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documento sobre cadenas de clase de mecanismos USAC

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  • 1. CADENAS
  • 2. OBJETIVOS • Conocer las características generales de la transmisión por cadena, sus fundamentos de trabajo y los deterioros que sufren. • Conocer cómo se seleccionan y algunas recomendaciones de diseño • Conocer el método de comprobación de la vida útil esperada de las transmisiones por cadenas.
  • 3. CONTENIDO •TRANSMISIONES POR CADENAS: INTRODUCCIÓN •VENTAJAS Y DESVENTAJAS •CLASIFICACIÓN •TENSIÓN EN UNA CADENA DE TRANSPORTE •CADENAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA: TIPOS •FUNCIONES DE LAS PIEZAS DE UNA CADENA •TAMAÑOS DE CADENAS A RODILLOS •MATERIALES •LUBRICACIÓN •LUBRICANTES •PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO •DETERIOROS EN LAS TRANSMISIONES POR CADENAS •CÁLCULO Y SELECCIÓN DE CADENAS A RODILLO •EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN CADENAS DE ACERO •CRITERIO PARA ESTIMAR LA VIDA DE UNA TRANSMISIÓN •RECOMENDACIONES DE DISEÑO •CONCLUSIONES
  • 4. TRANSMISIONES POR CADENAS •Se emplean cuando se demanda grandes cargas en los accionamientos con alta eficiencia y sincronismo de velocidad en los elementos de rotación •Aplicaciones industriales las cadenas de rodillos: perforadoras de pozos petrolíferos terrestres y marinos, mecanismos de control de vuelo de aviones militares y civiles, motores diesel de grandes buques supertanques. NORMALIZACIÓN: •DIN (Deutches Institut for Normang) •BS (British Standard) •ANSI (American National Standard Institute) •ISO: Todas estas normas se agrupan en dos partes fundamentales: •Serie Europea: DIN 8187 y BS 228,agrupadas en la norma ISO 606 tipo B. •Serie Americana: DIN 8188 y ANSI B:29, agrupadas en la norma ISO 606 tipo A.
  • 5. CADENAS •Es un elemento de máquinas que transmite potencia por medio de fuerzas extensibles. •Sirven para transmitir potencias entre ejes que giran en el mismo plano a una relación constante. •Se pueden utilizar en relaciones de transmisión de hasta seis, y como máximo de hasta diez a vel<650 ft/min =3,3m/s. •Eficiencia del 97-98 % •No hay deslizamiento. •Inversión inicial: aproxmente el 85% de engranajes •Distancia entre ejes, donde los engranajes necesitarían ruedas locas ó escalones intermedios. •Choques de gran periodicidad y velocidades elevadas: Amortiguadores con el fin de limitar las oscilaciones de la cadena. •Distancia entre ejes muy grandes: Apoyos, disminuyen esfuerzos debido al propio peso.
  • 6. VENTAJAS • Posibilidad de empleo en una amplia gama de distancia entre centros. • Dimensiones exteriores menores que las transmisiones por correas. • Ausencia de deslizamiento. • Alta eficiencia. • Posibilidad de transmitir el movimiento a varias ruedas con una sola fuente de potencia. DESVENTAJAS • Irregularidad durante el funcionamiento de la transmisión. • Tienen una vida útil menor que la de los engranajes debido al desgaste que se produce en la articulación. • Exigen una precisión más alta en el montaje de los árboles que la de las transmisiones por correas. • A medida que aumenta la velocidad periférica se exigen mejores condiciones de lubricación.
  • 7. CLASIFICACION Cadenas de carga: •Son empleadas para suspender, elevar y bajar cargas. • Usadas predominantemente en la máquinas elevadoras de carga. •Bajas velocidades (hasta 0,25 m/s) y grandes cargas. Cadenas de tracción: •Son empleadas para mover cargas en las máquinas transportadoras •Trabajan con velocidades medias (hasta 2-4 m/s). •Se emplean eslabones de pasos largos (entre los 50 y 1000 mm) Cadenas de transmisión de potencia: •Usadas para trasmitir torque desde un eje de rotación a otro. •Eslabones pequeños y de gran precisión (pasos entre 4 y 63.5 mm) •Objetivo: Reducir las cargas dinámicas, y con pasadores resistentes al desgaste para asegurar una conveniente duración.
  • 8. TENSION EN UNA CADENA DE TRANSPORTE La tensión de la cadena de transmisión es calculada dividiendo la energía transmitida (indicada en kilowatts o caballos de fuerza) por la velocidad de cadena y multiplicándose por un coeficiente adecuado. Para velocidades ctes tales como el transportador horizontal, la tensión es seleccionada por los factores: 1. El coeficiente de fricción entre la cadena y el carril cuando los objetos transportados se ponen en la cadena 2.El coeficiente de la fricción entre los objetos transportados y el carril cuando los objetos transportados se llevan a cabo en el carril y son empujados por la cadena. T = tensión total en la cadena. M 1 = masa de la cadena. M 2 = masa de los objetos transportados. f 1 = coeficiente de la fricción cuando la cadena está volviendo. f 2 = coeficiente de la fricción cuando la cadena está transportando objetos. f 3 = coeficiente de la fricción cuando los objetos transportados se están moviendo 1,1 = pérdidas del piñón debido a los cambios direccionales de la cadena ( )1 1 2 1 3 21,1T g f M f M f M= + +
  • 9. CADENAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA CADENAS DE CASQUILLOS •Estructuralmente coinciden con las cadenas de rodillos •No tienen rodillos, son más ligeras y baratas. • Algunas poseen casquillos con pasadores huecos. •Pasos pequeños (entre 4 y 9,525 mm) •Se emplean en las transmisiones principales de motocicletas, mecanismos motores de combustión interna ( Fiat Campagnolo, Mercedes Benz D y Opel Diesel 3L5. •Ausencia de rodillos en las cadenas de casquillos intensifican el desgaste de los dientes de las ruedas: casquillos resbalan por los dientes. •Requieren una lubricación esmerada. •Velocidad recomendada v< 4 m/s CADENAS DE ESLABONES PERFILADOS •Fácil montaje y desmontaje de sus eslabones •El enlace de estos eslabones se hace al desplazar lateralmente el uno con respecto a otro. •Su diseño permite su intercambio fácilmente: sin golpes o fuerzas excesivas. •Velocidades muy bajas,inferiores a 1m/s: Poca precisión del paso de los eslabones favorece el impacto. •Condiciones de lubricación y protección imperfectas •Se utilizan en la construcción de maquinaria agrícola.
  • 10. CADENAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA CADENAS DENTADAS •Conocidas como cadenas silenciosas •constan de un juego de chapas con formas de dientes. •Articulan con deslizamiento o rodamiento, según sea el tipo de la cadena. •Articulaciones determinan su capacidad de trabajo •Mayor capacidad: cadenas con articulaciones de rodadura CADENAS DE RODILLOS •Ha sido la de mayor difusión entre las cadenas de transmisión. •Compuesta por placas interiores y exteriores que se alternan sucesivamente y unidas entre si de forma articulada. •Articulación: Pasador en unión con la placa exterior, Casquillo unido a los agujeros de las placas interiores y rodillo, montado con holgura en el casquillo •Rodillo: Disminuye el desgaste de los dientes de las ruedas y el propio casquillo. •Montaje: Eslabones desmontables complementarios. •Se recomienda 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.
  • 11. FUNCIONES DE LAS PIEZAS DE UNA CADENA •Placa exterior e interior •Soporta la tensión que se ejerce en la cadena. •Sometidas a cargas de fatiga •Se pueden presentar fuerzas de choque. •Soporta una gran fuerza extensible estática y las fuerzas dinámicas de las cargas de choque. •Debe soportar condiciones ambientales. •Pasador •Actúa junto al casquillo como arco de contacto de los dientes del piñón. •Soporta toda la fuerza de transmisión. •Otros Requerimientos: Resistencia a la flexión, Resistencia contra fuerzas de choque. •Casquillo •Estructura sólida •Base cilíndrica perfecta para el rodillo: Duración del rodillo en condiciones de alta velocidad •Rodillo •Sometido a la carga de impacto cuando esta en contacto con los dientes del piñón con la cadena. •Se sostiene entre los dientes del piñón y del casquillo •Se mueve en la cara del diente mientras que recibe una carga de compresión. •Su superficie interna constituye una pieza del cojinete junto con la superficie externa del casquillo •Requerimientos: Resistencia al desgaste, contra choques, fatiga y compresión.
  • 12. TAMAÑOS DE CADENAS A RODILLOS •Paso: Separación entre ejes de los rodillos, llamada paso (P) •Grandes cargas y velocidades para evitar pasos grandes: cadenas de varias hileras de rodillos. •Las potencias a trasmitir de las cadenas de múltiples hileras son casi proporcional al número de ramales. • Generalmente la cantidad de hileras de rodillos se selecciona entre 2 – 4.
  • 13. MATERIALES. Materiales para las cadenas. Selección del material y del tratamiento térmico: Afecta su duración, la capacidad de trabajo, y por consiguiente la resistencia mecánica y al desgaste. Placas •Planchas laminadas en frío, de aceros medios en carbono o aleados, 40(Mo), 50(Cr), •Durezas: 40-50 HRC. Pasadores, ejes, manguitos y semicasquillos •Aceros para cementar •Temple hasta 50-65 HRC. Rodillos •Se fabrican de acero 60 (Cr-Va) •Durezas entre 47-55 HRC. Materiales para las ruedas de cadenas (Sprockets). Hasta 30 dientes: •Aceros de medio carbono 40 con temple superficial (Durezas de HRC 45-55) •Aceros para cementar (Profundidades de 1 - 1.5mm) y temple hasta HRC 55-60 Por encima de 30 dientes •Generalmente se fabrican de fundición.
  • 14. Tipos 1. Operación manual. • Periódica con un cepillo o aceitera • Volumen y frecuencia debe ser suficiente para mantener la cadena húmeda de aceite y permitir la penetración de lubricante limpio entre las piezas de la cadena. • Debe resistir la tendencia a gotear o escurrirse cuando la cadena está parada, como a ser expulsado por efecto de la fuerza centrífuga cuando la cadena está en movimiento. 2. Lubricación por goteo. • Las gotas se dirigen entre los extremos de las placas de los eslabones desde un lubricador de goteo. • Volumen y la frecuencia suficientes para que el lubricante penetre entre las piezas de la cadena. LUBRICACIÓN. Función: Atenuar el inevitable desgaste en las articulaciones de la cadena. Puede ser periódica o continua, en función de la velocidad de la cadena y de la potencia transmitida.
  • 15. LUBRICACIÓN. 3. Lubricación por baño o disco. Por baño de aceite • Depósito de aceite en un guardacadena. • El nivel de aceite debe cubrir la cadena en su punto más bajo estando en funcionamiento. Por disco • Se usa un baño de aceite: La cadena funciona por encima del nivel de aceite. • Un disco recoge aceite del depósito y lo deposita encima de la cadena. 4. Lubricación por chorro de aceite. • Suministro continuo de aceite desde una bomba o un sistema de lubricación central. • Debe situarse de tal modo que el aceite caiga antes de que engrane con el piñón motriz. • Con esto se ayuda a disminuir el impacto del rodillo con el diente del piñón. • La lubricación con chorro de aceite da también una refrigeración efectiva y un amortiguamiento de impacto a altas velocidades.
  • 16. LUBRICANTES • Deben lubricarse empleando aceite con base de petróleo. • Los aceites pesados y grasas son generalmente demasiados densos para introducirse entre las superficies de trabajo de la cadena. • Es importante que el lubricante esté libre de contaminantes, particularmente de partículas abrasivas. • Proteger los accionamientos contra suciedad y humedad
  • 17. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO •El principio de funcionamiento se basa en que la transmisión de potencia entre la cadena y la rueda se efectúa por un acoplamiento de forma y de fuerza entre los dientes de las ruedas (sprockets) y los eslabones de la cadena. •La cadena se adapta a la rueda en forma de polígono, esto produce pequeñas fluctuaciones en el brazo de la fuerza periférica y por consiguiente, también en la velocidad de la cadena y en la fuerza de la misma. •La velocidad lineal de la cadena varía con el funcionamiento. La velocidad de la cadena tiene su mayor valor cuando el ángulo del eje del rodillo y la horizontal es igual a 0° y su menor valor para γ/2.
  • 18. •Los eslabones de la cadena, al acoplarse o entrar en contacto con las ruedas y al desacoplarse o salir de las ruedas están sometidos a un plegado entre sí. El rozamiento en las articulaciones de los eslabones que aparece por este motivo resulta una pérdida de potencia y un desgaste en la transmisión. •El desgaste de los eslabones aumenta el paso efectivo de la cadena dando origen a que la cadena monte sobre una circunferencia periférica mayor de la rueda. En casos extremos, llega a rebasarse la circunferencia de cabeza de los dientes y la cadena salta de la rueda.
  • 19. Deterioros en las Transmisiones por Cadenas Desgaste de las articulaciones •Causa principal de fallo de las transmisiones por cadenas y provoca su alargamiento durante su funcionamiento, desgastándose principalmente los pasadores, los casquillos y rodillos. •En accionamientos simples: 3% de su longitud inicial •En accionamientos de elevadas exigencias: 2% de su longitud inicial •En accionamientos con exigencias de sincronismo: 1% de su longitud inicial Rotura de los agujeros de las placas •Asociada a una rotura por fatiga del material en los agujeros de las placas. •Grandes probabilidades de ocurrencia en las cadenas de rodillos rápidas y muy cargadas que trabajan dentro de carcasas cerradas con buena lubricación Pérdida del ajuste por interferencia entre los pasadores y casquillos con las placas: •Deterioro asociado a defectos de fabricación y poca calidad de cadena. •Pasadores y casquillos dan vueltas en los sitios de ajuste, con intensificación del desgaste de las piezas conjugadas. Picadura de los rodillos •Aparición sobre las superficies de los rodillos de pequeños hoyos semejantes a cavidades que crecen paulatinamente. •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: •Contacto con deslizamiento entre los dientes de las ruedas y los rodillos de la cadena •Mucho mayor en cadenas cargadas y sujetas a elevadas velocidades
  • 20. CALCULO Y SELECCIÓN DE CADENAS A RODILLO. •Cálculo y selección: Según la presión específica que puede soportar la articulación. Los parámetros que se deben conocer son: • Potencia requerida en la máquina conducida • Tipo de máquina motora y máquina conducida • Velocidad de la máquina motora • Velocidad de la máquina conducida • Distancia tentativa entre ejes PASOS A SEGUIR (FASE 1) •Selección del número de dientes de la rueda pequeña y verificar el número de dientes de la rueda grande. •Selección del paso de la cadena en función de la velocidad de rotación de la rueda pequeña. Para nmr Z1≥15, para nlimZ1≥20. •Analizar sucesivamente con varios pasos para elegir un paso racional. •Seleccionar la cadena con el paso lo menor posible entre las que permiten transmitir la potencia requerida
  • 21. 1 [ / ] 60000 Z pn v m s Pot F v = = FASE 2 •Número de Eslabones de la Cadena •Velocidad de la cadena •Tensión en la cadena •Régimen de lubricación
  • 22. RÉGIMEN DE LUBRICACION
  • 23. CÁLCULO SEGÚN LAS PRESIONES (FASE 3) •[p] es la presión admisible en las articulaciones. •p : La presión en la articulación : F entre área resistiva A de la articulación •ke coeficiente que toma en cuenta las condiciones reales de trabajo de la transmisión •mr: factor de distribución de carga entre las hileras de rodillo. Para mr ≤ 1 , tomar cadenas de una hilera de rodillos. Para 1 < mr ≤ 1,7 , tomar cadenas de 2 hileras de rodillos. Para 1,7 < mr ≤ 2,5 , tomar cadenas de 3 hileras de rodillos. Para 2,5 < mr ≤ 3 , tomar cadenas de 4 hileras de rodillos. El coeficiente mr tiene en cuenta la distribución no uniforme de la carga en los ramales en una cadena multirramal.
  • 24. TABLA DE SELECCIÓN
  • 25. •COEFICIENTE DE CARGA DINÁMICA Kd Evalúa las cargas dinámicas externas debido a las perturbaciones que introducen la fuente de potencia motor y la máquina movida en la transmisión. FUENTE DE POTENCIA MAQUINARIA IMPULSADA PAR TORSOR UNIFORME PAR TORSOR NO UNIFORME UNIFORME 1.1 1.2 IMPACTO LIGERO 1.2 1.3 IMPACTO MEDIO 1.3 1.5 IMPACTO PESADO 1.4 1.7
  • 26. •COEFICIENTE POR LONGITUD DE LA CADENA Ka: Este coeficiente está referido a la distancia entre centros, es evidente que cuanto más larga es la cadena, si son iguales las demás condiciones, se producirá el engrane de la rueda con la total longitud de la cadena con menor frecuencia y por tanto será menor el desgaste en las articulaciones. Para una vida útil adecuada se recomiendan las siguientes distancias entre centros (C):
  • 27. •COEFICIENTE DE POSICIÓN DE LA CADENA Ki: Cuanto mayor sea la inclinación de la transmisión respecto a la horizontal, el desgaste total admisible de la cadena es menor. •COEFICIENTE PARA LA REGULACIÓN DE LA CADENA Kreg: Toma en cuenta la posibilidad de ajustar el estiramiento de la cadena al desgastarse y por ello permite mayor capacidad en cadenas con reglajes.
  • 28. •COEFICIENTE DEL CARÁCTER DE LA LUBRICACIÓN Ki: Toma en cuenta las buenas condiciones de trabajo que reporta la lubricación continua y la disminución de la capacidad de carga en presencia de una lubricación irregular. •COEFICIENTE PARA EL RÉGIMEN DE TRABAJO Kr : Toma en cuenta la intensidad del trabajo de la cadena.
  • 29. EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN CADENAS DE ACERO Alta Temperatura •Aumento en el desgaste debido a la disminución de la dureza. •Lubricación incorrecta debido al deterioro o a la carbonización del lubricante. •Empalmes rígidos y desgaste creciente debido a la formación de la capa de óxido. •Disminución en la fuerza. •SS que se hace del acero inoxidable 304, Tmax= 650°C a bajas velocidades Baja temperatura •Disminución de la resistencia al choque debido a la fragilidad producto de las bajas temperaturas. •Solidificación del lubricante. •Especificación KT :sometida a tratamiento térmico para soportar ambientes muy fríos. • SS-304, se puede también utilizar a bajas temperaturas.
  • 30. CRITERIO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA DURACIÓN DE UNA TRANSMISIÓN. Cálculo estimado. Los factores que influyen en el proceso de desgaste de las articulaciones son muy diversos. •Criterio: aumento del paso en la cadena hasta el punto en puede ocurrir el salto de la cadena por encima de la rueda. •Alargamiento admisible: 3% de su longitud inicial. •Este criterio toma en cuenta la norma de desgaste admisible, las condiciones de lubricación, la limpieza de la transmisión, el tipo de cadena y el dinamismo de carga. •Href= 15000 Horas, H>Hadm
  • 31. RECOMENDACIONES DE DISEÑO Paso de la cadena. •Cadena simple o de una hilera con el paso más pequeño: Accionamiento más económico •Mayor número de hileras: Limitaciones de espacio o velocidad inadmisiblemente elevada Número de dientes de los piñones. Emplear el mayor número de dientes en el piñón. Cuatro ventajas importantes dependen de Z1 • Un flujo de potencia uniforme, • Regularidad de funcionamiento, • Alto rendimiento • Larga duración. Dependencia: La cadena forma un polígono sobre el piñón. Cuando la velocidad del piñón es constante, la velocidad de la cadena está sujeta a una variación cíclica regular. Esta variación cíclica es menos acentuada cuando el número de dientes del piñón motriz es superior a 19. Existen aplicaciones en las que Z1<17 debido al ahorro de espacio o por condiciones velocidad/potencia puede dar un funcionamiento aceptable: Accionamientos movidos a mano, mecanismos, bicicletas, etc. Número de dientes impar. Muchos accionamientos tienen un número par de eslabones en su cadena debido a la sencillez del eslabón de cierre. Usando un piñón motriz con un número de dientes impar, se obtiene una distribución uniforme del desgaste tanto en la cadena como en el piñón.
  • 32. RECOMENDACIONES DE DISEÑO Número máximo de dientes. •Número (Z2)< 120 - 150 dientes. •Debido al desgaste, la cadena se sitúa en posiciones más elevadas sobre el diente del piñón: Cuando se desgastan las articulaciones el salto de la cadena sobre la rueda mayor es más evidente. •Desgate de la cadena permisible es el que da una elongación del orden del 2-3% sobre la longitud nominal. •Si la relación de transmisión es grande, se debe disminuir el número de dientes de la rueda menor para garantizar una transmisión más compacta y para evitar que Z2>150 dientes. Distancia entre centros. •La distancia entre centros (C): 30 a 50 veces el paso de la cadena. •Engrane mínimo sea de 6 ó 7 dientes. Para relaciones de transmisión grandes, comprobar que el ángulo de engrane en el piñón motriz no sea inferior a 120º. •Engrane de120º se obtiene con C≥ Dp2-Dp1. •La distancia entre centros debe adaptarse de ser posible, a la conveniencia de usar una cadena con un número par de eslabones, para evitar el uso de un eslabón especial. Posición del accionamiento. •Los accionamientos pueden funcionar en posición horizontal, inclinada o vertical. •Cuando la posición del accionamiento es vertical o próxima a ésta, es preferible que el piñón motriz (Z1), esté por encima del conducido (Z2), sobre todo si la transmisión es reductora.
  • 33. CONCLUSIONES • En los diseños se deben emplear números de dientes lo mayor posible y pasos pequeños para garantizar la suavidad de marcha, aunque esto exija de más de una hilera. • La capacidad de trabajo se determina a partir del criterio de presiones admisibles ( p<[p]), para evitar un desgaste prematuro en las articulaciones que aumente el paso y haga inservible la cadena en un período de tiempo corto. • Para aumentar la duración de una transmisión se debe bajar el dinamismo de carga, esto se logra con la disminución del paso, el aumento del número de dientes de la rueda motriz y la distancia entre centros, mejores condiciones de lubricación y limpieza. • Para aumentar la capacidad de trabajo de una transmisión se puede aumentar el número de hileras, aumentar el paso o mejorar las condiciones de explotación de la transmisión.
  • 34. BIBLIOGRAFIA • Elementos de Máquinas. Dobrovolski • Diseño en Ingeniería Mecánica. Joseph E. Shigley. 6ta Ed. • http://www.fi.uba.ar/materias/6712M/CUJAE_CUBA/ • http://dim.usal.es/eps/im/roberto/cmm/cmm.htm#downccm • http://www.elprisma.com/apuntes/curso.asp?id=8660# • http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/index.html

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