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Elementos flexibles para generar movimiento parte 1 - Monografía



 
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Automoción. Máquinas. Accionamientos. Instalaciones mecánicas. Transmisiones de potencia. Cadenas. Correas. Bandas



OBJETIVOS



GENERAL:



- Desarrollar un estudio para el conocimientos de elementos flexibles existentes para generar movimiento.

ESPECIFICOS:



- Conocer y estudiar los elementos flexibles generadores de movimiento.
- Verificar las condiciones para seleccionar el tipo de generador de movimiento.
- Establecer diferencias entre los elementos flexibles.
- Aplicar en situaciones especificas, los elementos flexibles para un movimiento.

INTRODUCCIÓN



Los elementos de máquinas flexibles, como bandas, cables o cadenas, se utilizan para la transmisión de potencia a distancias comparativamente grandes. Cuando se emplean estos elementos, por lo general, sustituyen a grupos de engranajes, ejes y sus cojinetes o a dispositivos de transmisión similares. Por lo tanto, simplifican mucho una máquina o instalación mecánica, y son así, un elemento importante para reducir costos.

Además son elásticos y generalmente de gran longitud, de modo que tienen una función importante en la absorción de cargas de choque y en el amortiguamiento de los efectos de fuerzas vibrantes. Aunque esta ventaja es importante en lo que concierne a la vida de una máquina motriz, el elemento de reducción de costos suele ser el factor principal para seleccionar estos medios de transmisión de potencia.

TRANSMISIONES POR CADENAS.



Dentro de las transmisiones mecánicas con enlace flexible entre el elemento motriz y la máquina movida se encuentra la transmisión por cadena como una de las más utilizadas para trasmitir potencia mecánica de forma eficiente, con sincronismo de velocidad angular entre los elementos vinculados y cuando existe demanda de grandes cargas en los accionamientos.

La transmisión por cadena está 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 la transmisión 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 más simple, la transmisión 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.

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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 inmersión o con surtidores de aceite a presión aplicados en las zonas de inicio del engrane entre la cadena y las ruedas dentadas.

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En el caso de guarderas o carcazas, la envoltura no debe dificultar la regulación 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 así, se introducen dispositivos reguladores de la requerida tensión de la cadena. Habitualmente, con auxilio de dispositivos reguladores se puede compensar el alargamiento de la cadena hasta la longitud de dos eslabones, después de esto es conveniente quitar dos eslabones de la cadena y situar el dispositivo regulador en posición inicial.

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Las transmisiones por cadenas tienen gran utilidad en las máquinas de transporte (bicicletas, motocicletas y automóviles), en máquinas agrícolas, 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.
- Alto rendimiento.
- Pequeña magnitud de carga sobre los árboles.
- 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 lubricación adecuada.
- Presentan cierta irregularidad del movimiento durante el funcionamiento de la transmisión.
- Requiere de una precisa alineación durante el montaje y un mantenimiento minucioso.

Según su aplicación, las cadenas pueden ser divididas para su estudio en tres grupos:

1. Cadenas de carga:

Son empleadas para suspender, elevar y bajar cargas. Ellas son empleadas predominantemente en las máquinas 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.

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Dimensiones de algunas cadenas de carga con eslabones redondos según DIN 766 y capacidad de carga declarada por la firma española YUK1.

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1 YUK, Cadenas YUK (catalogo técnico), Valencia, 1994.

2. Cadenas de tracción:

Son empleadas para mover cargas en las maquinas transportadoras, trabajan con velocidades medias (hasta 2-4 m/s). En su fabricación se emplean eslabones de pasos largos, usualmente entre los 50 y 1000 mm.

3. Cadenas de transmisión de potencia:

En estos accionamientos, la cadena y la rueda son usadas como engranaje flexible para trasmitir torque desde un eje de rotación a otro. Generalmente son empleados eslabones pequeños y de gran precisión en sus dimensiones, con pasos entre 4 y 63.5 mm, con el objetivo de reducir las cargas dinámicas, y con pasadores resistentes al desgaste para asegurar una conveniente duración.

Como es posible apreciar, el elemento principal de este tipo de transmisión mecánica es la cadena, la cual define la seguridad, duración y capacidad de trabajo de la transmisión. De los tres grupos de cadenas anteriores que se emplean en la industria moderna, son las cadenas de transmisión de potencia las más difundidas. Además de clasificar dentro de las transmisiones mecánicas más eficiente en aplicaciones industriales, con un valor que oscila alrededor del 98% por cada etapa de transmisión. Por tal motivo, las transmisiones de potencia con cadenas serán objeto de estudios en este material.

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.

A. 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 extraligeras de casquillos con pasadores huecos para disminuir el peso de las cadenas.

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B. 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.
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C. 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 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 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 número de dientes cercanos al del patrón de la fresa.

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D. 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.

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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 anulamiento de la tensión de montaje y no requerimiento de lubricación.

En contraposición con las transmisiones de cadenas metálicas, es señalable una menor resistencia a la tracción 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 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.
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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.

E. 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, esta 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.
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Las cadenas de rodillos para transmisión de potencia se fabrican en empresas o compañías especializadas en su producción y comercialización. Algunas de las más conocidas firmas productoras son las alemanas Iwis y Köbo, la italiana Regina, la inglesa Renold, la española Iris y las estadounidenses Rexnord , Link-Belt y Diamond.

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 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.
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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.

NORMALIZACIÓN INTERNACIONAL DE LAS CADENAS DE RODILLOS.


Las posibilidades constructivas y dimensionales de las cadenas de rodillos creo desde un inicio la necesidad de normalizar las transmisiones por cadenas. Se ha planteado que los primeros intentos de normalizar las cadenas surge durante una reunión de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) en 1928. Desde esa época hasta nuestros días la normalización de las transmisiones de cadenas de rodillos ha estado dirigida a establecer una homogeneidad en las dimensiones de las cadenas, caracterizada por relaciones dependientes del paso y el ancho entre las placas interiores.

Las dimensiones de las cadenas han sido diferenciadas en dos series, reconocidas como la serie Americana, normalizada en ANSI Standard B29.1-1975, y la serie Europea. En la actualidad ambas series han sido recogidas en la segunda versión de la Norma Internacional ISO 606-1994 (la primera versión fue aprobada en 1982). En la mencionada Norma ISO, se reconocen las cadenas con dimensiones derivadas de ANSI con la letra A y aquellas cadenas con dimensiones representativas de la unificación de las normas originarias de Europa con la letra B. Otras normas nacionales reconocen esta diferenciación en las dimensiones de las cadenas según ambas series, ejemplo de ello son las normas alemanas DIN 8187 (serie europea) y DIN 8188 (serie americana).

En los siguientes gráficos puede ser observado que las desigualdades dimensionales entre ambas series de cadenas solo son significativas en el diámetro del rodillo y el ancho interior para cadenas con pasos de 1½ ¨ (38,1 mm) y 1¾¨ (44,45mm). La más notable diferencia generalmente corresponde al mayor diámetro del pasador en la serie B, lo que garantiza una mayor área resistiva al desgaste, pero una menor carga límite de tracción.
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En la anterior tabla, el valor indicado de carga límite de tracción corresponde a la fuerza axial mínima de estirado, aplicada en una cadena de rodillos con al menos 5 eslabones, que durante las pruebas de resistencia provocó un incremento de su longitud sin un aumento de la carga aplicada (carga límite por deformación plástica).

Tan importante como las dimensiones del eslabón en la cadena es la forma de cálculo y control de la longitud total de la cadena. Un simple análisis puede revelar que la longitud nominal de la cadena puede ser calculada como el producto de la cantidad de eslabones por el paso de la cadena, de forma tal que la comparación entre la longitud real de la cadena y su valor nominal puede indicar fácilmente el nivel de desgaste en sus articulaciones o el error de paso acumulado en la cadena.

En la norma internacional ISO 606:1994, se establece el control de la longitud de la cadena recién construida mediante una fuerza de estirado que revela el correcto acoplamiento de los elementos participantes en las articulaciones, así como la calidad dimensional de los eslabones. Para ello, se recomienda que la longitud de cadena empleada en el control sea mayor que: 610 mm para cadenas comprendidas entre las denominaciones 05B y 12B (ver tabla 2.1); 1220 mm para cadenas comprendidas entre las denominaciones 16A y 48B (ver tabla 2.1).

El tramo de cadena para el control de la longitud debe terminar en eslabones interiores (placas interiores, casquillo y rodillo), mediante los cuales, y empleando un enganche que permita un libre movimiento de rotación en el plano normal de la articulación, se le aplicará suavemente a la cadena una determinada fuerza de control en dependencia del paso de la cadena y la cantidad de hileras (ver tabla 2.2). En casos de cadenas nuevas no lubricadas, la longitud medida debe estar entre los límites del 0 % a 0,15% de la longitud nominal ( paso x cantidad de eslabones). Otras normas, como DIN 8187/8188, recomiendan una tolerancia de longitud en función del paso y la cantidad de eslabones, coincidiendo con la norma ISO en las tolerancias declaradas para 49 eslabones.
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ACCESORIOS



Ruedas para cadenas de rodillos: la capacidad de trabajo de una transmisión por cadenas depende, en muy buena medida, de la calidad de las ruedas (sprockets) de la transmisión. La exactitud de fabricación de los dientes y su paso, el acabado de las superficies activas, el material empleado y el tratamiento térmico aplicado a los flancos de los dientes tienen una gran influencia en la durabilidad y buen funcionamiento de la transmisión.

Las ruedas de transmisiones lentas (hasta 3 m/s), que no soportan cargas de choques, pueden ser construidas de hierro fundido con una resistencia a la tracción no menor de 210 MPa, pero indiscutiblemente, que la mayor difusión la alcanzan las ruedas fabricadas con aceros al carbono medio o aleados, donde son templados superficialmente los dientes hasta lograr durezas en flanco entre 45 y 55 HRC. Si fuera necesaria una elevada resistencia al desgaste, pueden emplearse ruedas elaboradas de acero cementables, que permita alcanzar a los dientes durezas superficiales del orden de los 60 HRC mediante una capa de cementado de 1 a 1,5 mm de espesor.

En casos de trabajos suaves, sin grandes cargas y con exigencias de bajo nivel de ruido, pueden hacerse las coronas dentadas de plásticos de fibras de vidrio y poliamidas23, lo que permite atenuar considerablemente el ruido y elevar la duración de las cadenas (debido a la reducción de las cargas dinámicas).

Los dientes de las ruedas para cadenas de rodillo se elaboran con perfiles convexos, cóncavos, rectilíneos o combinados (generalmente rectilíneo convexo), a pesar que la experiencia muestra que el perfil cóncavo dispone de mayor resistencia al desgaste debido a que aporta una mayor longitud activa en el perfil del diente, es la forma convexa la más difundida en la actualidad por las facilidades tecnológicas de fabricación y se ha dejado el perfil cóncavo para los casos de transmisiones con elevadas velocidades periféricas.

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FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO GEOMÉTRICO DE LAS RUEDAS DENTADAS DE CADENAS DE RODILLOS.


Parámetros fundamentales: son:

z : número de dientes (z1= número de dientes del piñón, z2= número de dientes de la catalina)
p : paso de la cadena.
dR: diámetro de los rodillos de la cadena.
Pt : paso transversal
Nhil : número de hileras.
h2 : altura de la placa interior

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