadenas de múltiples ramales se selecciona entre 2 – 4.
Cinemática de las Cadenas Conductoras
Las cadenas conductoras, estas están diseñadas para trabajar en condiciones de extrema humedad, abrasión, corrosión , en algunos casos en altas temperaturas y a esfuerzos de tensión continuos transportando los más diversos materiales como bagazo, clinker, cal, arena, carbón etc. Los materiales de construcción, su proceso de fabricación y su aplicación en particular establecen su geometría en lo particular.
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Figura 2. Tipos de Correas
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