Ing. Eduardo Niño de Rivera

MOMENTO DE INERCIA

En el sistema ISO el momento de inercia se expresa en [kg-m²]. En el sistema inglés la unidad básica es la libra fuerza [lb], por lo que el momento de inercia se expresa en [lb-seg²-in] o [lb-seg²-ft], pero por razones prácticas, en muchos catálogos se usa el peso y no en la masa. Al momento de inercia basado en el peso se le llama WK², expresado en [lb-in²] o [lb-ft²].

El momento de inercia de un cuerpo puntual de masa “m”, que gira a una distancia fija “r”, alrededor de un eje (ver Figura No. 4) es:

Figura No. 4

En la práctica se usa esta fórmula para cuerpos pequeños que giran a una distancia relativamente grande del eje, como piezas que están colocadas en el diámetro exterior de una mesa giratoria.

El momento de inercia , respecto a su eje, de un cilindro sólido y homogéneo, de masa “m”, y radio “r” (ver Figura No. 5), es:

Figura No. 5

Para un cilindro hueco con radio exterior "R" y radio interior "r" (ver Figura No. 6), la fórmula es:

Figura No. 6

En la mayoría de los libros de texto de mecánica y dinámica se encuentran cuadros con las fórmulas del momento de inercia de diversas formas geométricas. Para calcular el momento de inercia de cuerpos combinados se pueden sumar los momentos de inercia de los componentes individuales. Existen también instrumentos que miden el momento de inercia de cuerpos de formas complejas.

Se denomina momento de inercia reflejado “Jr”, al impacto que un elemento tiene en una parte de la máquina que gira a velocidad diferente,

pero con una relación fija “i”, entre ambas velocidades (ver Figura No. 7). Es decir, si un elemento que tiene momento de inercia Jo gira a N 1 (rpm), el momento de inercia reflejado a un eje que gira a N2 (rpm) será:

Un error común es despreciar el momento de inercia del rotor del motor y de otros componentes que giran a alta velocidad. Generalmente el momento de inercia de estas partes es pequeño comparado otras partes de la máquina, sin embargo, al multiplicarlo por el cuadrado de la relación de velocidades, el momento de inercia reflejado a los ejes de baja velocidad puede ser muy grande.

Figura No. 7

Momento de inercia de un cuerpo que gira sobre el eje “A” a N1 [rpm], reflejado al eje “B” que gira a N2 [rpm].

Un cuerpo de masa “m”, con velocidad lineal “v”, en relación constante “k”, con respecto a un eje giratorio, tendrá un momento de inercia reflejado a este eje (ver Figura No. 8).

Figura No. 8

Momento de inercia de un cuerpo de masa "m" que se desplaza a una velocidad "v", reflejado al eje "A" que gira a N [rpm].

En la fórmula de la figura No. 8

en donde "v" está expresado en [metros por segundo] ([pulgadas por segundo] en el sistema inglés)

y " " está expresado en segundos-¹

o bien

en donde "v" está expresado en [metros por minuto] ([pulgadas por minuto en el sistema inglés])

y "N" está expresado en [rpm].

El par de torsión "T", requerido para pasar de una velocidad inicial "Ni" expresada en [rpm], a una velocidad final "Nr" también en [rpm], en un tiempo "t", será:

A.- Para T expresado en [Nm] y Jr en [kg-m²], o bien T expresado en [lb-in] y en [lb-seg²-in] o finalmente T expresado en [lb-ft] y Ji en [lb-seg²-ft].

B.- Para T expresado en [lb-in] y Jr en [lb-in²]

C.- Para T expresado en [lb-ft] y Jr en [lb-ft²]

Donde , representa la suma de los momentos de inercia de todos los componentes giratorios de la máquina, reflejados al eje que pasará de Ni a Nr.

COMPONENTES MECANICOSREDUCTORES DE VELOCIDAD

INTRODUCCION:

Este capitulo trata sobre la selección de reductores de velocidad de relación fija para uso industrial. Los de relación variable, los diferenciales, y los que usan cadenas y catarinas o poleas y bandas, se verán en otros capítulos.

Ante los avances en tecnología para motores de velocidad variable, especialmente los servomotores y motores a pasos, el diseñador debe contemplar la posibilidad de eliminar el reductor usando una transmisión directa entre el motor y la máquina. Esta solución es costeable si el motor puede operar eficiente y adecuadamente a la velocidad requerida. No debe perderse de vista, sin embargo, que la potencia nominal de los motores de velocidad variable se establece para una velocidad base, y que por debajo de ésta la potencia del motor está limitada por el par nominal y por la capacidad térmica del motor. Cuando se trabaja con servomotores y motores a pasos es también importante tomar en cuenta la relación entre el momento de inercia del motor y el de la máquina, ya que si esta relación pasa ciertos limites para el motor en cuestión, se hace necesario el uso de un reductor de velocidad para poder controlarlo adecuadamente.

TIPOS DE REDUCTORES

Al seleccionar un reductor se deben tomar en cuenta, además de la capacidad y la velocidad requeridas, los costos, la eficiencia, el régimen y las condiciones de trabajo, el espacio disponible, la disponibilidad de refacciones, la confiabilidad y la precisión. Para cubrir estas necesidades hay en el mercado varios tipos de reductores de velocidad, cada uno de ellos con una combinación de atributos que lo hacer más o menos deseable para un trabajo en particular. A continuación se presentan las características principales de algunos.

Engranes Cilíndricos

Los engranes cilíndricos permiten transmisión entre dos ejes paralelos, sin embargo, al usar más de un paso, se pueden realinear los ejes para que el eje de salida sea colineal con el de entrada. Los engranes de dientes rectos son quizá los más comunes y baratos. Tienen buena eficiencia, 95% o más, y alta capacidad. Su principal limitación es que tienden a producir ruido y vibraciones. Mediante el uso de engranes de dientes helicoidales se puede incrementar la capacidad y la eficiencia (97 a 99% por paso).

Los dientes helicoidales producen menos ruido y vibraciones que los rectos, pero requieren de mejor lubricación, y rodamientos que soporten las cargas axiales que generan. Es posible tener engranes cilíndricos helicoidales con ejes cruzados, aunque son poco usuales en el mercado, hay, por ejemplo, reductores con engranes de este tipo en relación 1:1 y ejes huecos perpendiculares. Por cuestiones prácticas, en los reductores estándar se limita la relación de reducción a 7:1 por paso, aproximadamente. Sin embargo hay reductores de fabricación especial y máquinas con engranes expuestos que tienen relaciones mucho mayores. Para contrarrestar las cargas axiales generadas por los engranes de dientes helicoidales, se pueden emplear engranes de doble hélice, que tienen mayor costo y requieren de mayor precisión en los soportes.

Conjunto de engranes de doble hélice Cortesía de Flender

 Conjunto de Engranes Cilindricos Helicoidales

Cortesía de Flender

Engranes Cónicos

Los engranes cónicos permiten que los ejes trabajen en ángulo, casi siempre de 90°. Los dientes pueden ser rectos o en espiral. Al igual que con los engranes cilíndricos, los de dientes rectos provocan más ruido y vibraciones. Los de dientes en espiral, por su parte, requieren mayor precisión en la alineación y permiten menos juego interno en los rodamientos. Los engranes cónicos a menudo son empleados en relación 1:1 para crear derivaciones en la transmisión, que permiten sincronizar diversas partes de una máquina. La relación máxima en reductores estándar es también de 7:1 aproximadamente en un juego de engranes cónicos. Para ampliar la gama de relaciones de velocidad se puede combinar un paso cónico con uno o más pasos cilíndricos.

Caja con engranes cónicos con dientes en espiralCortesía de Flender

Corona - Sinfín

En los reductores tipo corona-sinfín, los ejes son perpendiculares, pero no están sobre el mismo plano, lo que permite mayor espacio para los soportes tanto del sinfín como de la corona. Este tipo de engranes permite relaciones muy elevadas, hasta 100:1 en un solo paso, ocupando un espacio pequeño. Su desventaja principal es su baja eficiencia. Hay reductores de dos o más pasos de corona-sinfín o un paso corona-sinfín con uno o más pasos de engranes cilíndricos.

Dependiendo de la geometría interna y de los materiales, un sistema de corona y sinfín puede o no trabajar en sentido invertido, es decir, con el eje de baja velocidad como lado motriz. Aunque esto es diferente para cada fabricante y diseño, podemos decir que en la mayoría de los casos los reductores con relación menor a 15:1 o 20:1, aproximadamente, pueden trabajar en sentido invertido (con una eficiencia sumamente baja) y los de relación mayor son autobloqueados, es decir, tienden a amarrarse si en estado estático se aplica un par en el eje de baja velocidad. Aunque un reductor sea autobloqueado, no es recomendable usarlo como freno para sostener una carga, ya que vibraciones o golpes pueden permitir el movimiento de la carga. Tampoco de recomienda realizar un frenado dinámico desde el eje de alta velocidad de reductores autobloqueados, ya que esta práctica puede causar daños en los engranes.

Reductor tipo corona-sin fín con brida (o campana) para servomotor y cople tipo fuelle de alta rigidez torsional. Cortesía de SIPCO

Dada su baja eficiencia y su tamaño relativamente pequeño, en algunas condiciones de trabajo los reductores tipo corona-sinfín requieren de lubricantes especiales o de sistemas de enfriamiento, como ventiladores o intercambiadores de calor.

Existen varios diseños para este tipo de engrane. El estándar tiene un sinfín cilíndrico y contacto tanto en el acercamiento de la corona al sinfín, como en la parte recesiva del movimiento. En los engranes de acción recesiva el contacto solo ocurre en la etapa recesiva, lo que permite mayor capacidad y eficiencia. El sistema de sinfín con dientes de perfil cóncavo ofrece también ventajas en cuanto a capacidad y eficiencia. Y el diseño de doble envolvente, en que el sinfín sigue la forma de la corona, permite un mayor número de dientes en contacto para incrementar la capacidad y la eficiencia. Hay también sistemas que reducen el juego interno en los engranes, algunos de los cuales alcanzan a eliminarlo totalmente. Desde luego, el costo se incrementa en la medida que se hace más sofisticado el diseño.

Engranes Hipoidales

Estos engranes son una variante del engrane cónico en que los ejes quedan en ángulo pero sin cruzarse. Este sistema ha tenido más aplicación automotriz y se ve poco en reductores estándar industriales. El engrane hipoidal ofrece mayor capacidad que el engrane cónico con eficiencia poco menor a la de éste.

Engranes de dientes laterales

Hay diversas versiones de este tipo de engrane. Una de ellas utiliza un piñón cilíndrico de dientes rectos con una corona de dientes laterales. Este arreglo es similar a los engranes cónicos, pero permite el desplazamiento lineal del piñón sobre su eje, con lo que se obtienen ventajas para ciertas aplicaciones. Otra versión usa un sinfín con una corona de dientes laterales, en forma similar a los engranes hipoidales, permitiendo mayor capacidad que éstos y mayor eficiencia que los de corona-sinfín estándar.

Sistemas Cicloides

Mediante el uso de componentes excéntricos (cigüeñales) y un sistema de pernos, rodamientos, ruedas dentadas y rodillos se logran relaciones de velocidad mayores a 100:1 en un solo paso. En condiciones ideales de trabajo la eficiencia llega a 95% pero puede bajar rápidamente si la carga es menor al 90% de la capacidad del reductor. Hay reductores de dos o tres pasos cicloidales, alcanzando relaciones del orden de 500,000:1. Estos reductores tienen una alta capacidad para soportar cargas pico.

Transmisión cicloidal Cortesía de Harmonic Drive Technologies, Teijin Seiki Boston, Inc.

Por sus dimensiones reducidas, en algunas condiciones de trabajo la capacidad natural de disipar calor puede ser insuficiente, haciendo necesarios ventiladores u otros sistemas de enfriamiento. En forma y con consecuencias similares a los reductores tipo corona-sinfín, dependiendo se la geometría interna pueden trabajar sentido invertido o ser autobloqueados. Por su bajo momento de inercia, algunos reductores están diseñados para altas velocidades y precisión, con adaptadores para servomotores, juego interno nulo y alta rigidez torsional.

Este reductor tiene un eje hueco a la entrada, un primer paso de engranes cilíndricos rectos y un segundo paso

cicloidal. La salida es a través del plato frontal. Cortesía de Harmonic Drive Technologies, Teijin Seiki Boston, Inc.

Sistemas de Engranes Planetarios

Estos sistemas tienen un piñón central, un conjunto, que generalmente es de tres engranes que giran alrededor del piñón, llamados satélites, y una corona con dientes internos. Los dientes de los engranes pueden ser rectos o helicoidales. El sistema planetario ofrece una capacidad elevada en una envoltura pequeña porque la carga se comparte entre los tres satélites. Alcanzan relaciones de 10:1 por paso y los ejes son colineales. Trabajan en sentido invertido, como multiplicadores de velocidad, con eficiencia similar al sentido de reducción. Pueden combinarse con un paso preliminar de engranes cónicos, engranes de dientes laterales o corona-sinfín para tener ejes perpendiculares. Sus características los hacen atractivos para transmitir cargas elevadas en espacios reducidos. Para usos de alta precisión y velocidad se fabrican con juego interno reducido (menor a 3 minutos de arco) y con adaptadores para acoplarse directamente a servomotores.

Juego de engranes planetarios con dientes rectosCortesía de Flender

ENGRANES HARMÓNICOS

Estos sistemas tienen en el centro una leva elíptica, alrededor de la cual está colocado un engrane circular. La pared del engrane es delgada por lo que éste toma la forma de la leva. En la parte exterior hay una corona circular con dientes internos. La corona tiene dos dientes más que el engrane. El contacto entre el engrane y la corona ocurre en los extremos del eje mayor de la leva elíptica. Haciendo girar la leva una revolución completa respecto a la corona, el engrane girará en sentido contrario el equivalente a dos dientes. De manera que la relación de velocidades es igual a la mitad del número de dientes del engrane, haciendo posibles relaciones del orden de 300:1 en un solo paso. La eficiencia de estos reductores varía con la velocidad, la carga y la lubricación. Para condiciones normales de trabajo es de entre 80 y 90%. Estos reductores pueden trabajar en sentido invertido y a altas velocidades. El juego interno en estos engranes es nulo, pero puede haber juego entre los ejes de entrada y salida provocado por otros componentes del reductor. La combinación de tamaño, momento de inercia y precisión los hacen atractivos en robótica y aplicaciones similares.

Funcionamiento de los engranes harmónicos.Cortesía de Harmonic Drive Technologies, Teijin Seiki Boston, Inc.

SELECCION

Es común que la selección del motor y su transmisión se deje para el final del diseño, una vez que todo lo demás está definido. Para algunas máquinas ésta puede resultar una forma práctica de diseñar, pero en otras puede llevar a un diseño inadecuado, especialmente si se tienen restricciones en espacio, velocidad, aceleración, precisión, eficiencia, etc. Es preferible, entonces, que el proceso de selección de los componentes de transmisión se haga simultáneo con el desarrollo del resto de la máquina.

En la actualidad los fabricantes ofrecen muchas opciones en cuanto a materiales, arreglos de ejes, sistemas de soporte, sellos y retenes, lubricantes especiales, y diseños para condiciones severas de trabajo. Al seleccionar un reductor conviene tener en cuenta estas opciones ya que pueden ofrecer ahorros importantes o representar la diferencia entre una selección adecuada y una deficiente.

Reductor planetario con opciones:Brida para acoplamiento directo del motor; Brida de montaje con superficies piloto maquinadas para soportes;

Carcasa con alojamiento especial para rodamientos del eje de salida; y piñón cilíndrico de dientes rectos en el eje de salida.Cortesía de SIPCO.

La relación de velocidades, i, requerida, será igual a la velocidad de entrada, Ne (rpm), dividida por la velocidad de salida, Ns (rpm). Por ejemplo, si la velocidad del motor es de 1750 rpm. y la deseada a la salida del reductor es 50 rpm.:

La potencia requerida a la entrada del reductor será:

en donde:

Pe: potencia requerida a la entradaTs: par requerido a la salidaNs: velocidad a la salida en rpmη: eficienciaK: constante de conversión=  9,550 para par en Nm y potencia en kW  63,025 para par en lb-in y potencia en Hp  5,252 para par en lb-ft y potencia en HpLa carga radial sobre un eje, carga en voladizo, provocada por un elemento de transmisión, como una polea o catarina, tiene un impacto importante sobre la vida útil de los rodamientos que soportan el eje. Además, cada reductor tiene limitaciones estructurales respecto a la magnitud, el punto de aplicación y la dirección de esta carga. Aunque existen formas más precisas de determinarla, esta carga se puede estimar mediante la siguiente formula:

Lr: carga radial sobre el ejeTt: par que transmite el elemento mecánicorp: radio de paso del elementofr: factor de carga radial, conforme al cuadro No. 1.

Cuadro No. 1

  Factor de carga fr

Catarina 1.00Polea dentada 1.00Engrane 1.25Polea Banda V 1.50Polea para Banda Plana 2.50

Para determinar las capacidades mecánica, térmica y para soportar cargas radiales y axiales sobre los ejes, requeridas en el reductor, se debe tomar en cuenta la potencia a la entrada, los componentes de transmisión montados sobre los ejes de entrada y salida, si se espera que el reductor soporte cargas generadas por la máquina, el régimen y condiciones de trabajo, y el medio ambiente (para una discusión más detallada, ver los capítulos respectivos publicados en este foro). En los cálculos correspondientes es preferible seguir las recomendaciones del fabricante del equipo que se está seleccionando, ya que, aunque muchos siguen los estándares AGMA o ISO, algunos fabricantes usan definiciones para la capacidad y/o criterios para establecer los factores de servicio diferentes a los establecidos en dichos estándares. Y en última instancia, cada fabricante conoce mejor su equipo, y ofrece garantías de acuerdo a sus propios criterios de selección.

POLEAS Y BANDAS 

 El sistema de poleas y banda es una forma simple, barata y efectiva de transmitir movimiento entre dos ejes. Normalmente los ejes son paralelos y giran en el mismo sentido, pero es posible, mediante el uso de bandas planas, hacerlos girar en sentidos opuestos y con ciertas restricciones, también es posible transmitir entre ejes colocados a 90°.

Este sistema ofrece flexibilidad en la distancia entre los centros de los ejes, su montaje no exige una alineación tan precisa como otros sistemas, no requiere lubricación, requiere poco mantenimiento y la elasticidad de la banda amortigua cargas pico y vibraciones torcionales. Se pueden emplear bandas con superficie de contacto lisa (planas o de sección trapezoidal) que no generan ruido ni vibraciones o poleas y bandas dentadas para evitar el deslizamiento y mantener la sincronización entre los ejes.

La eficiencia de una transmisión por poleas y banda es alta, las principales pérdidas son producto del arrastre o "creep", condición inevitable,

provocada por las deformaciones que la banda sufre al tomar la forma de la polea. Cuando la banda trabaja adecuadamente hay arrastre sin deslizamiento, y la temperatura se eleva muy poco (la temperatura de una banda detenida es soportable al tacto), pero si además del arrastre hay deslizamiento, la temperatura se eleva mucho más, con posibles daños a las poleas y las bandas.

En la práctica la relación de reducción de velocidades en un sistema de poleas y banda se limita a 10:1 por paso, aproximadamente. Es posible lograr relaciones mayores, pero esto puede requerir poleas muy grandes o mucha separación entre los ejes, por lo que, generalmente, es preferible usar más de un paso de reducción, en el primer paso se usan poleas, y los sucesivos pueden ser con poleas, engranes o cadenas .

Gracias a avances en las tecnologías de fabricación y al empleo de nuevos materiales, la capacidad de transmisión de las bandas se ha venido incrementando continuamente durante los ultimos años. Este incremento en capacidad hace posible reducir el número de bandas al sustituir las de una transmisión que se haya diseñado tiempo atrás.

TIPOS DE BANDAS

Las bandas pueden ser de construcción continua, también llamada sinfín, o abiertas, en las que la unión de los extremos se hace durante el montaje. Este último sistema se emplea cuando el reemplazo de una banda sinfín es problemático y tardado.La clasificación más común se basa en la forma de la sección de la banda. La banda plana tiene una sección rectangular y el contacto con la polea se da en la superficie interior de la banda. En la banda trapezoidal tipo V, el contacto es en las paredes cónicas de la banda. En la banda de sección redonda tipo O, el contacto en en el semicírculo interior de la sección de la banda. Y en las poleas y bandas dentadas, el contacto es entre los dientes de ambos elementos.

BANDA PLANA

Este tipo de banda tuvo un amplio uso en fábricas en que la potencia motriz venía de un motor general y se tenían ejes comunes de los que se tomaba fuerza para todas las máquinas de la planta. Comparada con diseños más modernos, la banda plana requiere de una tensión elevada para transmitir un par determinado. Esta condición hace necesarios el uso de ejes y soportes más robustos. Por otra parte, resulta relativamente fácil reducir la tensión en la banda para permitir que deslice en el arranque o ante cargas elevadas, lo que puede hacerla atractiva para algunas máquinas.

BANDA TRAPEZOIDAL

Desde su aparición y con el uso generalizado de motores eléctricos individuales para cada máquina, las bandas trapezoidales han ido desplazando a las bandas planas. Hoy en día las bandas trapezoidales son las más usadas en vehículos, aparatos de línea blanca, ventiladores y máquinas industriales. El ángulo de las paredes de la banda tiene un efecto multiplicador sobre la fuerza de contacto entre las superficies de fricción, permitiendo transmisiones más pequeñas y menor tensión en la banda. En el estándar de los Estados Unidos, el diseño tradicional comprende las secciones designadas con las letras A, B, C, D y E. De diseño más reciente son las bandas tipo L para trabajo ligero y las secciones de diseño V que han reemplazado a las secciones tradicionales porque permiten transmisiones más pequeñas para requerimientos similares. La siguiente tabla nos muestra las dimensiones principales para las diferentes secciones estándar de banda que existen:

SECCIÓN L H3L 3/8 7/324L 1/2 5/165L 21/32 3/83V 3/8 5/165V 5/8 17/328V 1 29/32A 1/2 5/16B 21/32 13/32C 7/8 17/32D 1 1/4 3/4E 1 1/2 29/32

Banda Trapezoidal Estándar Banda Trapezoidal Tipo “V” Banda Trapezoidal Tipo “L”

Tanto las bandas tradicionales como las de diseño V se fabrican en conjuntos unidos de 2 a 5 bandas, llamados bandas múltiples, con los que se evita la necesidad de igualar bandas para trabajar en poleas de varias ranuras y dando estabilidad a la transmisión. Ver figura No. 1

Figura No. 1

Otra variante son las bandas trapezoidales dentadas, que, teniendo la misma sección de las bandas estándar, son más flexibles y permiten el uso de poleas de menor diámetro. Estas bandas comúnmente se designan con una X después del número básico, 3VX, por ejemplo. A diferencia de las bandas lisas, las bandas dentadas comúnmente tienen los cantos en bruto, es decir, que no estan recubiertos, lo que permite una mayor capacidad de transmisión.

Banda Trapezoidal Dentada

BANDA Y POLEAS DENTADAS

Las poleas dentadas no dependen de la fricción para transmitir potencia, permitiendo una tensión mínima en las bandas. Además, al no haber deslizamiento entre la polea y la banda, hay sincronización entre los ejes. Entre los avances tecnológicos destaca la modificación de los perfiles de los dientes de las poleas y sus bandas para ofrecer transmisiones cada vez más silenciosas y durables. Ver figura No. 2

Figura No. 2

Algunas bandas con dientes modificados pueden trabajar con poleas de perfil estándar, pero otras requieren de poleas con dientes compatibles. Un diseño reciente incorpora dientes de doble hélice desfasada, que ofrece una transmisión más sileciosa, con menos vibraciones y mayor eficiencia.

Las poleas con dientes rectos pueden tener paso en pulgadas, series MXL (1/12"), XL (1/5"), L (3/8"), H (1/2"), XH (7/8") y XXH(1-1/4"), o las series 3M, 5M, 8M, 14M y 20M , donde los dígitos representan el paso en milímetros. Debido a que algunas poleas y bandas se fabrican con geometría diferente a la estándar, al reemplazar las bandas es importante verificar que las bandas nuevas sean compatibles con las poleas instaladas.

Al especificar la banda deseada se debe indicar el diseño, HPR, por ejemplo, el número de dientes, digamos 1778, el paso, 14 mm, y el ancho, 55 mm. El modelo será HPR 1778-14M-55.

 BANDA HEXAGONAL Y DE ESLABONES

Se fabrican también bandas hexagonales para transmitir por ambos lados ( figura No. 3 ) y bandas de eslabones, con capacidad menor a las bandas continuas, pero que permiten reemplazarlas o ajustar la tensión, sin necesidad mover los ejes (figura No. 4).

Figura No. 3 Figura No. 4

BANDAS REDONDAS TIPO O

Las bandas redondas se utilizan en transmisiones de poca potencia, como maquinas de oficina y enseres domésticos. Debido a la simetría de una sección redonda, es muy sencillo trabajar con ejes múltiples u oblicuos, por lo que pueden ser útiles en aparatos con transmisiones complicadas.BANDA DENTADA DUAL

La mayoría de los fabricantes ofrecen también bandas con dientes en la superficie interior y en la exterior, que permiten transmitir movimientos por ambos lados de la banda, tal y como se muestra en la figura No. 5

Figura No. 5

OTROS TIPOS

Además de los tipos de bandas que se han mencionado, hay una variedad de diseños para resolver problemas específicos, especialmente para transmisiones pequeñas. A través de variaciones en materiales, geometría o construcción, se obtienen bandas más flexibles, que permiten desalineación y el uso de poleas de menor diámetro, reduciendo peso, momento de inercia y espacio de una transmisión.

SELECCION

Los cálculos para la selección de una banda pueden ser algo complejos. Afortunadamente, muchos fabricantes ofrecen programas de computadora e incluyen en sus catálogos y páginas electrónicas formas simplificadas, que nos llevan de la mano paso a paso, usando sencillas fórmulas, gráficas y tablas de datos, para hacer una selección adecuada.

Estos procedimientos son aceptables para la mayoría de las máquinas, pero hay transmisiones que por las velocidades, cargas o condiciones de trabajo, requieren de un análisis más detallado. En estos casos es recomendable consultar al fabricante.

A grandes rasgos se siguen los siguientes pasos:

La información que se requiere para seleccionar una transmisión es:

La potencia y el tipo de motor (motor eléctrico de 5 Hp, por ejemplo)

Diámetro de los ejes de la polea motriz (1.125" ) y de la polea conducida (1.750" )

El tipo de máquina y el régimen de trabajo (transportador de banda a granel, trabajo continuo 10 hrs diarias)

La distancia aproximada entre los centros de los ejes (13")

La velocidad de la polea motriz (1750 rpm) y de la polea conducida (400 rpm aproximadamente)

Colocación de la polea loca o tensora, si se va a emplear (sin polea loca)

El primer paso es escoger el factor de servicio en el cuadro adecuado, tomando en cuenta tipo de motor, tipo de máquina, régimen de trabajo y la colocación de la polea loca, si es que se emplea. La potencia de diseño es igual al factor de servicio por la potencia del motor. Factor de servicio recomendado: 1.2, la potencia de diseño será 1.2 x 5 = 6 Hp

En seguida, utilizando una gráfica, se selecciona la sección adecuada para la combinación de potencia de diseño y velocidad. 3V o 3VX para transmitir 6 Hp a 1750 rpm.

Luego, en una tabla se verifica diámetro mínimo de polea recomendado para el motor que se va a emplear (entre menor sea el diámetro de una polea, mayor será la carga en voladizo sobre al eje del motor). Para un motor eléctrico estándar de 5 Hp a 1750 rpm se recomienda que el diámetro de la polea motriz sea mayor o igual a 3.0"

Potencia del Motor Electrico

[rpm] 1/2 3/4 1 1 1.5 2 3 5 7.5 10 15 20 25 30 40 50

870 2.2 2.4 2.4 2.4 3.0 3.0 3.8 4.4 4.4 5.2 6.0 6.8 6.8 8.2 8.4

1160 - 2.2 2.4 2.4 2.4 3.0 3.0 3.8 4.4 4.4 5.2 6.0 6.8 6.8 8.2

1750 - - 2.2 2.4 2.4 2.4 3.0 3.0 3.8 4.4 4.4 4.4 5.2 6.0 6.8

3500 - - - 2.2 2.4 2.4 2.4 3.0 3.0 3.8 4.4 4.4 - - -

Diámetro mínimo recomendado para poleas montadas en motores

La relación de reducción es igual a la velocidad de la polea motriz entre la velocidad de la polea conducida (1750 / 400 = 4.375). En las tablas de selección que proporciona el fabricante, correspondiente a la sección de banda determinada en el segundo paso (banda 3V), se escoge una combinación de poleas que ofrezca la relación deseada y que tenga un diámetro mayor al minino recomendado. Para el caso del ejemplo, se obtiene una selección con las siguientes características: relación 4.23:1, polea motriz 3.35", polea conducida 14".

Esta tabla indica la capacidad, en Hp por banda, para la velocidad de la polea motriz, 3.66 Hp en este ejemplo. Esta capacidad debe multiplicarse por un factor de ajuste para la distancia entre centros deseada, que aparece en la misma tabla. Para la banda 3VX560, la distancia entre centros es 13.3" y el factor de ajuste es 0.90, por lo que la capacidad: 0.87 x 3.35 = 2.91 Hp por banda.

RelaciónPoleas de Inventario

Diámetro Ext.

Potencia Por Banda

Factor De Ajuste

Distancia Entre Centros

Motriz Conducida 1750 [rpm] [pulg]

..... ..... ..... ..... ..... ..........

..... ..... ..... ..... ..... ..........

4.23 3.35 14.00 3.66 0.87 3V560 13.3

..... ..... ..... ..... ..... ..........

..... ..... ..... ..... ..... ..........

Tabla de Potencia por Banda y Factor de Ajuste

Finalmente, se divide la potencia de diseño entre la capacidad por banda, ajustada a la distancia entre centros, para obtener el número de bandas requeridas en la transmisión. 6 / 2.91 = 2.06. Un diseño conservador nos llevaría a usar 3 bandas, otras opciones serían: usar dos bandas, sacrificando un poco el factor de servicio; o, incrementar la distancia entre centros de los ejes.

TENSION DE LAS BANDAS

Las bandas que trabajan en fricción requieren de la tensión correcta para transmitir el par deseado. Como se ha dicho anteriormente, si la tensión es baja habrá deslizamiento entre la polea y la banda.

Hemos dicho también que esta condición puede ser deseable, pero también debe decirse que representa pérdida de eficiencia y disminución en la vida útil de la transmisión. En la actualidad la amplia disponibilidad y economía de bandas trapezoidales, que no se adaptan muy bien a un deslizamiento prolongado, hace preferible utilizar en conjunto con la transmisión de este tipo de poleas, otros elementos, como inversores de frecuencia, embragues y coples hidráulicos, diseñados específicamente para permitir arranques suaves y para proteger la máquina y su transmisión contra los efectos de cargas elevadas. Tampoco es conveniente permitir demasiada tensión en la banda porque ésto puede provocar daño prematuro en ejes, rodamientos o en la misma banda.

La forma más sencilla de encontrar la tensión adecuada de una banda consiste en separar los ejes hasta que la banda alcance una tensión que permita poco arco en los tramos libres de la banda. Se hace trabajar el equipo, observando la transmisión para detectar un chillido que indique deslizamiento en el arranque o durante periodos de carga elevada, o movimiento excesivo en el lado suelto de la banda. Si por falta de experiencia o porque la máquina lo requiere este método no es aceptable, se puede lograr un ajuste más exacto mediante la medición de la fuerza requerida para deformar la banda una distancia determinada, como se indica en la figura No. 6.

Figura No. 6

Debido a la elongación de las banda y el asentamiento entre poleas y bandas, es conveniente ajustar la tensión de bandas nuevas poco arriba del máximo recomendado para operación normal, y será necesario verificar la tensión después de las primeras 24 horas de trabajo.

 

CADENAS Y RUEDAS DENTADAS PARA TRANSMISIÓN

INTRODUCCION

Desde niños hemos visto las cadenas como simples partes de una bicicleta. Las hemos observado, maltratado y cambiado sin prestar más atención a su funcionamiento o construcción. Sin embargo, la cadena es un componente bastante complejo tanto por la forma en que trabaja, como por los materiales y procesos de fabricación que requiere. Afortunadamente, al igual que en el caso de las poleas y bandas, los fabricantes de cadena publican formas impresas o programas de computadora que nos permiten seguir pasos sencillos para hacer una selección correcta en las aplicaciones más comunes.

La cadena permite transmitir movimiento entre ejes paralelos. El arreglo más sencillo tiene un eje motriz y uno conducido girando en el mismo sentido, pero pueden hacerse arreglos con más ejes o hacer que giren en sentidos opuestos. Algunas de las ventajas que ofrece son:

    La rigidez de la cadena y la rueda dentada mantienen la sincronía entre dos o más ejes.

    Alta eficiencia, superior a 98% por etapa de reducción en cadena de rodillos

    Su construcción y materiales permiten una alta capacidad de carga y larga duración.

    La cadena no necesita estar en precarga para transmitir un par.

    Debido a que los extremos se unen con un candado, es fácil de instalar o reemplazar sin mover los ejes.

    Se puede adaptar a ambientes hostiles (temperaturas altas o bajas, humedad, presencia de aceite, etc.)

    Se adapta fácilmente a instalaciones expuestas o cubiertas.

    Permite arreglos con varios ejes conducidos a partir de un solo eje motriz.

    Hay flexibilidad para establecer la distancia entre los centros de los ejes.

    La elasticidad de los componentes y la presencia de lubricante amortiguan los impactos.

    Se pueden colocar aditamentos a la cadena para usarla en equipo de manejo de materiales.

Algunas de sus limitaciones son:

    Mayor nivel de ruido que la transmisión por poleas y bandas.

    La cadenas estándar solo pueden transmitir en un plano.

    Su velocidad máxima de operación es un tanto limitada.

    La lubricación puede ser complicada

    Cuando se reemplaza una cadena, es probable que sea necesario reemplazar también las ruedas dentadas.

DESEMPEÑO

En operación, una cadena es sometida a tensión en las placas laterales, esfuerzos de corte en los pernos y deslizamiento entre rodillos, bujes y pernos. La tensión es cíclica y tiene efectos en la cadena que dependen de la intensidad: el limite absoluto es la carga de ruptura; aproximadamente a un 65% de esta carga, para la mayoría de los materiales usados en cadenas de acero, se inicia el daño por deformación permanente; por debajo de este nivel, la cadena está sujeta a fatiga, entre menor sea la carga mayor será el número de ciclos de tensión y relajamiento que pueden soportar los componentes de la cadena; hay una carga, conocida como el limite de fatiga, por debajo de la cual no hay deterioro por fatiga pero la cadena sufre desgaste en las superficies de contacto entre el buje y el perno.

Una cadena debe seleccionarse con limite de fatiga superior a las cargas de trabajo. De esta manera la falla será por desgaste, evitando fallas catastróficas por fatiga, deformación o fractura, que pueden dañar la máquina o causar lesiones. Además, el desgaste hace que la cadena se alargue, de manera que al medir la longitud total de la cadena podemos conocer el grado de desgaste y prever con tiempo la necesidad de reemplazarla. Los fabricantes de cadena presentan la información de selección en gráficas o cuadros, que toman en cuenta el limite de fatiga en las placas laterales, un limite similar para bujes y rodillos, y la velocidad que provocaría la pérdida de la película lubricante y, por ello, daños al perno por roce directo con el buje.

Al entrar en contacto con la rueda dentada, los eslabones de una cadena pasan de una alineación más o menos recta a una angular. Este es un movimiento corto y rápido, que se inicia en una condición estática, en la que hay contacto metal con metal entre las superficies del perno y el buje, haciendo inevitable el desgaste e imprescindible una buena lubricación.

Otros factores que influyen en el desgaste son: a más velocidad, mayor será el número de veces por unidad de tiempo que cada eslabón entre en contacto con una de las ruedas dentadas y el desgaste se dará con mayor rapidez; entre menos dientes tenga la rueda, más grande será el ángulo que tendrán que girar los eslabones, y mayor será el desgaste; y, en una cadena más larga, cada eslabón tardará más tiempo en volver a entrar a entrar en contacto con la rueda, de manera que el desgaste será menor.

Las bandas se acomodan alrededor de una polea redonda en forma tal que el contacto entre la polea y la banda se inicia siempre la misma línea tangente a la polea. Las cadenas, por el contrario, forman un polígono sobre la rueda dentada. Esta geometría hace que la cadena tenga un movimiento lateral cíclico y pulsaciones en la velocidad. Entre menor sea el número de dientes en la rueda, mayor será el movimiento lateral y la variación de velocidad en el ciclo.

Desplazamiento lateral debido al efecto poligonal en una rueda de cuatro dientes

Suponiendo una velocidad constante en la rueda motriz, la variación porcentual en la velocidad lineal de la cadena está dada por la formula:

donde N es el número de dientes de esta rueda. En términos prácticos esto impone un límite al número mínimo de dientes que puede tener la rueda motriz para cada aplicación. Como se muestra en la siguiente gráfica, este efecto es muy pronunciado para ruedas con menos de 20 dientes, por lo que se debe tener cuidado cuando la selección considera ruedas más pequeñas.

  N [Incremento] V%

9 6.031

11 4.051

13 2.906

15 2.185

17 1.703

19 1.364

21 1.117

23 0.931

25 0.789

27 0.676

29 0.586

31 0.513

Por otro lado, la elongación de la cadena, producida por el desgaste, hace que aumente el paso entre eslabones, con lo que aumenta también el diámetro de paso, haciendo que los rodillos se coloquen en un punto más alto en los dientes. En el caso extremo la cadena logra saltar fuera de los dientes. Este efecto es mayor entre mayor sea el número de dientes. Otras desventajas de las ruedas demasiado grandes son: costo, espacio, dificultad para lubricar y fuerzas centrífugas elevadas. Estas consideraciones imponen un límite práctico para la mayoría de los usos industriales de 6:1 en la reducción por paso en una transmisión de cadena.

Para transmisiones en que la distancia entre centros es ajustable y el número de dientes de las ruedas está dentro de los límites indicados, una elongación de un 2% es aceptable. Dependiendo de la configuración de la transmisión y de la velocidad de operación, en las transmisiones con mayor número de dientes o en las que no tienen la posibilidad de ajustar la distancia entre centros, la elongación aceptable puede ser del orden del 0.7% al 1%. Hay fabricantes que aceptan, para condiciones específicas, hasta un 3% de elongación, pero debemos tener en cuenta que comúnmente el perno es cementado y cuando el desgaste ha penetrado por debajo de la capa endurecida, el deterioro sucesivo de la cadena será extremadamente rápido.

LUBRICACION

En una cadena el lubricante cumple varias funciones:

    Lubrica las superficies de contacto entre pernos y bujes, y entre rodillos y ruedas dentadas

    Amortigua impactos

    Elimina el calor generado durante la operación

    Elimina contaminantes

    Evita la corrosión

El lubricante debe fluir con facilidad para penetrar a las zonas en que se requiere. Por lo que debe evitarse lubricar con grasa. Aunque es posible usarla para aplicaciones de baja velocidad y con ciertas precauciones, en general, la grasa no penetra adecuadamente en las zonas que requieren lubricación, dejándolas desprotegidas y provocando fallas prematuras.

El siguiente cuadro muestra el grado de aceite recomendado para diferentes temperaturas del lubricante:

  GRADO TEMPERATURA [°C]

SAE 5 -25 a –10

SAE 10 -10 a -5

SAE 20 -5 a 5

SAE 30 5 a 40

SAE 40 40 a 50

SAE 50 50 a 60

Siguiendo la recomendación que los fabricantes presentan en las gráficas o tablas de selección, dependiendo de la combinación de velocidad y potencia a transmitir , se debe usar uno de los siguientes métodos básicos para lubricar cadenas con aceite: El método manual consiste en aplicar aceite con una brocha, aceitera o aerosol, en intervalos de 8 horas de operación aproximadamente; En la lubricación por goteo debe asegurarse que el aceite caiga entre las placas laterales para que llegue a las superficies de fricción; El baño de aceite consiste en permitir que en su punto más bajo la cadena pase por un depósito en el que se moje totalmente con aceite; y, mediante el uso de una bomba e inyectores se puede dirigir un flujo continuo de aceite hacia el hueco entre las placas laterales, de preferencia justo antes de que los eslabones entren en contacto con la rueda motriz. Ver figuras No. 1 y No. 2

Figura No. 1

Figura No. 2

Varios fabricantes ofrecen cadenas autolubricadas. Mediante el uso de bujes de bronce sinterizado impregnado en aceite, materiales plásticos y otros sistemas, estas cadenas pueden prescindir de lubricación externa durante su vida útil, ofreciendo ventajas en aplicaciones que requieren de un alto nivel de limpieza como proceso y empaque de alimentos, fabricación y ensamble de partes electrónicas, elaboración de productos farmacéuticos, fabricación y conversión de papel, etc. Las cadenas autolubricadas tienen las mismas dimensiones básicas de las cadenas de normas ANSI, BS, ISO, etc. por lo que pueden trabajar con las mismas ruedas dentadas. La capacidad de carga y la efectividad del sistema de lubricación dependen de la tecnología empleada y varían de un fabricante a otro. Por lo tanto, es importante usar la información técnica correspondiente a la cadena en particular que se esté considerando y de ninguna manera tomar datos de una marca y modelo como válidos para otras.

A temperaturas superiores a 100°C es necesario usar lubricantes especiales. Las cadenas que trabajan a temperaturas elevadas pierden algunas de las características que los materiales adquieren durante el tratamiento térmico. Para temperaturas superiores a unos 170°C es común que los fabricantes recomienden que se considere una capacidad de diseño menor a la publicada, llegando a un 50% para una temperatura de 250°C. No es recomendable usar cadenas estándar por arriba de esta temperatura.

 COLOCACION DE LAS RUEDAS DENTADAS

El arreglo mas sencillo para una transmisión mediante cadena tiene los ejes horizontales y una distancia entre centros de los ejes que puede ir del equivalente a 30 eslabones al equivalente a 50 eslabones de la cadena. Además, la distancia entre centros debe permitir un contacto con un mínimo de 120° de la rueda de menor diámetro. En un arreglo de este tipo, y si la tensión y la alineación son adecuadas, la cadena es soportada por las ruedas dentadas y no requiere de guías. En estas condiciones el lado tenso de la cadena puede ser indistintamente, el de arriba o el de abajo.

La posición relativa entre los ejes puede ser horizontal, inclinada o vertical. Para las transmisiones en que la colocación relativa de los ejes es vertical o casi vertical, es preferible que la rueda dentada motriz sea la de posición más elevada, pero, con la tensión adecuada, el eje motriz puede quedar abajo.

Para arreglos con la línea entre centros horizontal en que la distancia entre centros sea corta y no se pueda ajustar, es preferible que el lado tenso quede arriba, en la condición contraria la cadena tiende a salir de la posición adecuada de contacto con la rueda dentada. Si la distancie entre centros es muy larga, también es preferible que el lado tenso sea el de arriba para impedir que el lado suelto haga contacto con el lado tenso.

Para cadenas con placas laterales planas, se recomienda que la distancia entre centros sea tal que permita un número par de eslabones ya que una cadena con un número non de eslabones requiere de un candado de placas escalonadas.

 Para ejes verticales deben usarse guías de soporte o reducir al mínimo la distancia entre ejes.

En la instalación se recomienda que la tensión de la cadena permita un movimiento total “A”, de 4 a 6 % de la distancia entre centros, C, para una transmisión horizontal y de 2 a 3% para una transmisión vertical.

Transmisión horizontal

Transmision vertical

Debido a la enlongación de la cadena por desgaste, es necesario que la transmisión tenga una forma de mantener la tensión a medida que la cadena aumenta de tamaño. Para ello se puede ajustar la distancia entre centros o usar ruedas tensoras locas.

Ajuste de tensión en la cadena, mediante el movimiento de alguno de los ejes de la transmisión.

Ajuste de tensión en la cadena, mediante el uso de una rueda tensora loca o jockey.

En la mayoría de las aplicaciones industriales las condiciones de trabajo quedan dentro de los limites prácticos que se han indicado. Se recomienda consultar con el fabricante si:

La potencia y velocidad de trabajo son superiores a las que aparecen en las gráficas o cuadros de selección Se requieren ruedas con menos de 19 o más de 114 dientes Las temperaturas de operación rebasan los 100°C Las condiciones ambientales se salen de lo normal El uso es de alto riesgo Habrá un alto volumen de producción

TIPOS DE CADENAS

CADENA DE BUJE

Esta es la construcción más sencilla que encontramos en las cadenas modernas de transmisión. Consiste en placas laterales, que pueden ser planas o escalonadas, pernos uniendo las placas exteriores y bujes para unir las interiores. La función del buje es proporcionar una superficie de contacto ancha para las partes en deslizamiento y evitar una concentración de los esfuerzos de contacto, con su consecuente desgaste acelerado entre el perno y las placas interiores. La unión entre el buje y las placas laterales puede ser mediante un ajuste de interferencia o se puede fabricar una pieza integral soldada, de fundición o forjada. Debido al deslizamiento entre el buje y la rueda dentada, la velocidad de este tipo de cadena es algo limitada.

CADENA DE RODILLO

Como su nombre lo indica, esta cadena, además del buje, tiene un rodillo que elimina el deslizamiento entre la rueda dentada y el buje.

Este tipo de cadena se fabrica bajo diversas normas, las más usadas son:

La inglesa, BS 228, equivalente a la ISO 606-B y DIN 8187, que considera cadena sencilla, doble (o duplex) y triple (o triplex), con paso entre 0.158" (4 mm) y 4.5" (114.3 mm). Una de las características de esta norma es un diámetro de perno amplio que ofrece mayor resistencia al desgaste de la cadena. De acuerdo al sistema ISO a esta cadena se le da un número de la siguiente forma xxB-x donde las x representan dígitos, los primeros dos corresponden al paso en 1/16 de pulgada, y el último indica si la cadena es sencilla, doble o triple. Así, el número 12B-2 representa una cadena doble con paso de 3/4".

La americana, ANSI B29.1, equivalente a la ISO 606-A y DIN 8188, que contempla hasta cadena decaple (o decaplex) de diez hilos. La numeración ISO solo intercambia la letra A por la B de la norma inglesa. El sistema de numeración americano le da un número entre el 25 (para paso de 1/4") y el 200 (para paso de 2.5"). Esta norma también contempla cadena con placas mas anchas, designada con el sufijo H y pernos tratados al núcleo, sufijo V. El número ANSI 60-2 corresponde a una cadena doble, paso 3/4", y el número ANSI 60-2HV corresponde a la misma cadena pero con placas reforzadas y perno tratado al núcleo.

Las cadenas fabricadas bajo una de estas normas no deben intercambiarse ni usarse con ruedas dentadas de la otra.

COMPARACIÓN DE DIMENSIONES

 Ancho

[pulgadas]Diámetro del Rodillo

[pulgadas]

Paso ANSI BS ANSI BS

3/8 ” 0.168 0.208 0.200 0.250

1/2 ” 0.284 0.283 0.312 0.335

5/8 ” 0.343 0.362 0.400 0.400

3/4 ” 0.459 0.437 0.469 0.475

1 ” 0.575 0.650 0.625 0.625

1 1/4 ” 0.692 0.728 0.750 0.750

1 1/2 ” 0.924 0.949 0.875 1.000

1 3/4 ” 0.924 1.157 1.000 1.100

2 ” 1.156 1.157 1.125 1.151

CADENA DE DIENTE INVERTIDO O SILENCIOSA

En lugar de buje o rodillo esta cadena usa placas de transmisión con forma de dientes, colocadas alternadamente hacia adelante y hacia atrás, para hacer contacto con la rueda. La geometría de esta cadena reduce el efecto poligonal e incrementa la eficiencia, por arriba de 99%. Hay ligeras diferencias en los diseños de diferentes fabricantes, que no permiten unir tramos de una marca a tramos de otras, sin embargo, las cadenas denominadas SC, generalmente fabricadas bajo la norma ANSI 29.2, pueden trabajar con ruedas de diferentes fabricantes.

Para mantener la cadena en su posición, además de las placas de transmisión, las cadenas silenciosas llevan placas guía, que pueden ir en el interior de la cadena o en los extremos. Las ruedas dentadas deberán tener ranuras que correspondan con la colocación de las placas guía

internas.

 

La construcción de estas cadenas permite que se fabriquen en varios anchos, sin tener que recurrir a cadenas múltiples. Los modelos más comunes tienen paso que va desde 3/8" hasta 2" con anchos que pueden variar entre 3/4" y 3" para los pasos menores, y entre 3" y 6" para los pasos mayores.

Debido a que los dientes de la rueda están en contacto únicamente con la mitad de las placas, es aconsejable que las ruedas tengan un número non de dientes para que en cada revolución los dientes entren en contacto con el grupo de placas alterno, promoviendo un desgaste más parejo en la rueda.

Además de la cadena estándar, SC, existen otros diseños en los que el perfil de las placas de transmisión y los dientes de la rueda imitan el contacto de un piñón con una cremallera, permitiendo una transmisión de mayor capacidad, más suave, eficiente y silenciosa.

Como en la cadena de rodillos, es preferible que el número de eslabones de la cadena sea par, porque un número non hace necesarias placas escalonadas en el candado.

Se han diseñado también pernos de diversas formas que promueven la suavidad y eficiencia de las transmisiones.

CADENAS ESPECIALES

Para condiciones adversas de trabajo se han desarrollado cadenas de materiales diversos como acero inoxidable, acero nickelado o plásticos. Estas cadenas tienen limitaciones en cuanto a capacidad, velocidad y requerimientos de lubricación, que deben tomarse en cuenta para su selección.

También se han desarrollado cadenas de formas diversas, llamadas cadenas de ingeniería y aditamentos para éstas y para las cadenas estándar. Las cadenas de ingeniería y los aditamentos resuelven algunos problemas que no se prestan al uso de cadenas estándar. En realidad, los aditamentos y las cadenas de ingeniería se usan más para transportación de materiales que para transmisión de potencia, por lo que se discutirán más ampliamente en el capitulo relativo a movimiento lineal.

SELECCIÓN

Al seleccionar una cadena, el primer punto a considerar es la consecuencia de una falla catastrófica. Normalmente, las transmisiones cuentan con dispositivos de seguridad para prevenir las consecuencias de una falla de ese tipo, pero los costos siempre son elevados. Como hemos visto, las cadenas deben seleccionarse de manera que la falla sea por desgaste, esto nos ofrece automáticamente, un factor de seguridad (carga de ruptura/carga de trabajo) mínimo de 8. Sin embargo es importante considerar las cargas de arranque y las cargas pico.

La información requerida para seleccionar una cadena es:

Potencia a transmitir Velocidades de ambos ejes Régimen de trabajo Tipo de máquina Tipo de motor Distancia entre centros deseada

1. Determinar la potencia de diseño Pd, igual a la potencia a transmitir Pn, por el factor de servicio. Si la información es presentada en forma gráfica también debe multiplicarse con el factor de número de dientes para la rueda motriz.

Características de la

Características del Impulsor

OPERACIÓN GOLPETEO GOLPETEO

Máquina Impulsada

SUAVEMotores eléctricos,

turbinas a vapor o a gas, motores de combustión

interna con acoplamiento hidráulico

LIGEROMotores de combustión

interna de 6 o más cilindros y acoplamiento mecánico.

motores eléctricos con arranques frecuentes

MODERADO Motores de combustión interna con menos de 4 cilindros y acoplamiento

mecánico

OPRECION SUAVE

Bombas centrífugas y compresores, máquinas punteadoras, calandrias papeleras,

transportadores uniformemente cargados, escaleras, agitadores para líquidos y mezcladores, secadores rotatorios y

ventiladores.

1 1.1 1.3

GOLPETEO LIGERO

Bombas y compresores (3 o más cilindros), máquinas mezcladoras de concreto,

transportadores no cargados uniformemente, agitadores y mezcladores de sólidos.

1.4 1.5 1.7

GOLPETEO FUERTE

Aplanadoras, excavadoras, molinos de rodillos y de bolas, máquinas procesadoras de hule, bombas y compresores de 1 y 2

cilindros, prensas y perforadoras petroleras.

1.8 1.9 2.1

Factores f2 para tamaños estándar de ruedas sprocket

Z1 f216 1.2717 1.1219 1.0021 0.9123 0.8325 0.76

2. Seleccionar el paso de la cadena usando las gráficas o cuadros de los catálogos o manuales de los fabricantes. Es preferible usar el paso más pequeño que pueda transmitir la potencia de diseño y velocidad requeridas, si una cadena sencilla no puede hacer el trabajo, se puede considerar una cadena múltiple.

3. Tomando en cuenta restricciones dimensionales impuestas por el diseño de la máquina y la carga radial que la cadena impondrá sobre el eje, determinar el número de dientes para la rueda motriz Z1 y revisar si el factor de número de dientes usado en el primer paso es correcto. Si es necesario, repetir los primeros tres pasos.

4. Calcular la relación de velocidades, i, igual a la velocidad del eje motriz N1, entre la velocidad del eje conducido N2.

5. Determinar el número de dientes de la rueda conducida Z2, que será igual al No. de dientes en la rueda motriz por la relación de velocidades.

6. Calcular el largo de la cadena L, (número de eslabones).

En donde: C= distancia deseada entre los centros de los ejes * P= Paso de la cadena ** se deben usar las mismas unidades en ambas, ya sean mm o pulgadas.

Este cálculo se debe redondear hacia arriba para tener un número par de eslabones.

7. Calcular la distancia real entre los centros de los ejes.

Si la distancia entre centros no queda en el intervalo 30P<C<50P, ésta debe modificarse o se debe consultar al fabricante.

EMBRAGUES Y FRENOS

INTRODUCCION

Quizá el lector se pregunte por qué se tratan estos dos componentes en el mismo capítulo. Si la función de un embrague es mantener o interrumpir la transmisión de movimiento entre dos ejes y la de un freno es disminuir la velocidad de máquinas en movimiento o mantener en reposo las que están detenidas ¿Cuál es la conveniencia de tratarlos en conjunto? A primera vista puede parecer que no hay mucha relación entre un freno y un embrague, pero podemos pensar que un freno es un embrague cuyo eje motriz está en reposo o gira a menor velocidad que el eje conducido. Es decir, desde el punto de vista mecánico, la única diferencia entre un freno y un embrague es que el primero disminuye la velocidad del eje conducido y el último la incrementa, al grado de que en la práctica hay muchos embragues y frenos que son idénticos en su construcción interna y funcionamiento, y que solo pueden distinguirse por la forma en que están colocadas en la máquina. Podemos entonces estudiar en conjunto los principios fundamentales, que son comunes a embragues y frenos, y luego tratar las sutilezas que los distinguen como casos particulares de aplicación.

FUNDAMENTOS

Siempre que tratemos con cambios de velocidad, habrá cambios en la energía cinética de las partes en movimiento. Consideremos una máquina

con momento de inercia de sus partes en movimiento, Jo, girando a una velocidad angular, . La energía cinética será igual a ½ (Jo 2); si la máquina de enfrena hasta quedar en reposo, el sistema de frenado tendrá que utilizar, absorber o disipar esta energía.

A la inversa, cuando la misma máquina se acelera desde un estado de reposo hasta una velocidad, , su energía cinética pasará de cero a ½ (Jo

2). Esta energía puede transmitirse del motor al cuerpo mediante un acoplamiento que mantiene unidos al eje del motor con el de la

máquina, en cuyo caso solo debemos preocuparnos por que el acoplamiento tenga la capacidad de transmitir el par requerido para lograr la aceleración deseada. La energía puede también transmitirse mediante un embrague, en que el eje motriz y el conducido giran a velocidades diferentes durante el periodo de aceleración. Debido a que en el embrague, el par transmitido, T, en el eje de entrada y en el de salida son

iguales, la potencia en el eje de entrada, T e, y en el eje de salida, T s, son diferentes, el embrague tendrá que absorber esta diferencia entre la energía que entra y la que sale. Se puede demostrar que si el eje de entrada gira a velocidad constante e igual a la velocidad final de la

máquina, la energía total que deberá absorber el embrague es igual a ½ (Jo 2), la misma que en el caso del freno.

Cuando los ejes de entrada y salida giran a la misma velocidad, decimos que el embrague o freno están en una condición estática. Si las velocidades de los ejes son diferentes, la condición será dinámica. Si un embrague o freno únicamente va a operar en condición estática, la función principal será transmitir un par, pero si opera también en condición dinámica, tiene, además, que absorber (y a la larga, disipar) la energía que se pierde al transmitir un par entre dos ejes que giran a velocidades diferentes, y por lo tanto se debe seleccionar teniendo en cuenta tanto la capacidad para transmitir un par como la capacidad de absorber y disipar esta energía.

TIPOS DE EMBRAGUES Y FRENOS

En la actualidad se fabrican embragues y frenos que utilizan diversos principios de funcionamiento y formas de control para mejor adaptarse a las funciones que deben desempeñar. Con el objeto de cubrir mejor las opciones disponibles, enfocaremos el análisis desde tres puntos de vista distintos: Primero, el principio de funcionamiento (fricción, corrientes parásitas, histéresis magnética, etc.), segundo, la forma de control (mecánica, neumática, hidráulica, etc.), y por último, su función (arranque suave, movimiento intermitente, control de tensión, etc.).

A.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

I.- FRICCION.

La fricción es un método ampliamente usado para las funciones de embragar o frenar. Algunas de las características de los sistemas a base de fricción son:

La fricción puede trabajar tanto en una condición estática, es decir, sin movimiento relativo entre las superficies en contacto, como en una condición dinámica en que sí hay movimiento relativo entre dichas superficies. Esto permite que el contacto inicial se dé en forma dinámica, y, una vez que el eje conducido haya alcanzado la velocidad del eje motriz, el contacto prosiga en forma estática. Por ejemplo, se puede arrancar un motor en vacío y luego acelerar la máquina mediante un embrague de fricción hasta sincronizar la velocidad de la máquina con la del motor. Durante la aceleración de la máquina habrá deslizamiento entre las partes internas del embrague, pero cuando la máquina alcance la velocidad de operación dejará de haber deslizamiento.

Un par transmitido mediante fricción se puede regular controlando la fuerza de contacto entre las superficies en deslizamiento. Esta regulación es útil en aplicaciones que requieren arranques suaves, control de tensión o protección contra cargas pico.

El coeficiente de fricción estático es más elevado que el dinámico, de modo que una vez que el freno o embrague alcanzan una condición estática se incrementa su capacidad de transmisión y pueden soportar cambios en la carga sin que haya deslizamiento.

Se pueden emplear materiales para diferentes condiciones de trabajo, por ejemplo, para trabajar en deslizamiento continuo o para operar inmersos en aceite.

El coeficiente de fricción puede ser afectado por la humedad o contaminación del medio ambiente. De manera que no siempre se puede controlar con precisión el par transmitido.

Las superficies en fricción sufren desgaste, haciendo necesarios ajustes, que pueden ser automáticos o manuales, y la vida útil de las superficies

en deslizamiento es limitada.

Las formas más comunes para las superficies de fricción son discos planos o tambores cilíndricos. Los discos permiten diferentes diseños para adaptarse mejor a diferentes condiciones de trabajo, desde embragues y frenos miniatura para máquinas de oficina e instrumentos de laboratorio hasta los de gran tamaño para prensas, mezcladores, molinos, etc. Algunas variantes son:

 

Discos metálicos que hacen contacto con discos con forros para fricción, Los discos exteriores tienen aletas de enfriamiento.

Cortesía de The Carlson Co.

Embrague neumático o hidráulico de discos múltiples.Algunos están fabricados con materiales que permiten que trabajen

inmersos en aceite. Cortesía de The Carlyle Jonhson Machine Co.

Disco con freno de una pinza en su periferia Cortesía de The Hilliard Corp.

Combinación freno-embrague Con doble brida C. En lo que se refiere a construcción interna y funcionamiento,

no hay diferencia entre el freno y el embrague. Cortesía de The Carlson Co.

Freno enfriado con agua. Cortesía de Airflex, una división de Eaton Corp.

Los tambores generalmente son metálicos y los forros pueden hacer contacto en la superficie cilíndrica exterior o interior del tambor. Aunque no llegan a ser tan pequeños como los discos, los tambores también tienen adaptabilidad y son ampliamente usados en vehículos automotrices, malacates, prensas, molinos y otras máquinas pesadas. A continuación unos ejemplos:

Elementos para freno o embrague de tambor. El contacto en el elemento de la izquierda es en la

superficie interior del tambor, en el de la derecha, el contacto es en la superficie exterior.Cortesía de Arflex, División de Eaton Corp.

Elemento para freno de tambor activado por resorte y desactivado neumáticamente Cortesía de Airflex División de Eaton Corp.

Conjunto freno-embrague. Cortesía de Airflex, División de Eaton Corp.

II.- ACEITE EN CORTE

La construcción de los sistemas de aceite en corte es de discos múltiples, similar a los de fricción. La diferencia radica en que durante la aceleración el par se transmite mediante la capa de aceite que queda entre los discos, y las superficies entran en contacto cuando la diferencia en sus velocidades es pequeña. Este sistema ofrece las ventajas de que hay poco desgaste por rozamiento y que la circulación de aceite permite mayor disipación de calor. Sus características hacen a este sistema atractivo para máquinas con alta frecuencia de paros y arranques o con deslizamiento continuo. Por necesidad, estas unidades son totalmente selladas, permitiendo su uso en lugares contaminados.

Embrague a base de aceite en corte.Cortesía de Force Control Industries, Inc.

 III.- ENGRANAJE MECANICO

Existe una variedad muy amplia de frenos y embragues a base de engranaje mecánico, mencionaremos algunos de las más comunes.

DENTADOS

Los componentes a engranar pueden tener dientes en las paredes laterales o en las cilíndricas. Por su construcción estos embragues no permiten deslizamiento y tienen un número limitado de posiciones en que pueden embragar, estas características son útiles en máquinas que requieren sincronización. Hay embragues muy sencillos con un número reducido de dientes laterales y accionamiento manual por ejemplo:

Los embragues de dientes cuadrados, que pueden transmitir en ambos sentidos. El embragado debe hacerse con ambos ejes detenidos. Los embragues con dientes en forma de leva, solo se pueden transmitir en un sentido, pero se puede embragar con las partes moviéndose a velocidad moderada.

Hay también embragues dentados con diseños más sofisticados que solo pueden embragar en una posición, garantizando que ambos ejes están en fase. Para poder embragar es necesario que los ejes estén en una condición estática o con una diferencia muy pequeña en las velocidades de los ejes.

Algunos embragues con dientes cilíndricos usan sincronizadores para permitir el embragado en movimiento, como en las transmisiones automotrices.

DE TRACCION O EFECTO DE CUÑA

En esta categoría incluimos embragues y frenos que dependen de un contacto directo entre elementos de metal para transmitir un par. Su uso más común es como embragues de giro libre o frenos de un sentido. Pueden tener elementos en forma alargada, llamados sprags, o rodillos clocados en levas con forma de cuña. Cuando el movimiento relativo entre ambos ejes es en un sentido, los elementos de alinean de forma tal que no hay transmisión, al invertirse el sentido de giro, los elementos hacen contacto simultáneamente con el anillo interior y el exterior, creando un amarre positivo entre los dos ejes. En cuanto se inicia el giro en el sentido de transmisión, el embragado total se da en forma casi instantánea.

El lado izquierdo de cada dibujo muestra un embrague de elementos alargados (sprags) y el derecho uno a base de rodillos. Cuando el anillo interior está detenido, el exterior puede girar libremente en el sentido de las manecillas del reloj y no podrá girar en el sentido opuesto. Si al anillo interior se le permite girar, cuando el exterior gira en el sentido opuesto a las manecillas del reloj, hará girar, en el mismo sentido, al anillo interior.

Si el anillo que está detenido es el exterior, el anillo interior podrá girar libremente en el sentido opuesto a las manecillas del reloj, y quedará frenado en el opuesto. Si el anillo exterior puede girar, el anillo interior lo puede hacer girar en el sentido de las manecillas del reloj.

RESORTE HELICOIDAL

Están formados por dos ejes envueltos por un resorte helicoidal. Hay básicamente dos variantes, en la primera habrá transmisión si el sentido de giro que aprieta el resorte, no así en el sentido inverso. En la segunda, se hace girar un extremo del resorte de manera que libere los ejes, al permitir que el resorte vuelva a apretar, continua la transmisión en forma casi instantánea. Este mecanismo se presta para formar conjuntos de freno y embrague en un espacio limitado. Entre los usos más comunes están los embragues de giro libre o para movimiento indexado.

BOLAS O RODILLOS EN MUESCAS

Estos embragues se utilizan como equipo de protección contra cargas elevadas. La transmisión se da entre dos platos con muescas, separados por bolas o rodillos que se alojan en las muescas. Los platos se mantienen unidos mediante resortes o aire a presión. Cuando el par rebasa la calibración del embrague, las bolas o rodillos vencen la fuerza de los resortes o del aire y salen de sus muescas, cortando la transmisión entre los ejes. Para embragar es necesario realinear las bolas o rodillos con las muescas. Este mecanismo solo permite que se embrague en condición estática o a velocidad muy baja.

Limitador de par a base de bolas en muescas.Cortesía de American Autogard Corp.

TRINQUETE

Existe una variedad muy grande en frenos y embragues a base de trinquete. Se usan para mantener una maquina detenida, para permitir o transmitir movimiento en un solo sentido, para controlar un movimiento indexado o como protección contra cargas elevadas.

IV.- CORRIENTES PARASITAS

Las corrientes parásitas que se producen cuando una superficie de material conductor de electricidad se desplaza dentro de un campo magnético crea, a su vez, campos magnéticos que pueden emplearse para frenar, acelerar o mantener en movimiento una carga. Este sistema permite que la transmisión se dé sin que haya contacto directo entre los componentes del lado motriz y los del lado conducido por lo que el desgaste es mínimo.

El par generado varía en forma directa con la intensidad del campo magnético y con la diferencia de velocidades entre el campo magnético y la superficie conductora. Esto significa que la variable más fácil de controlar es el par y no la velocidad. Esta característica los hace útiles en aplicaciones que requieren un par controlado, como control de tensión en enrolladores y desenrolladores. La velocidad se puede controlar con sistemas de retroalimentación. Debido a que las corrientes parásitas solo se generan si hay movimiento relativo entre el campo magnético y la superficie metálica, este sistema no puede emplearse para mantener un par en condición estática. El campo magnético se puede generar mediante imanes permanentes o electroimanes. En el primer caso, la intensidad del campo se controla en base a la alineación de los polos de dos imanes, y en el segundo, en base a la corriente que se suministra al electroimán. Aunque no hay rozamiento entre los componentes, es necesario eliminar el calor que se genera por la diferencia entre las velocidades de entrada y de salida.

Los frenos y embragues de imán permanente se emplean para pares del orden décimos de Nm, los equipos más grandes, a base de inducción, pueden transmitir cientos de HP a 1,700 RPM y, en algunos casos usan ventiladores o líquidos refrigerantes para eliminar el calor generado.

Esquema de un embrague de corrientes parásitas integrado a un motor de corriente alterna.Cortesía de Drive Sourse International Inc.

Curvas características de operación para un embrague a base de corrientes parásitas controlado mediante la corriente en la bobina del embrague.

V.- HISTERESIS MAGNETICA

La histéresis magnética se basa en las propiedades magnéticas del elemento impulsado. El par depende de la intensidad del flujo magnético y es independiente a la velocidad. La histéresis magnética permite mantener un par en condición estática. Los campos magnéticos pueden controlarse con electroimanes o mediante la alineación de los polos de imanes permanentes. Como en el caso de las corrientes parásitas, no es necesario un contacto directo entre los componentes de entrada y los de salida por lo que el desgaste es mínimo. Estos equipos tienden a ser relativamente pequeños, con capacidades desde centésimas hasta decenas de Nm. Sus usos más comunes son control de tensión en enrolladores y desenrolladores, enroscado de tapas para botellas y frascos, dinamómetros para pruebas de motores y protección contra cargas elevadas.

Embrague a base de histéresis magnética, con imanes permanentes. Cortesía de Rimtec Corporation.

VI.- PARTICULAS MAGNETICAS

En este sistema se coloca un polvo de fiero entre el elemento motriz y el conducido, la presencia de un flujo magnético hace que las partículas se alinean formando cadenas que unen la superficie del lado motriz con la del lado conducido. El par depende de la intensidad del flujo magnético y es independiente de la velocidad. De igual forma que en los casos anteriores, el flujo magnético puede provenir de imanes permanentes o de electroimanes. En los modelos que usan electroimanes, el par se puede controlar mediante el voltaje.

Estos embragues y frenos son ampliamente usados en sistemas de control de tensión para enrolladores y desenrolladores. Algunos de estos

equipos son también enfriados por agua o aire.

Corte y diagrama de un embrague de partículas magnéticas. Cortesía de Magneta GmbH & Co KG.

VII.- INDUCCION

Hay sistemas que usan la inducción del motor para frenarlo. Algunos inversores de frecuencia cuentan con sistemas de frenado regenerativos, que hacen que el motor funcione como generador, devolviendo la energía a las líneas de alimentación. Otro sistema consiste en conectar el motor de manera que en lugar de tomar energía de las líneas de alimentación, el motor genera energía que es disipada mediante resistencias eléctricas. Algunos vehículos con motores híbridos, acumulan en forma eléctrica la energía de los frenos para reutilizarla, posteriormente, en el motor eléctrico. Otro sistema suministra corriente directa a un motor de corriente alterna, haciendo que su velocidad síncrona sea cero y que, por lo tanto, se detenga.

B.- CONTROL

El diseñador tiene a su disposición diferentes formas de hacer que funcionen los frenos y embragues. La selección final del sistema de control debe tomar en cuenta factores como la función a desempeñar, el tipo de freno o embrague, la precisión con que se desee controlar el par, el grado de automatización de la operación, el espacio y las instalaciones disponibles, los costos, etc.

I.- MECANICO

MANUAL

Los frenos y embragues de fricción y los dentados se pueden activar o desactivar mediante palancas o pedales. Es conveniente contar con un mecanismo que asegure que, una vez activado, el contacto permanezca firme hasta que se desactive intencionalmente. El control manual es sencillo y barato, y aprovecha la sensibilidad del operador para realizar arranques y paros suaves. Está limitado en cuanto a frecuencia de paros y arranques por la fuerza, agilidad y la capacidad de concentración del operador.

MEDIANTE RESORTES

Es común el uso de resortes para mantener la presión en las superficies de fricción o en algunos embragues a base de bolas en muescas, trinquetes y acción de cuña. Los resortes pueden trabajar solos, en frenos y embragues que no requieren ser desactivados; o en conjunto con sistemas manuales, neumáticos o eléctricos.

SENTIDO DE GIRO

La activación de la mayoría de los embragues y frenos de un solo sentido se da automáticamente al cambiar el sentido de giro relativo entre el eje de motriz y el conducido. Al seleccionarlos es importante tener en cuenta que la activación de estos mecanismos es casi instantánea, por lo que se pueden provocar aceleraciones sumamente elevadas.

FUERZA CENTRIFUGA

Los embragues a base de fuerza centrífuga permiten que un motor trabaje en vacío a velocidades bajas. En estos embragues, las superficies de fricción se mantienen separadas mediante resortes, embragan automáticamente cuando alcanzan la velocidad de giro que hace que la fuerza centrífuga sea mayor a la de los resortes, permitiendo que las superficies entren en contacto. A mayor velocidad, mayor será la fuerza de

contacto entre las superficies y por lo tanto, será mayor el par que se pueda transmitir. Estos embragues permiten arranques suaves tanto en motores de combustión como en motores eléctricos. También sirven como protección ante cargas elevadas y como aislantes de vibraciones entre en motor y la máquina

Embragues centrífugo.

Cortesía de The Hilliard Corp.

EMBRAGUES Y FRENOS IV 

II.- ELECTRICO.

El control eléctrico es sencillo y barato, permite alta frecuencia de arranque y paro, se adapta fácilmente tanto a control manual como automático y puede trabajar efectivamente a distancias relativamente largas. En el sistema más sencillo, el embrague o freno tiene un electroimán que se energiza para atraer una armadura que hace contacto con una superficie de fricción para transmitir el par. Este sistema requiere de una corriente eléctrica para mantener el campo magnético, que implica uso de energía, reducción en la eficiencia del sistema e incremento en la temperatura de operación.

En una bobina es imposible formar o eliminar un campo magnético instantáneamente por lo que en los embragues y frenos electromagnéticos el par se genera y desaparece en un intervalo de tiempo finito. En el caso más sencillo, el control eléctrico simplemente rectifica la corriente alterna convirtiéndola en corriente directa para energizar el electroimán. Los fabricantes ofrecen otras versiones más sofisticadas que permiten arranques y paros suaves mediante aplicación paulatina del par, arranques y paros a par casi constante mediante aplicación rápida del par, ajuste del par mediante control del voltaje de alimentación al freno o embrague, y eliminación del traslape entre los campos magnéticos del freno y del embrague.

En otros sistemas se emplean resortes o imanes permanentes para activar un freno o embrague y energía eléctrica para desactivarlo. La ventaja que ofrecen estos sistemas es que no requieren de suministro de energía para mantener activado el dispositivo, haciéndolos muy útiles como frenos de seguridad, o cuando se requiere mantener frenada una máquina por un tiempo prolongado.

III.- NEUMATICO

El uso de aire comprimido permite controlar la presión y con ella el par en frenos y embragues de fricción y otros tipos. Tanto el freno o embrague como la instalación necesaria para hacer llegar el aire comprimido hasta ellos pueden ser costosos, sin embargo las ventajas que ofrece este sistema pueden justificar la inversión adicional. Los embragues y frenos neumáticos pueden alcanzar mayor capacidad que los eléctricos. La facilidad con la que se controla el par permite arranques y paros suaves, prolongando la vida de los componentes de la máquina y la transmisión.

A diferencia de los sistemas electromagnéticos, el aire comprimido no requiere de energía para mantener el contacto entre las superficies de transmisión y, en aplicaciones de alta frecuencia de paro y arranque, el aire que fluye enfría las partes con las que hace contacto.

Hay diferentes formas de aprovechar el aire a presión para activar frenos y embragues, las más usadas son: cilindros para piezas relativamente pequeñas y membranas o cámaras para las más grandes. Son también comunes los frenos activados por resorte y desactivados mediante aire a presión.

IV.- HIDRAULICO

El control hidráulico requiere de una unidad de potencia y, por ello, resulta conveniente en máquinas que cuentan con su unidad de potencia para otros usos, como el accionamiento de cilindros o motores hidráulicos. Existen también frenos con actuadores electrohidráulicos, que tienen integrado un motor eléctrico, una bomba hidráulica y un cilindro hidráulico para activarlo o desactivarlo.

V.- ELECTRONICO

Los sistemas electrónicos usan la inducción del motor para frenar la máquina, ya sea empleando corriente directa para que la velocidad síncrona sea cero, reconectando el motor para que actúe como generador en contra de una resistencia eléctrica o devolviendo una fuerza electromotriz al sistema de alimentación eléctrica de la planta.

C.- FUNCION.

I.- ARRANQUE O PARO ESPORADICO

Cuando un embrague o freno actúan esporádicamente (menos de 5 veces por hora), el freno o embrague tendrán que tener capacidad suficiente para transmitir el par requerido y también para absorber el calor generado durante el paro o arranque. El par requerido será la suma del par necesario para acelerar la inercia, más el par de trabajo, si es que lo hay.

El par necesario para acelerar un cuerpo es:

y

donde:

es el par [Nm] o (lb-in)

es el momento de inercia de las partes en aceleración, reflejado al eje del embrague o freno [kg-m2] o (lb-s2-in)

es la aceleración angular [s-2]

es la velocidad angular [s-1]

N es la velocidad de giro [rpm]t es el tiempo de aceleración [s]

 

Si durante el periodo de paro o arranque hay una carga adicional, el par correspondiente debe agregarse o restarse, según contribuya o se oponga a la aceleración de la inercia, al par de aceleración.

Cuando el par estático de trabajo es mayor que el par de arranque, es común seleccionar embragues de manera que tengan suficiente capacidad para transmitir el par máximo del motor, independientemente del par requerido para acelerar la inercia y soportar la carga de trabajo. Es decir, el embrague se selecciona de manera que, una vez alcanzada la condición estática en el embrague, el motor se detendría ante una carga elevada antes de que el embrague pudiera deslizarse. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que si el par dinámico del embrague es demasiado elevado, la aceleración puede ser abrupta con consecuencias adversas para la máquina, la transmisión o el motor.

El embrague o freno tendrá que absorber la energía cinética que se transforma en calor durante la aceleración:

 E es la energía que se deberá absorber. [joule] o (lb-in)Subíndice f indica condición finalSubíndice i indica condición inicial

Es importante tomar en cuenta el momento de inercia de todas las partes que están sujetas a aceleración, incluidas las del mismo freno o embrague. En el caso de los embragues, por lo general no se toma en cuenta el momento de inercia de las partes giratorias del motor ya que este trabaja a velocidad constante y no está sujeto a aceleración al embragar. Hay frenos, sin embargo, que están acoplados o montados directamente al motor, por lo que en los cálculos se debe incluir el momento de inercia de las partes giratorias del motor.

Debido a que en una transmisión el par es menor en los ejes de mayor velocidad, serán más pequeños y económicos los frenos o embragues si se colocan en ejes de alta velocidad. Sin embargo, por condiciones de seguridad, operación o espacio, puede ser necesario colocarlos en un eje que gire a menor velocidad. En un malacate, por ejemplo, el criterio de seguridad hace preferible colocar el freno en el eje del tambor, y no en el del motor.

Cuando se requiere precisión en la posición en que una máquina para o en el tiempo que le toma alcanzar su velocidad máxima, es necesario tomar en cuenta el tiempo de reacción del freno.

Los fabricantes publican información respecto al tiempo que tarda un freno o embrague desde que se le da la señal de activación, hasta alcanzar el par máximo. También es importante tomar en cuenta el tiempo que requieren los elementos electrónicos para procesar información y para generar señales de paro y arranque.

II.- OPERACION FRECUENTE

Si la frecuencia de paro y arranque es superior a 7 veces por hora, además de las consideraciones anteriores, es necesario verificar que el freno o embrague podrán eliminar el calor generado. Generalmente, la velocidad a la que gira el embrague o freno influye en su capacidad para eliminar calor, por esta razón es necesario tomar en cuenta el perfil de velocidad del ciclo de trabajo. Algunos fabricantes publican la información de la máxima disipación de calor para temperatura ambiente determinada y diferentes velocidades de un freno o embrague, otros fabricantes prefieren revisar la información sobre las condiciones de trabajo para hacer una recomendación respecto al tamaño del freno o embrague que debe usarse para las condiciones específicas de trabajo.

Es común el empleo de conjuntos de freno y embrague en máquinas que trabajan en ciclos de paro y arranque. Para estos casos es importante tomar en cuenta el calor que se genera tanto en el paro como en el arranque, y, si se trata de equipos electromagnéticos, también el que se introduce por el paso de la corriente eléctrica en los conductores de los electroimanes. Los fabricantes generalmente presentan la información referente a la frecuencia máxima de operación en forma de gráficas que toman en cuenta la velocidad de operación, el momento de inercia sujeto a aceleración y la corriente eléctrica.

Debido a que las bobinas no permiten que un campo magnético se genere o desaparezca instantáneamente, si se usa un control sencillo para operar un conjunto de freno y embrague electromagnético, el campo magnético del freno no habrá desaparecido totalmente antes de se empiece a formar el campo magnético del embrague. Este traslape de campos magnéticos muchas veces implica que habrá un tiempo durante el que estarán en contacto simultáneamente las superficies de fricción tanto del freno como del embrague, teniendo como consecuencia más desgaste en las superficies de fricción, mayor generación de calor y más tiempo para lograr el paro total y para alcanzar la velocidad máxima. Mediante el uso de controles diseñados específicamente para aliviar este problema se pueden lograr frecuencias más elevadas e incrementar la vida útil de las superficies de fricción.

EMBRAGUES Y FRENOS V

III.- CONTROL DE TENSION

La aplicación más frecuente es en enrollado y desenrollado de lámina, hoja, película, cable, hilo, etc. Se pueden usar sistemas a base de histéresis o partículas magnéticas, corrientes parásitas o fricción.

El par necesario para mantener una tensión en una película u hoja que se está enrollando o desenrollando en una bobina será:

En donde:

T es el par [Nm]

F es la tensión [N]

r es la distancia del eje de giro al punto de aplicación tangencial de la tensión [m]

La distancia, r, irá variando a medida que la bobina se forma o se deshace. De modo que, para mantener una tensión constante, el freno o embrague tendrán que trabajar desde un par mínimo igual a Fri hasta un máximo Frf. Donde ri es el radio menor que puede tener la boina y rf es el radio máximo de ésta. Por lo tanto, el freno o embrague y su control deberán tener capacidad para trabajar en dicho intervalo de operación.

Al mismo tiempo, el calor se genera a razón de:

Donde P se mide en Watts; y

Donde v es la velocidad lineal del material que se enrolla o desenrolla

Sustituyendo:

Es decir, si la tensión y la velocidad son constantes, el calor se genera a una razón constante, y es independiente del diámetro de la bobina. Lo que significa que el segundo criterio para la selección del sistema es que tenga capacidad para disipar el calor tan rápido como este se genera. En muchos frenos y embragues la disipación de calor es mayor entre más rápido giren, por lo que la selección debe tener en cuenta la condición más adversa, que es cuando la bobina tiene mayor diámetro y gira a la menor velocidad. Algunos sistemas de control de tensión incluyen frenos o embragues enfriados con ventilador o mediante circulación de agua.

Hay diferentes formas de controlar la tensión, desde frenos y embragues sin ajuste, pasando por frenos y embragues con ajuste manual, hasta sofisticados sistemas de control automático. Desde luego, el grado de sofisticación dependerá de la precisión con la que se requiera controlar la tensión y de las condiciones externas que puedan influir en dicho control.

Algunos ejemplos:

Sistemas sin ajuste

Embrague con ajuste manual, Cortesía de Rimtec Corporation

Medicion del diámetro de la bobina

Rodillo danzarin

Celdas de carga

IV.- CONTROL DE PAR

Hay otras aplicaciones en que se requiere control de par sin que haya deslizamiento continuo, en máquinas para colocar tapones roscados en botellas, o en robots, por ejemplo. Es estos casos también se pueden usar frenos o embragues a base de corrientes parásitas, campos magnéticos, histéresis magnética, partículas magnéticas o fricción. De igual manera que en los sistemas de control de tensión, las consideraciones principales son el par máximo que se quiere transmitir, la capacidad para disipar calor y la precisión en el control del par. En algunos casos, como en robótica, el espacio disponible es limitado de manera que se deben seleccionar componentes que provean la capacidad requerida en una envoltura pequeña.

V.- PRENSAS

El par requerido en el cigüeñal de una prensa mecánica es:

donde:

Ts es el par requerido en el cigüeñal [Nm] (o lb-in)

k= 9.81 x 1000 en el sistema métrico (2000 en el sistema inglés)

F es la capacidad de la prensa [toneladas métricas] (o toneladas cortas)

e es la excentricidad del cigüeñal [m] (o in)

d es la distancia entre centros de la biela [m] (o in)

b es la distancia entre el punto de contacto y el fondo de la carrera de la biela [m] (o in)

El par requerido en el embrague, Te, será

donde i es la relación de velocidades entre el embrague y el cigüeñal

El par requerido en el freno se determina en base al momento de inercia de las partes, incluyendo las que tienen movimiento lineal, que tendrán que detenerse reflejado al eje del freno*, Jr; a la velocidad de este eje, N; y al ángulo que deberá girar el eje desde que se aplica el freno hasta

detenerse, [radianes]:

y N están medidas en el eje del freno, pero es posible que uno, o ambos datos de referencia con que se cuente sean los del eje del cigüeñal. Desde luego que para trasladar estos datos al eje del freno solamente hay que multiplicar cada uno por i antes de introducirlo en la ecuación anterior

Cada vez que se activa el freno o el embrague se genera calor, E [joule] (o lb-in):

Nótese que en el caso del embrague, el calor no se relaciona con el par de trabajo, que es estático, sino con la energía requerida para acelerar las partes que están en reposo. La capacidad de los frenos y embragues para disipar calor está ligada a su tamaño, a la velocidad de giro y a la temperatura ambiente. En una operación de paro y arranque hay partes que giran continuamente, por lo general a velocidad constante, y otras con movimiento intermitente. El diseñador debe, por lo tanto, asegurarse de que cuenta con la información referente a la disipación de calor correspondiente a las condiciones reales en las que han de trabajar los componentes que desea seleccionar. El calor generado en cada ciclo es acumulativo y el sistema deberá tener capacidad para disiparlo conforme a la frecuencia, f [ciclos por minuto], con que un conjunto de freno y embrague vaya a trabajar. El calor generado, P [W], por cada componente es:

Es importante tomar en cuenta que si el conjunto de freno y embrague están en una sola carcasa, está deberá disipar el calor que se genera en ambos componentes, 2P. En el caso de componentes electromagnéticos, también debe tomarse en cuenta el calor que genera la corriente eléctrica en los electroimanes.

* Al estimar el momento de inercia reflejado, se deben tomar en cuenta las partes que no tienen movimiento circular, como la biela y la cortina. La biela no tiene un movimiento lineal y la cortina no se desplaza con una relación constante entre su velocidad lineal y la velocidad angular del

cigüeñal. Un cálculo exacto requiere de análisis que van más allá del alcance de este artículo. Una aproximación conservadora considera toda la masa de estas partes colocada a un radio de giro igual a la excentricidad del cigüeñal. Esta estimación resultará en un freno de mayor capacidad a la requerida.

EMBRAGUES Y FRENOS VI 

VI.- PROTECCION

Para seleccionar un embrague de protección, el diseñador debe establecer qué partes de la máquina desea proteger y contra qué condiciones. Quizá se tiene un motor grande, ya sea porque se requiere un alto par de arranque o porque se usa para diferentes partes del proceso, y se desea proteger la transmisión contra condiciones que exijan la capacidad total del motor; quizá haya condiciones anómalas en el proceso que provoquen una carga elevada y deseamos detener el proceso si esto sucede, podemos pensar en un cambio de consistencia del producto en un mezclador, o en una condición de exceso de carga en un transportador a granel; o quizá se trata de proteger la máquina contra paros repentinos por atascamiento. En todo caso se debe determinar cuál es el par máximo que se desea transmitir, digamos 100 Nm y cuál es el par de protección, digamos 150 Nm. La calibración del embrague deberá quedar entre estos dos niveles, normalmente lo calibraríamos suficientemente arriba del par de transmisión para evitar paros no deseados, y suficientemente abajo del par de protección, para evitar daño al equipo, entre 110 y 120 Nm en este caso.

Hay diferentes sistemas que pueden emplearse para esta tarea.

Un sistema muy usado es el perno de corte, en que un perno calibrado transmite la fuerza del par, a una distancia, r, del centro de giro. Cuando el par, y por tanto, la fuerza rebasa la calibración del perno, éste se rompe cortando la transmisión. Este sistema es barato, pero tiene algunas deficiencias: es necesario contar con pernos calibrados en almacén para reponer los que se rompen, toma tiempo conseguir los pernos de repuesto y volverlos a colocar, y los pernos pueden fallar por fatiga sin que haya una carga superior al par de calibración. Las consecuencias comunes de que los pernos se rompan por fatiga son el tiempo perdido en reponerlos, y, más grave, que los operadores tienden a pensar que la calibración es demasiado baja y usan pernos más robustos, eliminando la protección en el sistema.

Los embragues a base de fricción pueden limitar el par máximo a transmitir y mantener un par con el eje de entrada en movimiento y el de salida detenido. Esto puede resultar ventajoso si la condición que provoca el par adicional es temporal, en cuanto la condición desaparece la máquina puede continuar operando en forma normal. En un transportador, por ejemplo, si las piezas se atoran temporalmente, el transportador puede detenerse sin que se detenga en motor, si las piezas se desatoran, ya sea por sí mismas o manualmente, el transportador continuará su operación. En estos casos hay que cuidar que el calor generado durante los periodos de deslizamiento no exceda la capacidad del embrague. Hay en el mercado embragues limitadores de par a base de fricción con diferentes grados de sofisticación. Los más sencillos y baratos usan forros normales de fricción para detener un disco metálico y se calibran mediante resortes. Sus principales deficiencias son: que la calibración se ve afectada por condiciones ambientales como temperatura, humedad y contaminación, y por el desgaste. Embragues con materiales y construcción más sofisticados compensan algunas de estas deficiencias.

Los embragues a base de histéresis magnética, también limitan el par máximo de transmisión y pueden mantener un par en condición estática. Al no tener contacto directo entre los ejes de entrada y salida, estos embragues no sufren desgaste y su calibración es más precisa y permanente. Esta tecnología está limitada a tamaños relativamente pequeños.

Los embragues a base de partículas magnéticas tienen características parecidas a los de histéresis magnética, alcanzando tamaños algo mayores que estos. El polvo de hierro es abrasivo, permitiendo desgaste en algunas de sus partes.

Los acoplamientos hidráulicos tienen también la capacidad de proteger contra cargas elevadas. Su desventaja en esta función es que la protección final se logra al fundirse un tapón que permite que el aceite se salga del cople. La reposición del aceite y el tapón es costosa y complicada. Sin embargo, los acoplamientos hidráulicos tienen características que los hacen deseables en diferentes funciones. Por esta razón, el uso de acoplamientos hidráulicos como medio de protección es recomendable cuando se pueden aprovechar otras de sus funciones, de lo contrario es preferible usar alguno de los embragues aquí descritos. En otro capitulo analizaremos en más detalle las ventajas que ofrecen estos acoplamientos.

Existe una variedad muy grande de embragues a base de trinquete. La mayoría de ellos cortan totalmente la transmisión de par al desembragar. Esta condición es conveniente cuando es necesario detener la máquina una vez que se ha dado la condición anómala. La gran variedad de diseños hace difícil generalizar respecto a sus cualidades. Algunos son complejos, con muchas partes mecánicas sujetas as desgaste, pero otros son más sencillos y confiables.

Hay también varios diseños de embragues a base de bolas o rodillos en muescas. Estos embragues también cortan totalmente la transmisión de par al desembragar, aunque en muchos diseños es necesario detener el motor para evitar que las bolas golpeen en los bordes de las muescas cada vez que vuelven a pasar por el mismo lugar. Se adaptan fácilmente a diferentes condiciones de trabajo. La calibración es bastante confiable y le afectan poco las condiciones ambientales. Debido a que funcionan a base de rodaje, sufren poco desgaste, dándoles una larga vida útil. En la mayoría de los casos, el embragado se da automáticamente al realinear los ejes, en otros, se requiere alguna operación sencilla para que puedan volver a transmitir.

Hay también sistemas electrónicos de protección. Las mayoría de ellos cortan el suministro de energía al motor en cuanto detectan un par elevado en la transmisión. Estos sistemas pueden ser baratos comparados con algunos embragues mecánicos, especialmente en los tamaños mayores, y funcionan muy bien cuando el par se eleva paulatinamente. Su limitación principal es que no responden instantáneamente ante un incremento repentino en la carga, de manera que no representan una protección efectiva ente atascamientos abruptos en máquinas que trabajan a velocidades relativamente altas.

ELEMENTOS DE ACOPLAMIENTO IINTRODUCCION

Al diseñar una transmisión es tentador pensar que la forma de unir los ejes es una cuestión secundaria que puede atenderse al final, cuando todo lo demás esté definido. Si bien es cierto que en muchas ocasiones se puede hacer así, el peligro que se corre al dejarse llevar por esta tentación es que una vez que todo lo demás está definido, posiblemente no quede el espacio necesario para incorporar un acoplamiento que cumpla con los requerimientos del trabajo, o quizá el acoplamiento adecuado tenga impacto en el comportamiento de la transmisión o la máquina, haciendo necesario volver a estudiar todo el sistema. En otras palabras, los elementos de acoplamiento son una parte integral de cualquier transmisión y deben considerarse dentro del diseño del sistema y no como un agregado de último momento. Para condiciones de trabajo favorables se pueden seleccionar acoplamientos sencillos y baratos, pero en la medida en que aumentan las exigencias sobre la transmisión se hace necesario recurrir a acoplamientos más sofisticados. Consideremos, por citar algunos ejemplos, que el constante incremento en la productividad de la maquinaria moderna y la incorporación de servomotores con mayores aceleraciones y precisión hacen necesarios acoplamientos que tengan, al mismo tiempo, mayor capacidad, mayor rigidez a la torsión y menor momento de inercia; que las transmisiones expuestas a ambientes hostiles requieren de acoplamientos hechos de materiales especiales; o, que las características de amortiguación del acoplamiento influyen en el comportamiento vibratorio del motor, la transmisión y la máquina.

FUNDAMENTOS

En este capítulo estudiaremos una variedad de componentes que sirven para unir dos ejes colineales, en ángulo o paralelos.

En la mayoría de los acoplamientos que consideraremos, el lado conducido opera a la misma velocidad y transmite el mismo par que el lado motriz, sin embargo, esta condición no siempre se cumple, como en el caso de los acoplamientos hidráulicos o de los ejes cardánicos.

Para hacer una selección adecuada de un acoplamiento es necesario tomar en cuenta:

LAS CARACTERISTICAS DEL MOTOR:

Los motores eléctricos, hidráulicos, neumáticos y turbinas tienen movimiento suave. Los motores reciprocantes, en cambio, tienen un movimiento jaloneado. En consecuencia, los factores de servicio para selección de acoplamientos generalmente son mayores para los motores reciprocantes. Además, las vibraciones torsionales que generan los motores reciprocantes pueden ser dañinas para la transmisión o para la máquina, haciendo necesarios acoplamientos que permitan aislar las vibraciones. Los servomotores y motores a pasos comúnmente tienen ciclos de trabajo definidos, con periodos en aceleración, periodos a velocidad constante, periodos de frenado y periodos en reposo, por lo que una buena selección estará basada en la condición más adversa esperada para el acoplamiento, probablemente durante la aceleración o el frenado.

Son también importantes las dimensiones del motor, en especial los diámetros y largos de los ejes. También se debe tomar en cuenta si el acoplamiento tendrá que transmitir o disipar calor generado en el motor.

LAS CARACTERISTICAS DE LA MAQUINA:

Al igual que en el caso de los motores, entre más suave sea el movimiento de la máquina, menor será el factor de servicio requerido. La falta de suavidad puede deberse al movimiento característico de la máquina, como el movimiento reciprocante; a cambios en la carga; a golpes, ya sean por diseño o no deseados; etc. Algunas máquinas generan vibraciones que deben ser aisladas por el acoplamiento para evitar daños tanto a la máquina misma como al motor o a la transmisión. También hay máquinas que someten a los acoplamientos a condiciones especiales de operación, como cambios en la alineación o en la distancia entre el motor y la maquina.

EL REGIMEN DE TRABAJO:

Se deben usar factores de servicio mayores para máquinas que trabajan más tiempo por día y para las que tienen mayor número de arranques por hora, especialmente con motores de alto par de arranque.

ALINEACION:

Una alineación perfecta significa que los dos ejes a acoplar quedan sobre una misma línea recta y mantienen una separación constante. La desalineación, o desvió de la condición anterior, puede darse en las siguientes formas:

a. Desalineación paralela b. Desalineación angular c. Desalineación axial (los ejes se desplazan lateralmente sobre la misma línea)

El impacto que cada una de estas formas de desalineación tiene en el comportamiento dinámico y en la vida útil es particular para cada tipo de acoplamiento. Al mismo tiempo, dependiendo del tipo, un acoplamiento entre ejes desalineados puede imponer cargas en los soportes. Por ejemplo, si se utiliza un acoplamiento rígido, cualquier desalineación impondrá cargas elevadas en las chumaceras de soporte, disminuyendo la vida útil de los cojinetes o rodamientos.

FIDELIDAD DE TRANSMISION:

Habrá fidelidad en la transmisión en la medida en que el eje conducido mantenga la misma posición respecto al eje motriz. La precisión requerida en instrumentos de medición, como codificadores y tacómetros, o en mecanismos de posicionamiento, hacen necesario el uso de transmisiones con mayor fidelidad. La fidelidad está normalmente relacionada a la rigidez torsional del acoplamiento. Cuando se transmite un par constante, entre más rigidez tenga el acoplamiento, habrá mayor fidelidad en la transmisión. Sin embargo debe tomarse en cuenta que las frecuencias e impulsos eléctricos generados por inversores de frecuencia y controles de servomotores y motores a pasos también generan vibraciones mecánicas torsionales, de manera que la fidelidad de la transmisión también depende de la respuesta especifica del acoplamiento a las frecuencias particulares de la máquina. En conclusión, si se tiene un par constante, es preferible seleccionar un acoplamiento rígido, pero en presencia de vibraciones o impulsos, es necesario seleccionar un acoplamiento que ofrezca la mayor fidelidad para la combinación de control,

motor, máquina y condiciones de trabajo que se tenga.

MEDIO AMBIENTE

Las condiciones ambientales, como humedad, contaminación, temperatura, presencia de aceites o compuestos químicos, etc., afectan en forma distinta el desempeño y duración de los diferentes tipos de acoplamientos.

SEGURIDAD Y CONFIABILIDAD

Es importante que los acoplamientos que están en posiciones críticas de una máquina cumplan con los requerimientos de seguridad de ese trabajo en particular. Para ambientes explosivos, por ejemplo, no deben emplearse acoplamientos en los que un contacto accidental entre partes metálicas podría ocasionar una chispa. En estos casos normalmente se emplean acoplamientos en que la transmisión queda desacoplada cuando falla el acoplamiento, pero esto sería catastrófico en otras máquinas.

Si el costo de tener parada una máquina es muy elevado, es importante seleccionar acoplamientos más confiables, por la calidad de los materiales con que se fabrican, por su diseño y por su capacidad para soportar las condiciones reales a las que será sometido.

DINAMICA DE LA TRANSMISION

Es evidente que en la selección de un acoplamiento se debe tomar en cuenta la forma en que el motor y la máquina afectan al acoplamiento, pero las características del acoplamiento, dimensiones, peso, momento de inercia y rigidez, por mencionar algunas, también tienen un impacto en el comportamiento dinámico de la transmisión.

MANTENIMIENTO

La mayoría de los acoplamientos requieren de algún tipo de mantenimiento, ya sea periódico o esporádico, algunos requieren cambio de partes de desgaste, otros requieren de lubricación, otros más se tienen que reemplazar con cierta frecuencia. Las maniobras relacionadas con el mantenimiento de los acoplamientos tiene impacto en la productividad de la máquina ya que implican mano de obra y tiempos muertos. El costo de adquisición de un acoplamiento puede ser secundario si los costos asociados al mantenimiento resultan elevados. Por ejemplo, para reponer o hacer el cambio de partes de desgaste de algunos acoplamientos, es necesario mover el motor o alguna otra parte de la transmisión. En equipos grandes esta maniobra puede llevar varias horas, haciendo mucho más conveniente emplear acoplamientos cuyo costo de adquisición puede ser más elevado, pero su reposición o cambio de partes pueden hacerse sin necesidad de mover otros componentes.

 TIPOS DE ACOPLAMIENTOS

La variedad de acoplamientos disponibles en el mercado es muy grande y sería poco práctico, si no imposible, tratar de presentarlos todos. Resulta igualmente difícil encontrar una buena forma de agrupar los diferentes diseños porque cada uno tiene características particulares. Trataremos, sin embargo, de organizar la información de una manera lógica y de cubrir los tipos más comúnmente usados actualmente en maquinaria industrial. Debemos reconocer y, al mismo tiempo advertir al lector, que seguramente dejaremos fuera formas de acoplamiento que por ser prácticas o baratas, o por resolver problemas específicos tienen aceptación actual en el mercado. Sugerimos, entonces, a quién necesite un acoplamiento para condiciones especiales de trabajo, que consulte con los fabricantes de acoplamientos respecto a las soluciones que cada uno podría ofrecer, tanto en modelos de catálogo como en fabricaciones especiales.

ACOPLAMIENTO DIRECTO ENTRE EJES COLINEALES

Cortesía de TB Wodd’s

Cortesía de Renold

RIGIDOS

Como su nombre lo indica, son acoplamientos que no aceptan ninguna desalineación. Pueden ser elementos cilíndricos de una pieza (a), en este caso con bujes cónicos o pueden ser de dos piezas, ya sean un cilindro partido en el sentido longitudinal (b) o dos mazas unidas mediante bridas y tornillos (c). Los acoplamientos cilíndricos de una sola pieza son ampliamente usados para unir los ejes de un motor que va montado en una campana de un reductor, formando uno conjunto motorreductor.

FLEXIBLES

Los acoplamientos flexibles ofrecen cierta tolerancia a los diferentes tipos de desalineación, que depende tanto de los materiales como de la construcción. A continuación algunos diseños comúnmente usados.

LUBRICADOS

De Rejilla

Este tipo consiste en dos mazas dentadas unidas por una rejilla elástica de acero. La configuración de los dientes hace que la rigidez torsional incremente a medida que incrementa el par transmitido.

Requieren de una alineación precisa para evitar daños a los sellos y la consecuente fuga de aceite.

Cortesía de Dodge

De Engranes

Los acoplamientos de engranes están formados por dos mazas con dentado exterior y una cubierta con dentado interior. Las partes pueden estar hechas de metal o de polímero.

La cubierta puede estar hecha de dos mitades con bridas para atornillarse entre sí, o puede ser de una sola pieza con superficie exterior cilíndrica. Los acoplamientos de engranes son muy rígidos a la torsión y, dependiendo del diseño de los dientes de la maza, pueden ser rígidos o tolerantes a la desalineación angular. Al usar dos mazas tolerantes a la desalineación angular, se obtiene tolerancia a la desalineación paralela.

La posibilidad de combinar una maza rígida con una tolerante a la desalineación permite su uso para sostener elementos separadores o ejes flotantes.

Esta construcción puede actuar como estriado, permitiendo el movimiento axial de los ejes.

También se pueden adaptar fácilmente para soportar ejes flotantes verticales.

Al igual que el caso de otros acoplamientos lubricados, la desalineación tiende a dañar los sellos y retenes de aceite.

Cortesía de Renold

De Cadena

Este tipo de acoplamiento es relativamente sencillo, robusto y barato. La reposición de las cadenas es fácil, sin necesidad de mover las mazas. Hay versiones expuestas que requieren relubricación frecuente y que permiten que el lubricante entre en contacto con otras partes de la transmisión y la máquina. También se hacen con cubierta para evitar la contaminación del lubricante y que éste salga del área en que se le requiere.

Cortesía de Renold

NO LUBRICADOS

Las ventajas de usar acoplamientos no lubricados son: que no requieren de atención periódica, que la desalineación no daña los sellos y que no hay contaminación por fugas de aceite.

De Disco Intermedio

Estos acoplamientos están hechos de dos mazas con bridas a las que se une por medio de pernos o tornillos, un elemento intermedio hecho de laminillas o de un disco sólido. Las laminillas pueden ser metálicas o de polímero, y el disco sólido es generalmente de un material ligero y flexible. Estos acoplamientos no tienen juego interno en el sentido giratorio (backlash) y son rígidos a la torsión, al mismo tiempo son flexibles a la desalineación angular y permiten pequeños movimientos de los ejes en el sentido axial. Sin embargo, la desalineación y el movimiento axial de los ejes provocan fallas por fatiga en los elementos centrales. Afortunadamente, por lo general los elementos se pueden reponer a un costo bajo y sin necesidad de mover los ejes ni las mazas.

Cortesía de Renold Cortesia de TB Wodd’s

Este diseño puede adaptarse a el uso de dos elementos flexibles con un elemento rígido intermedio, ya sea un disco, un separador, como muestra la fotografia, o un eje flotante, dándoles la posibilidad de aceptar desalineación paralela.

Mediante el uso de materiales y diseños diversos, este concepto se puede adaptar a condiciones de trabajo muy variadas, desde acoplamientos miniatura para instrumentos, hasta los más robustos para maquinaria de industria pesada.

Con Ranuras Helicoidales

Estos acoplamientos son rígidos a la torsión, no tienen juego interno giratorio y son tolerantes a los diferentes tipos de desalineación. Normalmente son relativamente pequeños y ligeros, y están mejor adaptados para transmisión de señal en instrumentos, que para transmisión de movimiento en máquinas.

Cortesía de Helical