Cadenas de Rodillos-teoria

Transmisión por cadenas de rodillos.

1 – GENERALIDADES SOBRE LAS TRANSMISIONES DE POTENCIA 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. cadena

Piñón (rueda menor)

Catalina (rueda mayor)

Fig. 1 - Esquema básico de una transmisión 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 inmersión o con surtidores de aceite a presión aplicados en las zonas de inicio del engrane entre la cadena y las ruedas dentadas. Ramal de carga (tensado) Rueda motriz

y

y

Ramal sin carga (destensado)

Fig. 2 – Tensado adecuado de la cadena en una transmisión. Para un montaje horizontal con cargas de impacto se recomienda y = (0,02…0,01) .a, con carga suave y = 0,04.a. Para un montaje vertical se orienta y = 0,01.a 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.

Transmisión por cadenas de rodillos.

Fig. 3 – Esquemas de transmisiones con cadenas empleando dispositivos tensores. 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.

Transmisión por cadenas de rodillos.

1.1.5 – 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.

Placa interior

Placa exterior

Rodillo

Fig. 7 – Cadena de rodillos.

Casquillo

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. Tabla 1.8 – Campos de aplicación de las transmisiones con cadenas de rodillos8. Aplicación Motocicletas y bicicletas. Máquinas agrícolas Máquinas para la industria del petróleo. Maquinaría general

Rango del paso (mm) 12,700 … 15,875 15,875 … 41,300 19,050 … 63,500 8,000 … 50,800

Rango de carga límite de la cadena (N) 7500 … 20000 2000 … 160000 38000 … 430000 2000 … 160000

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.

8

Dobrovolski, V., Zablonski, K. Y otros, Elementos de Máquinas, pag.448, Edit. MIR, Moscú, 1976.

Transmisión por cadenas de rodillos.

2.2 – 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.

p dR

ha

Polígono primitivo

re

ri

d

α

360° / z

Fig. 10 – Perfil convexo de los dientes de una rueda para cadena de rodillos en el plano transversal .

Transmisión por cadenas de rodillos.

El cálculo de la geometría de las ruedas para cadenas de rodillos usualmente está basado en fórmulas teóricas y expresiones con factores empíricos vinculados a la tecnología de fabricación. En sentido general ha existido un marcado interés en la normalización de las dimensiones de las ruedas para cadenas de rodillos, siendo la norma alemana DIN 8196 y la norma internacional ISO 606:1994 buenos ejemplos de ello. El perfil convexo es el aceptado por la mencionada norma ISO y establece las dimensiones limites del espacio interdental considerando las magnitudes que permitirían un espaciado máximo o mínimo entre los dientes de la rueda. Adicionalmente, el diámetro de cresta de las ruedas, aunque es independiente de la forma seleccionada de espaciado, está sujeta a las limitaciones que impone la herramienta de corte empleada en la elaboración de la rueda, por ello, es necesario que el diámetro de la circunferencia de cresta este dentro de los valores máximos y mínimos recomendados para una conveniente fabricación. A continuación son dadas las formulas necesarias para el cálculo de los parámetros geométricos básicos para un correcto dimensionado de las ruedas para cadenas de rodillo, tomando en consideración la norma ISO 606:1994. FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO GEOMÉTRICO DE LAS RUEDAS DENTADAS DE CADENAS DE RODILLOS.

Parámetros fundamentales: 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 Diámetro del circulo primitivo:

Diámetro de fondo:

d=

p  180 o sen   z 

   

d f = d − dR

MÁXIMO DIÁMETRO DE CRESTA

Diámetro de cresta máximo:

d a max = d + 1,25 ⋅ p − dR

Altura máxima desde el polígono primitivo:

h a max = 0,625 ⋅ p − 0,5 ⋅ dR +

MÍNIMO DIÁMETRO DE CRESTA

1, 6   d a min = d + p ⋅  1 −  − dR  z  = 0 ,5 ⋅ ( p − d R ) Altura mínima desde el polígono primitivo: h a min Diámetro de cresta mínimo:

MÍNIMO ESPACIO ENTRE DIENTES

Radio de flanco máximo: r e

max

= 0,12 ⋅ d1 ⋅ ( z + 2 )

Radio mínimo de asiento del rodillo: ri min Ángulo máximo de asiento del rodillo:

= 0,505 ⋅ dR

α max = 140 o −

90 o z

0 ,8 ⋅ p z

Transmisión por cadenas de rodillos.

MÁXIMO ESPACIO ENTRE DIENTES

Radio de flanco mínimo:

re

min

(

= 0,008 ⋅ d1 ⋅ z 2 + 180

Radio máximo de asiento del rodillo: ri max Ángulo mínimo de asiento del rodillo:

)

= 0,505 ⋅ d1 + 0,069 ⋅ 3 dR

α min = 120 o −

90 o z

bf1

bf

ba

pt

rx

df

dg

ra

Fig. 11 – Algunas dimensiones básicas de las ruedas dentadas para cadenas de rodillo en el plano axial.

Ancho del diente bf1 (magnitud menor que el ancho interior de la cadena b1 ): Para p ≤ 12,7 mm

b f 1 = 0,93 ⋅ b1 ; con tolerancia h14. Para ruedas de dos y tres hileras : b f 1 = 0,91 ⋅ b1 ; con tolerancia h14. Para ruedas de cuatro y más hileras : b f 1 = 0,88 ⋅ b1 ; con tolerancia h14. Para ruedas de una hilera :

Para p > 12,7 mm Para ruedas de una hilera : Para ruedas de varias hileras :

b f 1 = 0,95 ⋅ b1 b f 1 = 0,93 ⋅ b1

; con tolerancia h14. ; con tolerancia h14.

Transmisión por cadenas de rodillos.

b f = (Nhil − 1) ⋅ p t + b f 1 Radio lateral del diente en el plano axial: r x = p Ancho de la corona dentada:

Biselado lateral del diente ba:

b a = 0,06 ⋅ p • Para otro tipo de cadena diferentes a las recomendadas para bicicletas : b a = 0,13 ⋅ p p − 1,04 ⋅ h 2 − 0,76 mm Diámetro máximo de la separación entre hileras: d g =  180 o   tan   z    •

Para cadenas con designación ISO 081, 083, 084 y 085 (recomendadas para bicicletas):

FUERZA O CARGA UTIL DE LA CADENA :

F=

1000 ⋅ P V

=

2000 ⋅ T d

Siendo: P : Potencia nominal trasmitida por la cadena (kW). V : Velocidad nominal de la cadena (m/s) T : Momento torsor en la rueda analizada (Nm). d : Diámetro primitivo de la rueda analizada (mm),

VELOCIDAD LINEAL DE LA CADENA DE RODILLOS.

n ⋅ π ⋅ d1 v= 1 60000 Siendo:

v

: Velocidad nominal de la cadena [m/s]

n1 : Frecuencia de rotación del piñón (min-1). d1 : Diámetro primitivo del piñón (mm).

(m/s)

[N]

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– Deterioros en las Transmisiones por Cadenas. Las causas principales de los fallos de funcionamiento de las transmisiones por cadenas son: Desgaste de las articulaciones: Es la causa principal de fallo de las transmisiones por cadenas y provoca su alargamiento durante su funcionamiento, desgastándose principalmente los pasadores, los casquillos y rodillos. Con el tiempo de explotación, el paso de la cadena aumenta hasta que los eslabones entran indebidamente en los dientes de la rueda, surgiendo el peligro de alterarse el engrane y de que salte la cadena de las ruedas. La experiencia ha mostrado que el desgaste en la cadena de una transmisión de potencia puede ser tolerado hasta que no presente un alargamiento mayor de los siguientes valores: En accionamientos simples: 3% de su longitud inicial32 En accionamientos de elevadas exigencias: 2% de su longitud inicial33 En accionamientos con exigencias de sincronismo: 1% de su longitud inicial34 Por ejemplo: una cadena de 66 eslabones de ¾¨ (19,05 mm de paso), de una transmisión industrial con exigencias normales de explotación, tiene una longitud inicial 1257,3 mm (19,05 mm x 66), cuando la cadena se estire hasta una longitud de 1295,0 mm (1257,3 mm x 1,03) debe ser remplazada. Rotura de los agujeros de las placas : Este deterioro esta asociado a una rotura por fatiga del material en los agujeros de las placas, que soportan una carga con variaciones en su magnitud durante el recorrido del eslabón por los ramales de la cadena. Es un deterioro con grandes probabilidades de ocurrencia en las cadenas de rodillos rápidas y muy cargadas que trabajan dentro de carcasas cerradas con buena lubricación35. Perdida del ajuste por interferencia entre los pasadores y casquillos con las placas: Este es un deterioro asociado a defectos de fabricación y escasa calidad de cadena. Si el ajuste prensado de los pasadores y casquillos con los agujeros de las placas esta mal ejecutado, estos elementos darán vueltas en los sitios de ajuste, con intensificación del desgaste de las piezas conjugadas. Aunque puede ser un deterioro detectado en un solo eslabón, esta perdida de la interferencia entre el pasador y/o casquillo con la placa hará que la cadena trabaje mal. Picadura de los rodillos: Este deterioro consiste en la aparición sobre las superficies de los rodillos de pequeños hoyos semejantes a cavidades alveolares que crecen, convirtiéndose luego en oquedades. Este es un deterioro típico de fatiga superficial del material y puede ocurrir en cadenas sumergidas en aceite con rodillos poco endurecidos. Desgaste de los dientes de las ruedas: Debido al contacto con deslizamiento entre los dientes de las ruedas y los rodillos de la cadena, es inevitable un desgaste del flanco activo de los dientes, mucho mayor en cadenas cargadas y sujetas a elevadas velocidades. Generalmente una observación del trabajo de la transmisión por cadenas permite diagnosticar los problemas y las causas que los provocan. A continuación se brindan un grupo de soluciones que la práctica ha permitido recomendar como efectivas ante los problemas más probables a encontrar en la explotación de las transmisiones por cadena de rodillos.

Transmisión por cadenas de rodillos.

- Problemas prácticos más probables a encontrar durante la explotación de transmisiones por cadenas. Problema

Ruido Excesivo.

Causa Probable 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Desgaste lateral de las placas en los eslabones 1. de la cadena y dientes de las ruedas. Cadena que salta sobre los dientes de las ruedas.

1. 2. 3. 4. 5.

1. Rotura de los pasadores, casquillos o rodillos. 2. 3. 4. 5. 6. Movimiento de la cadena con tirones.

Cadena rígida (poco flexible).

Rotura de los dientes.

Desalineación de las ruedas dentadas. Desgaste de la cadena. Incorrecto tensado de la cadena. Mal tallado o desgaste de los dientes en las ruedas. Mal dimensionado de las ruedas. Acumulación de suciedad y materias extrañas entre dientes. Velocidad de la cadena muy elevada para el paso seleccionado. Pequeño número de dientes en las ruedas. Cargas de externas de impacto asociadas a grandes choques. Mal tallado o desgaste de los dientes de las ruedas. Escasa lubricación. Corrosión de la cadena y/o dientes de las ruedas.

1. 2. 3. 4.

Escaso tensado de la cadena. Cargas externas altamente pulsantes. Uno o más eslabones rígidos (perdida de flexibilidad). Cadena con desgaste desigual.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Escasa lubricación. Corrosión. Sobrecargas excesivas. Suciedad en las articulaciones de la cadena. Desalineación de las ruedas. Perdida de la interferencia en las placas de la articulación de la cadena.

1.

Obstrucción con material u objeto externo, localizado generalmente, en las guarderas de la cadena. Excesivas cargas de impacto, especialmente con ruedas pequeñas de hierro fundido. Dientes de las ruedas hacen contacto con los rodillos en la parte superior. Acumulación de suciedad y materias extrañas entre dientes.

2. 3. 4. 1. 2.

Cadena sobrecalentada durante el trabajo.

Desalineación de las ruedas dentadas. Incorrecto tensado de la cadena (muy floja o muy apretada). Necesidad de lubricación. Cadena y/o dientes de las ruedas desgastados. Deterioro de los apoyos o soportes de la transmisión. Cadena seleccionada con un paso demasiado grande para la velocidad de explotación. Ruedas con un número de dientes muy pequeño

3. 4. 5.

Velocidad de la cadena muy elevada para el paso seleccionado. Velocidad de la cadena muy elevada para sumergirse en un baño de aceite. Cadena sumergida muy profundamente en el baño de aceite. Escasa lubricación. Rozamiento de la cadena o los árboles con alguna obstrucción.

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3.1.3 – Verificación de la velocidad de la cadena. La velocidad de las cadenas, correspondientes a la velocidad lineal nominal de las ruedas en los cilindros de referencia, se limitan por el desgaste de las cadenas, pues al aumentar la velocidad aumentan también la distancia de rozamiento por unidad de tiempo y la fuerza de choque de los eslabones contra los dientes de las ruedas, así como por el ruido de las transmisiones. Habitualmente, se orientan las velocidades admisibles de las cadenas de rodillos hasta los 12 m/s, aunque para las cadenas de alta calidad para transmisiones rápidas, de pasos pequeños, con ruedas de numero de dientes suficientemente grandes y buena lubricación, las velocidades pueden alcanzar hasta 30 m/s. Por lo antes dicho, es necesario un conocimiento de la velocidad de la cadena en la etapa preliminar que permita chequear sus valores y una posterior recomendación de la lubricación, sabiendo que en las bajas velocidades las exigencias de los sistemas de lubricación son menores. La siguiente fórmula es empleada para calcular la velocidad de la cadena.

V =

[ ]

n1 ⋅ p ⋅ z1 m ≤ Vmax s 60000

Algunas velocidades máximas recomendadas por la literatura especializada: Vmax = 12 m/s Vmax = 15 - 30 m/s Vmax = 20 - 30 m/s Vmax = 12 - 25 m/s

Dobrovolski Reshetov Iwis Renold

3.1.4 – Recomendar el sistema de lubricación. Recomendaciones establecidas por la práctica permiten orientar la lubricación periódica, mediante aceitera o brocha, solo en los casos de transmisiones de bajas velocidades de la cadena. Algunas recomendaciones fijan el valor límite de velocidad en 4 m/s (Dobrovoslki y Reshetov), aunque las normas internacionales son mas conservadoras y solo recomiendan hasta 1 m/s. Para velocidades de cadenas superiores a los 4 m/s todas las referencias coinciden en recomendar un sistema de lubricación con suministro continuo de aceite a la cadena, con mayores exigencias para las transmisiones con superiores velocidades. En las transmisiones por cadenas de pasos grandes las velocidades limites son algo menores. En el epígrafe de lubricación es brindada suficiente información para recomendar el sistema de lubricación y el tipo de aceite. A manera de recomendación previa puede servir el siguiente gráfico45.

Velocidad de la cadena m/s

100

Por Aceite a Presión

10

Por Inmersión en Aceite. 1

Por Goteo Intermitente

0,1 4

5

6

8

10

12

16

20

24

Denominación ISO de la cadena

28

32

40

48