Elementos de Máquinas

2.12.- Cadena de Rodillos Estándar.

2.12.1.- Introducción.

CADENAS - Transmision de potencia por cadenas - Teoria (Recuperado de https://youtu.be/Fyh2A_a60LQ?si=51jlmYoE5zY4oyOv)

Una cadena es un elemento de transmisión de potencia que se fabrica como una serie de eslabones que se unen mediante pines. El diseño proporciona flexibilidad mientras permitre que la cadena transmita fuerzas de tracción cuya magnitud es considerable, cuando transmite potencia entre flechas o ejes que giran, la cadena activa ruedas dentadas que se enlazan.

La cadena de rodillo de acero está formada por una serie de piezas de revolución que actúan como cojinetes, estando situadas cada conjunto a una distancia precisa del otro mediante otras piezas planas llamadas placas. El conjunto cojinete está formado por un pasador y un casquillo sobre el que gira el rodillo de la cadena. El pasador y el casquillo son cementados para permitir una articulación bajo presiones elevadas, y para soportar las presiones generadas por la carga y la acción de engrane impartida a través de los rodillos de cadenas, generalmente las placas exteriores e interiores se someten a un proceso de templado para obtener una mayor tenacidad.

Ver: Manual Roller Chain de RENOLD.

Fig. 3.20

Las transmisiones por cadenas son transmisiones robustas, que permiten trabajar en condiciones ambientales adversas y con temperaturas elevadas, aunque requieren de lubricación. Además proporcionan una relación de transmisión fija entre las velocidades y ángulo de giro de los ejes de entrada y salida, lo que permite su aplicación en automoción y maquinaria en general que lo requiera.

En el siguiente video: Se enuncian las principales características geométricas de las cadenas de rodillos y de las cadenas de diente invertido y las ruedas dentadas con que se conectan.

Tipos de cadena de transmisión (Recuperado de https://youtu.be/cR1ztKX7F1g)

Según su función a desarrollar, las cadenas se dividen en los siguientes tipos:

Cadenas de transmisión de potencia: cuya aplicación es transmitir la potencia entre ejes que giran a unas determinadas velocidades.

Cadenas de manutención: o también llamadas cadenas transportadoras. Son un tipo de cadenas que gracias a una geometría específica de sus eslabones o enlaces le permiten desempeñar una función de transporte o arrastre de material.

Cadenas de carga: o también llamadas de bancos de fuerzas. Son cadenas que permiten transmitir grandes cargas, y son usadas, por ejemplo, para elevar grandes pesos, o accionar bancos de fuerza, entre otros usos.

Nomenclatura de las cadenas de rodillo.

La nomenclatura de las cadenas de rodillo está estandarizada internacionalmente para facilitar su identificación, selección y compatibilidad, principalmente bajo las normas ANSI (estadounidense), ISO (internacional) y DIN (alemana). A continuación se explican los principales criterios y ejemplos prácticos.

Elementos clave en la nomenclatura de las cadenas de rodillo

1. Paso (P): Distancia entre los centros de dos rodillos consecutivos. Es el parámetro fundamental para identificar el tamaño de la cadena y se expresa en pulgadas (ANSI) o milímetros (ISO/DIN)
2. Ancho interno (A o b): Espacio libre entre las placas interiores de la cadena. Determina la compatibilidad con el engranaje y la capacidad de carga lateral.
3. Diámetro del rodillo (D): Medida exterior del rodillo. Influye en el contacto y desgaste con el engranaje.
4. Número de filas: Indica si la cadena es simple (una fila), doble (dos filas) o triple (tres filas). Se representa con un sufijo numérico después del guion (por ejemplo, -1, -2, -3).
5. Serie o tipo de cadena: Identifica la familia de la cadena (por ejemplo, "B" en ISO para cadenas británicas). Puede incluir letras adicionales como "H" (Heavy) para placas reforzadas o "C" para cadenas cerradas.
6. Longitud total: Se expresa en número de eslabones o en metros/pies, aunque no siempre forma parte de la nomenclatura estándar, es esencial para la selección y pedido.

Sistema ANSI (American National Standards Institute)

La designación ANSI utiliza un código numérico, por ejemplo, "40-2", donde:

• El primer número (o los dos primeros dígitos) multiplicado por 1/8 da el paso en pulgadas. Por ejemplo, "40" corresponde a 4 × 1/8 = 1/2 pulgada de paso.
• El segundo dígito indica el tipo: "0" para cadena de rodillos, "5" para cadena de casquillos (sin rodillos).
• El sufijo después del guion indica el número de filas: "1" para simple, "2" para doble, "3" para triple, etc.
• Ejemplo: "ANSI 40-2" es una cadena de rodillos de paso 1/2", doble fila.

Sistema ISO/DIN

La designación ISO/DIN suele emplear letras y números, por ejemplo, "08B-1":

• Los números indican el paso en milímetros (en el ejemplo, 08B corresponde a un paso de 1/2", es decir, 12,7 mm).
• La letra "B" identifica la serie de la cadena.
• El sufijo después del guion indica el número de filas: "1" para simple, "2" para doble, "3" para triple, etc.

Ejemplo de nomenclatura práctica:

ANSI: 80-1

• Paso: 1 pulgada (8 × 1/8")
• Tipo: rodillo ("0")
• Número de filas: 1 (simple)

ISO/DIN: 16B-2

• Paso: 1 pulgada (16B = 1")
• Número de filas: 2 (doble)

Designaciones adicionales

Letras como "H" (Heavy) indican placas más gruesas, "V" para pasadores endurecidos, "C" para cadenas cerradas con eslabón de unión, "R" para cadenas remachadas permanentemente.

Ver: Nomenclatura cadenas y pioñes SKF.

Ver: Catálogo Piñones Y Cadenas INTERMEC.

2.12.2.- Características fundamentales de las transmisiones por cadenas.

Las transmisiones por cadenas se emplean fundamentalmente, en accionamientos con árboles dispuestos a mayor distancia entre centros que los engranajes de ruedas cilíndricas con ejes paralelos. Para relaciones de transmisión hasta seis, aunque pudieran emplearse como máximo hasta diez, tienen una eficiencia del 97-98 % y en su funcionamiento no se manifiesta el deslizamiento. Su duración es menor que la de los engranajes, debido al desgaste en las articulaciones de las cadenas, lo que también impone regímenes de lubricación específicos según la velocidad lineal de trabajo de la cadena. Comparando las transmisiones por cadenas de rodillos con las transmisiones por engranajes cilíndricos, el costo de inversión inicial es aproximadamente el 85% de de estos últimos.

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.

Fig. 3.22

Fig. 3.23 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.

Fig. 3.24 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.

Fig. 3.25 Esquemas de transmisiones con cadenas empleando dispositivos tensores.

Fig. 3.26

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

Las partes de que consta una cadena de rodillos son las que se presentan en la figura siguiente:

Fig. 3.27 Partes de una Cadena de Rodillos.

Las fuerzas que actúan son prácticamente 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 piñones.

Hay un detalle constructivo importante y que no debe dejarse por alto, es el hecho de que con un número impar de dientes en el piñón pequeño y un número par de dientes en el piñón grande la frecuencia de contacto entre dientes y un rodillo determinado es mínima, lo que origina una menor distribución del desgaste.

2.12.3.- Duración de Transmisión de Cadenas.

En el video, se describen brevemente los tipos principales de suministro de lubricante para cadenas de transmisión.

Tipos de lubricación convencionales. (Recuperado de https://youtu.be/-c2Yw-oUOOU)

Ver: Catalogo A&S roller chain.

En el siguiente video: Se describen los principales modos de falla de cadenas rodillos en transmisiones, así como la metodología general de estimación de rendimiento y proceso de selección. Se desarrolla un ejemplo de cálculo de potenciado y otro de selección.

Rendimiento de cadenas (Recuperado de https://youtu.be/SeIv24f2ewU)

2.12.4.- Selección de cadenas de rodillos en base de catalogo.

Ver: Selección de cadena de Rodillos SKF.

Selección de Cadenas de transmisión por catalogó SKF (Recuperado de https://youtu.be/kL1Z52IPrv4?si=sYgiMIe5zEnSaGku)

Ver: Catálogo SKF Trnasmission chain.

Normalmente la selección de una cadena de rodillos para una transmisión mecánica tiene varias soluciones, se puede elegir una cadena simple o múltiple, con mayor o menor factor de servicio, con tamaños de piñones mayores o menores, todos estos factores influyen en la selección final.

Los pasos siguientes lo guiarán en la selección de una transmisión por cadena de rodillos.

Se debe tomar en cuenta:

• Potencia requerida en la máquina conducida [KW (1 Kilowatt = 1.34 HP)].
• Tipo de máquina motora y máquina conducida.
• Velocidad de la máquina motora [rpm].
• Velocidad de la máquina conducida [rpm].
• Distancia tentativa entre ejes .

a).- Determinación de la relación de transmisión y de las catalinas a utilizar.

La razón entre la velocidad del eje más rápido dividido por la velocidad del eje más lento, es la relación de transmisión "i"( * ). Se indica como "1:i". Con este valor se obtiene el tamaño de las catalinas a utilizar. La relación "i" debe corresponder a la razón entre la cantidad de dientes de la catalina grande (la del eje más lento) denominada corona dividida por la cantidad de dientes de la catalina pequeña (la del eje más rápido) denominada piñón.

i = Z_c / Z_p    (*)

Siendo:

Z_c : cantidad de dientes de la corona.

Z_p : cantidad de dientes del piñón

Para el piñón se recomienda una cantidad mínima de 15 dientes, para bajas velocidades, 17 para medianas velocidades y 25 para altas velocidades; entendiendo por velocidad baja cuando es menor de 2 m/s y por velocidad alta cuando supera los 20 m/s.

Por lo que se recomienda usar el siguiente gráfico:

Fuente: G. González Rey, A. García Toll, T. Ortiz Cárdenas.
 

Ejemplo:

Para relación de transmisión i = 3 interpolando:

dientes. Se ha preferido un número impar de dientes ya que las cadenas poseen generalmente número par de eslabones y esto garantiza un desgaste más uniforme de los elementos engranados.

Para un buen funcionamiento, se recomienda utilizar como mínimo 19 dientes del piñón. Si la cadena trabaja a alta velocidad o está sometida a cargas impulsivas, el piñón pequeño debería tener un mínimo de 25 diente y ser tratado térmicamente.

Para la selección y utilización de las tablas, se considerarán 19 dientes en el piñón, si no es así se debe aplicar un factor de corrección a la potencia de diseño como se indica más abajo.

i = Z_c / 19

Como este valor de "i" no va a coincidir con el calculado en ( * ) se escoge Z_c lo más cercano al ideal.

Existen catalinas de stock pero generalmente hay que fabricar aquellas con cantidad de dientes no estándar. Compruebe en la tabla siguiente si el diámetro del eje que se conectará al piñón tiene un tamaño adecuado, de ser muy grande, debe escoger un piñón con más dientes:

Otra opción es buscar en las tablas de potencia, en base a las RPM del eje motriz, que cadena y cantidad de dientes son necesarios para transmitir los HP ya corregidos, evitando en lo posible usar piñones menores de 15 dientes.

Tabla de Potencias

Las cadenas de dos o más hileras son dos o más veces más fuertes que las de hilera simple.

Cuando las velocidades son bajas, elegir la cadena por su resistencia a la rotura. La carga de rotura debe ser mínimo siete veces mayor que la carga de trabajo.

b).- Cálculo de la potencia de diseño (P_d).

   i).- Factor de servicio C₁ para cadenas de norma BS/ANSI.

Debido a que las máquinas conducidas tienen formas particulares de funcionamiento, se deben prevenir fallas debidas a los golpes, vibraciones o tirones. De forma similar, las máquinas motoras tienen formas particulares de funcionamiento, algunas son más suaves que otras, o tienen un impulso inicial o un giro a tirones. Estas situaciones se consideran a través de un factor de servicio (C₁) que aumenta la potencia a transmitir, siendo uno de los factores, para obtener la potencia de diseño que considera las características de la máquina y el motor utilizado.

En la tabla siguiente, escoja el motor utilizado y la máquina que más se asemeja a su diseño. Se obtiene así el factor C₁.

   ii).- Factor diente C₂ para cadenas de norma BS/ANSI.

La utilización de un factor relacionado con el número de dientes influirá sobre la potencia final a seleccionar. La selección de un piñón de diámetro pequeño reducirá la capacidad máxima de potencian a transmitir, al aumentar la carga en la cadena.

El factor diente C₂ se calcula utilizando la ecuación C₂ = 19/Z_p.

Debemos recordar que está ecuación viene del hecho que las curvas de selección, están basadas en piñones de 19 dientes.

Luego:

P_d = Potencia a transmitir*C₁*C₂

c).- Selección del tamaño y cantidad de cadenas en paralelo.

Fig. 3.31 El tamaño de una cadena está representado por la separación entre ejes de los rodillos, llamada paso (P), existen en la serie BS (British Standart) los pasos: 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 más común.  Además las cadenas pueden ser de una, dos ó tres hileras de cadenas iguales en paralelo. A mayor paso y a mayor cantidad de hileras, la cadena resiste mayor carga. Fig. 3.30

Con el valor de la potencia de diseño (C₁* C₂*Potencia a transmitir) y la velocidad del eje rápido, se consulta el gráfico siguiente, en donde las columnas de la izquierda se indica la potencia que puede transmitir una cadena simple, una de doble hilera y una de triple hilera,. Se ubican en estas 3 columnas el valor de la potencia de diseño en [kW], se mueve horizontalmente hasta la velocidad del eje rápido (generalmente la velocidad del piñón). Se determinan de esta forma, 3 puntos ubicados sobre los gráficos. Cada paso está representado por una zona de igual color, los 3 puntos indican el paso que se recomienda usar.

Por ejemplo:

Con una potencia de diseño de 1,5 kW y un piñón 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 decisión final sería la cadena doble de 1/2" y la simple 5/8".

Las curvas mostradas en el gráfico, son recomendaciones para un piñon de 19 dientes.

Fuente: Catálogo Renold, Transmission Chains.
 

d).- Cálculo de la distancia entre centros y largo de la cadena.

Fig. 3.32

Para una vida útil adecuada se recomiendan las siguientes distancias entre centros (C):

  Fuente: Catálogo Renold, Transmission Chains.  

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 eslabón desmontable llamado "candado". 

Fig. 3.33

La fórmula para el largo de la cadena "L" es: 

L = (Z_p + Z_c) / 2 + A + X/A + Y

A = (2 * C) / P


Siendo:

Z_p : cantidad de dientes del piñon.
Z_c : cantidad de dientes de la corona.
P : paso de la cadena.
C : distancia entre centros.
X : factor obtenido de la tabla siguiente en función de (Z_c - Z_p).
Y : valor a agregar para que "L" sea una cifra entera y par.

 

 Fuente: Catálogo Renold, Transmission Chains.