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bandas y cadenas
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3-2-2015
DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINA
BANDAS Y CADENAS
GRUPO #1
NRC: 2705
INGENIERÍA MECATRÓNICA
INTEGRANTES:
Milton Cajilema
Carmen Guzmán
Johanna Iza
Alba Mena
Gabriela Taco
Santiago Zurita
CURSO: 8vo Nivel “A”
TRANSMISIONES POR BANDAS Y POR CADENAS
Las bandas y las cadenas representan los principales tipos de elementos flexibles
para transmiten de potencia.
Un motor eléctrico produce la potencia rotatoria pero en el caso típico los motores
funcionan con una velocidad demasiado grande, y entregan un par torsional muy
pequeño para que se adapten a la aplicación final de accionamiento. Recuerde
que para determinada transmisión de potencia, el par torsional aumenta en
proporción con la que se reduce la velocidad de rotación. Así, con frecuencia se
desea tener cierta velocidad de giro. La alta velocidad del motor hace que las
transmisiones por banda sean casi ideales para la primera etapa de reducción. Al
eje del motor se le fija una polea pequeña, mientras que se monta una polea de
mayor diámetro en un eje paralelo que funciona a la velocidad menor
correspondiente. Las poleas con bandas también son llamadas poleas
acanaladas.
Sin embargo, si la transmisión requiere relaciones de reducción muy grandes, son
preferibles los reductores de engranes, porque físicamente pueden hacer grandes
reducciones en un espacio bastante pequeño. En general, el eje de salida del
reductor de engranes está a baja velocidad y tiene gran par de torsión. Si tanto la
velocidad como el par torsional son satisfactorios para la aplicación, se podría
acoplar en forma directa a la máquina impulsada.
Sin embargo, como los reductores engranados sólo se consiguen en relaciones de
reducción discretas, con frecuencia se debe reducir su salida para cumplir los
requisitos de la máquina. En la condición de baja velocidad y gran par de torsión,
las transmisiones con cadenas son adecuadas
El gran par torsional causa grandes fuerzas de tensión en la cadena. En el caso
normal, los elementos de la cadena son metálicos, y sus dimensiones resisten las
grandes fuerzas. Los eslabones de las cadenas engranan en las catarinas, para
formar un accionamiento mecánico positivo, adecuado a las condiciones de baja
velocidad y gran par de torsión.
En general, se aplican las transmisiones por bandas cuando las velocidades de
rotación son relativamente altas, como en la primera etapa de reducción de la
velocidad de un motor eléctrico o de combustión. La velocidad lineal de una banda
es de unos 2500 a 6500 pies/min (762 a 1980 m/min). Lo cual da como resultado
fuerzas de tensión relativamente pequeñas en la banda. A menores velocidades.
La tensión en la banda se vuelve demasiado grande para las secciones
transversales típicas en las bandas, y puede haber deslizamiento entre los lados
de la banda y las ranuras de la polea que la conduce. A mayores velocidades
existen efectos dinámicos, como fuerzas centrífugas, chicoleo de bandas y
vibraciones que reducen la eficiencia y la duración de la transmisión.
En general, lo ideal es que la velocidad sea 4000 pies/min (1220 m/min).
Figura 1. Geometría básica de una transmisión por bandas
TIPOS DE TRANSMISIONES POR BANDAS
Una banda es un elemento flexible de transmisión de potencia que asienta
firmemente en un conjunto de poleas o poleas acanaladas.
La polea mayor se monta en la máquina impulsada. La banda se diseña para
montarse en las dos poleas, sin resbalamiento.
La banda se instala al colocarlas alrededor de las dos poleas, mientras se reduce
la distancia entre centros entre ellas. A continuación se separan las poleas y se
pone la banda en una tensión inicial bastante alta. Cuando la banda transmite la
potencia, la fricción hace que se agarre
A la polea impulsora, e incrementa la tensión en un lado, que es el "lado tenso" de
la transmisión.
La fuerza de tensión en la banda ejerce una fuerza tangencial en la polea
conducida, con lo que se aplica un par torsional al eje conducido. El lado contrario
de la banda se encuentra todavía en tensión, pero con un valor menor.
Existen muchos tipos de bandas disponibles: planas, acanaladas o dentadas,
bandas V normales, bandas V en ángulo doble y otras más.
La banda plana es el tipo más sencillo y con frecuencia se fabrica de cuero
o de lona ahulada. La superficie de la polea también es plana y lisa, y la
fuerza impulsora se limita, por consiguiente, a la fricción pura entra la banda
y la polea. Algunos diseñadores prefieren que las bandas para maquinaria
delicada sean planas, porque la banda se deslizará si el par torsional tiende
a subir hasta un valor que pueda dañar la máquina.
Las bandas síncronas.- llamadas a veces bandas de pasan sobre poleas
con ranuras en las que asientan los dientes de la banda. Este es un
impulsor positivo, y sólo se limitan por la resistencia de la banda a la
tensión y la resistencia a la fuerza cortante de los dientes.
Las bandas dentadas.- Los dientes dan mayor flexibilidad a la banda y
mayor eficiencia, en comparación con las bandas normales. Pueden
trabajar en menores diámetros de polea
Las bandas en V.- La forma en V hace que la banda se acuñe firmemente
en la ranura, lo cual incrementa la fricción y permite la transmisión de
grandes pares torsionales sin que exista deslizamiento.
La mayor parte de las bandas tienen lonas de alta resistencia, colocadas en el
diámetro de paso de la sección transversal de la banda, para aumentar la
resistencia a la tensión de la banda.
Figura 2.Tipos de bandas
TRANSMISION POR BANDAS EN V
El arreglo típico de los elementos de una transmisión por bandas en V se muestra
en la siguiente figura:
Figura 3.Sección transversal de una banda en v y la ranura de una polea
Las observaciones importantes acerca de este lo se resumen á continuación:
1. La polea, con una o varias ranuras circunferenciales donde se apoya la
banda, se llama polea acanalada.
2. El tamaño de una polea se indica con su diámetro de paso, que es un poco
menor que su diámetro exterior.
3. La relación de velocidades de las poleas motriz y conducida es
inversamente proporcional a la relación de los diámetros de paso. Esto es
consecuencia de la observación de que allí no existe deslizamiento. La
velocidad lineal de la línea de paso en ambas poleas es igual a la velocidad
de la banda
Pero:
entonces:
La relación de velocidad angular es:
4. Las relaciones entre la longitud de paso L, la distancia entre centros C y los
diámetros de las poleas son.
( ) ( )
√ ( )
Donde: ( ) 5. El ángulo de contacto de la banda en cada polea es
[( )
]
[( )
]
6. La longitud del espacio libre entre las poleas, dentro de la cual la banda no
está portada es:
√ [( )
]
7. Los contribuyentes al esfuerzo en la banda son:
a) La fuerza de tensión en la banda máxima en su lado tenso.
b) La flexión de la banda en tomo a las poleas, máxima en el lado tenso de
la banda, en torno a la polea menor.
c) Las fuerzas centrifugas producidas cuando la banda se mueve alrededor
las poleas.
El esfuerzo total máximo se presenta donde la banda entra a la polea menor y
donde el esfuerzo de flexión es parte mayor. Por lo anterior existen diámetros
de polea mínimos recomendados para las bandas normales. El uso de poleas
menores reduce en forma drástica la duración de las bandas.
8. El valor de diseño de la relación de tensión en el lado teoso a ta tensión en
el lado flojo es 5.0 para transmisiones con bandas V. El valor real puede ser
tan alto como 10
SELECCIONES TRANSVERSALES NORMALIZADAS PARA BANDAS
El alineamiento entre los tamaños en pulgadas y los métricos indica que en
realidad los tamaños apareados tienen la misma sección transversal.
El valor nominal del ángulo incluido entre los lados de la ranura en V va desde los
30° a 42°. Algunas bandas están diseñadas para "sobresalir" algo de la ranura.
En muchas aplicaciones automotrices, se usan transmisiones con bandas
síncronas, parecidas a lo que en la figura C se llama banda de sincronización, o
bien bandas V con costillas parecidas a las llamadas con costillas múltiples.
Las bandas comerciales se fabrican con una de las normas mostradas en las
figuras:
Figura 4Bandas en V industriales para trabajo pesado
Figura 5 Bandas en V industriales de sección angosta
Figura 6 Bandas en V para trabajo ligero, potencia fraccional
Figura 7 Bandas en V automotrices
La norma Society of Automotive Engineers (SAE) establecen dimensiones y
funcionamiento para bandas automotrices:
Norma SAE J636: Bandas y poleas en V
Norma SAE 1637. Transmisiones de bandas automotrices
Norma SAE J1278: Bandas y poleas síncronas SI (métricas)
Norma SAE 31313: Transmisiones automotrices por bandas síncronas
Norma SAE J1459: Bandas V acostilladas y poleas
DISEÑO DE TRANSMISIONES POR BANDAS EN V
Los factores que intervienen en a selección de una banda V y las poleas motriz y
conducida de trasmisión se resumen en:
La potencia especificada del motor o máquina motriz
El factor de servicio, con base en el motor y la carga impulsada
La distancia entre centros.
La capacidad de potencian de una banda, en función del tamaño y la
velocidad de la polea menor
La longitud de la banda
El tamaño de las poleas motriz y conducida
El factor de corrección por longitud de la banda
El factor de corrección por ángulo de contacto en la polea menor
El número de bandas
La tensión inicial sobre la banda
Las decisiones de diseño dependen de la aplicación y de las limitaciones de
espacio como por ejemplo:
Se debe efectuar el ajuste por distancia entre centros, en ambas
direcciones, a partir del valor nominal. La distancia entre centros debe
acortarse en el momento de la instalación, para permitir que la banda entre
en las ranuras de las poleas sin forzarse.
Si se requiere que los centros sean fijos, se debe usar poleas locas o
templadoras. Lo mejor es usar una polea loca acanalada dentro de la
banda, cerca de la polea mayor. Para sostener la polea tensora, existen
tensores ajustables disponibles.
El intervalo de distancias nominales entre centros deber ser
( ) El ángulo de contacto en la polea menor debe ser mayor que 120°.
La mayor parte de las poleas comerciales son de hierro colado, y deben
limitarse a una velocidad de banda de 6500 pies/min (1980 m/min).
Se debe considerar un tipo alterno de transmisión, como los engranes o
cadena, si la velocidad de la banda es menor que 1000 pies/min.
Evitar temperaturas elevadas alrededor de las bandas.
Los números que coinciden aparecen impresos en las bandas industriales,
50 indica una longitud de banda que se aproxima mucho a la nominal. Las
bandas más largas llevan números por arriba de 50 que coinciden; los
bandas más cortas tienen números por abajo de esta cifra.
DATOS DE DISEÑO
Los datos que se presentan aquí son para bandas de sección angosta: 3V, 5V y
8V. Esos tres tamaños abarcan un gran intervalo de capacidades de transmisión
de potencia.
Figura 8 Grafica para la selección de bandas en V industriales de sección angosta (Dayco Corp, Dayton, OH)
Tabla 1 Factores de servicio para bandas V
La capacidad básica de potencia para una relación de velocidades de 1.00 se
indica con una curva sólida. Una banda determinada puede manejar mayor
potencia, a medida que aumenta la relación de velocidades, hasta una relación
aproximada de 3.38. Los incrementos mayores tienen poco efecto, y también
pueden causar problemas con el ángulo de contacto en la polea menor. La figura
es una gráfica de los datos de potencia agregada a la capacidad básica, en
función de la relación de velocidades para las bandas 5V.
Figura 10 Factor de corrección por ángulo de contacto,
Figura 9 Capacidades: Bandas en 3V y 5V
Figura 11 Factor por corrección por longitud de banda,
Tabla 2 Tamaños tentativos de poleas
Tensión de la banda
Es crítico dar una tensión inicial, para asegurar para que no resbale para la carga
de diseño. En reposo los dos lados de la banda tienen la misma tensión. Cuando
se transmite la potencia, aumenta la tensión del lado tenso, y disminuye la tensión
del lado flojo.
Transmisiones de bandas síncronas
Se fabrican con costillas o dientes transversales a la cara inferior de la banda. A
las bandas síncronas se las llama con frecuencia bandas de sincronización ya que
existe una relación fija entre la velocidad de la catalina motriz y la conductora. En
contraste las bandas en V se pueden estirar o deslizar con respecto a sus poleas
correspondientes, en especial bajo cargas grandes y demanda variable de
potencia.
Figura 12 Banda síncrona en una polea motriz
Figura 13 Poleas motriz y conducida para una transmisión de banda síncrona
En la figura 5 se muestran los pasos comunes de dientes y los tamaños de bandas
síncronas comerciales. El paso es la distancia del centro de un diente al centro
del siguiente diente.
Figura 14 Dimensiones de las bandas síncronas estándar
Existen disponibles varios anchos de banda para cada uno de los pasos, por lo
que se tiene una amplia variedad de capacidades de transmisión de potencia.
Procedimiento general de selección para transmisiones con bandas
síncronas
1. Especifique la velocidad de la polea motriz (en forma típica en un motor
eléctrico o de combustión) y la velocidad que se necesita en la polea
conducida.
2. Especifique la potencia nominal del motor impulsor.
3. Determine un factor de servicio, mediante las recomendaciones del
fabricante y considere el tipo de impulsor y la naturaleza de la máquina
impulsada.
4. Calcule la potencia de diseño, a multiplicar la potencia nominal del impulsor
por el factor de servicio.
5. Determine le paso necesario de la banda con datos específicos del
fabricante.
6. Calcule la relación de velocidades de las poleas motriz y conductora.
7. Selecciones varias combinaciones factibles de número de dientes en la
polea motriz y de la polea conducida.
8. De acuerdo con el intervalo deseado de distancias entre centros
aceptables, determine una longitud estándar de la banda, que permita tener
un valor adecuado.
9. Se podrá necesitar un factor de corrección por longitud de banda. Los datos
de catálogo indicaran que los factores son menores que 1.0 para distancias
entre centros menores, y mayores que 1.0 para mayores distancias. Eso
refleja la frecuencia con la que determina parte de lavanda se encuentra en
la zona de grandes esfuerzos, al entrar a la polea menor. Aplique el factor a
la capacidad nominal de potencia de la banda.
10. Especifique los detalles finales del diseño para las poleas, como bridas,
tipo, y tamaño de bujes en el cubo y el tamaño del orificio, para adaptarse a
los ejes correspondientes.
11. Hacer el resumen del diseño, comprobar la compatibilidad con los otros
componentes del sistema y preparar los documentos de compra.
Figura 15 Guía para la selección del paso de bandas síncronas
Transmisiones por cadena
Una cadena es un elemento de transmisión de potencia formado por una serie de
eslabones unidos con pernos. Este diseño permite tener la flexibilidad, permite
además que la cadena transmita grandes fuerzas de tensión.
Cuando se transmite potencia entre ejes giratorios, la cadena entra enruedas
dentadas correspondientes llamadas catalinas. En la siguiente figura 16 muestra
una trasmisión típica de cadena.
Figura 16.- Transmisión por cadena de rodillos
El tipo de cadenas más común es la cadena de rodillos, en la que el rodillo sobre
cada perno permite tener una fricción excepcionalmente baja entre la cadena y las
catalinas. Hay otros tipos que comprenden una variedad de diseños de eslabones
extendidos, y se usan principalmente en aplicaciones de transportes como se ve
en la siguiente figura 17.
Figura 17.- Algunos estilos de cadenas de rodillos
La cadena de rodillos estándar tiene designación de tamaño del 40 al 240, como
se muestra en la tabla 3. Los dígitos (aparte del cero al final) indica el paso de la
cadena, en octavos de pulgada, como en la tabla.
Las resistencias medidas a la tensión de los diversos tamaños de cadena también
se muestran en la tabla 3. Se puede emplear estos datos para transmisiones a
muy bajas velocidades, o en aplicaciones en la que la función de la cadena es
aplicar una fuerza de tensión o sostener una carga. Se recomienda emplear solo
el 10% de la resistencia promedio a la tensión en esas aplicaciones. Para trasmitir
potencia es necesario determinar la capacidad de cierto tamaño de cadena en
función de la velocidad de rotación.
Tabla 3.- Tamaños de cadenas de rodillos
Existe disponibilidad una gran variedad de accesorios para facilitar la aplicación de
la cadena de rodillos al transporte u otros usos de manejo de materiales. En el
caso normal, tienen la forma de placas prolongadas u orejas con orificios, y
facilitan la fijación a la cadena, de varillas, cangilones, impulsadores de partes,
dispositivos de soporte de partes o láminas de transportador. En la siguiente figura
18 muestra algunos estilos de accesorios.
Figura 18.- Conectores para cadenas
En la siguiente figura 19 muestra varios tipos de cadenas utilizadas especialmente
para transportar y en otras ocasiones parecidas. Esas cadenas tienen, en el caso
típico, paso más largo que el de la cadena normal de rodillos (el doble del paso,
casi siempre), las placas de eslabón son más gruesas. Los tamaños mayores
tienen placas de eslabón fundidas.
Figura 19. Cadenas por transportador
Diseño de transmisiones de cadena
La capacidad de transmisión de potencia de las cadenas tiene en cuenta tres
modos de falla:
1) Fatiga de las placas de eslabón, debido a la aplicación repetida de la
tensión en el lado tenso de la cadena.
2) El impacto de los rodillos al engranar en los dientes de las catalinas y
3) La abrasión entre los pernos de cada eslabón y sus bujes.
La capacidad se basan en datos empíricos con un impulsor uniforme y una carga
uniforme (factor de servicio=1) , con una duración nominal aproximada de 15000h.
Las variables importantes son el paso de la cadena y el tamaño y la velocidad de
giro de la catalina menor.
En las tablas siguientes presentan la potencia nominal para tres tamaños
normales de cadena: Número 40(1/2pulg), 60(3/4pulg) y 80(1pulg.) son
características de los datos disponibles para todos los tamaños de cadena en los
catálogos de sus fabricantes.
Observe las siguientes propiedades de esos datos:
1. Las capacidades se basan en la velocidad de la rueda menor, y son para
una duración esperada de 15000 horas, aproximadamente
2. Para una determinada velocidad, la capacidad de potencia aumenta con el
número de dientes de la catalina.
3. Para un determinado tamaño de catalina (determinado número de
dientes), la capacidad de potencia se incrementa al aumentar la velocidad,
hasta cierto punto, y después decrece.
4. Las capacidades son para cadenas de una hilera (cadenas simples).
Aunque las hileras múltiples aumentan la capacidad de potencia, no son
para un para un múltiplo directo de la capacidad de una sola hilera. Se
debe multiplicar la capacidad obtenida en las tablas por los siguientes
factores:
Dos hileras: factor=1.7
Tres hileras: factor=2.5
Cuatro hileras: factor=3.3
5. Las capacidades son para un factor de servicio de 1.0. Se debe especificar
un factor para determinada aplicación, de acuerdo con la tabla
Tabla 4.- Capacidades en caballos de fuerza-Cadena simple de rodillos número 40
Tabla 5. Capacidad en caballos de fuerza. Cadena simple de rodillos N° 60
Tabla 6. Capacidad en caballos de fuerza. Cadena simple de rodillos N° 80
Tabla 7. Factores de servicio para transmisiones por cadena
Lineamientos de diseño para transmisiones por cadena
1. La cantidad mínima de dientes en una Catarina debe ser de 17, a menos
que el impulsor funcione a una velocidad muy pequeña, menor que 1700
rpm.
2. La relación de velocidades máxima debe ser 7.0, aunque son posibles
relaciones mayores. Se pueden emplear dos o más etapas de reducción
para obtener relaciones mayores.
3. La distancia entre centros entre los ejes de catarinas debe ser de 30 a 50
pasos de cadena.
4. En el caso normal, la Catarina mayor no debe tener más de 120 dientes.
5. El arreglo preferido en una transmisión por cadena es con la línea central
de los ejes horizontal y con el lado tenso en la parte superior.
6. La longitud de la cadena debe ser un múltiplo entero del paso, y se
recomienda tener un número par de pasos.
Una relación adecuada de la distancia entre centros (C), longitud de cadena
(L), cantidad de dientes de Catarina pequeña (N1) y número de dientes de
la Catarina grande (N2), expresada en pasos de cadena es:
( )
7. El diámetro de paso de una Catarina con N dientes, para una cadena de
paso p, es:
( ⁄ )
8. El diámetro mínimo, y en consecuencia el número de dientes mínimo de
una Catarina se limitan con frecuencia por el tamaño del eje donde va
montada.
9. El arco de contacto ᶱ1 de la cadena en la Catarina menor debe ser mayor a
120°.
( )
10. Como referencia, el arco de contacto ᶱ2 en la Catarina mayor es:
( )
Lubricación
En la cadena existen muchas partes móviles, además de la interacción entre la
cadena y los dientes de la Catarina.
Propiedades
Derivado del petróleo.
El aceite debe conservarse limpio y sin humedad.
Tabla 8. Lubricante recomendado para transmisión por cadenas.
Método de lubricación
Tipo A.- Lubricación manual o por goteo. El aceite se aplica en forma copiosa al
menos una vez cada 8 horas.
Tipo B.- Lubricación de baño o con disco. La cubierta de la cadena proporciona un
colector de aceite, en el que se sumerge la cadena en forma continua.
Tipo C.- Lubricación con chorro de aceite. Una bomba de aceite envía un flujo
continuo en la parte inferior de la cadena.
CONCLUSIONES
La relación de velocidades máximas debe ser de 7.0, se debería emplear
más etapas para obtener relaciones mayores.
La longitud de la cadena debe ser un múltiplo entero del paso y se debe
tener un número de pasos par.
Es primordial dar lubricación a las transmisiones por cadenas debido a la
existencia de muchas partes móviles. Además se debe definir las
propiedades del lubricante y el método de lubricación.
Existen disponibles varios anchos de banda para cada uno de los pasos,
por lo que se tiene una amplia variedad de capacidades de transmisión de
potencia.
Cuando se transmite la potencia, aumenta la tensión del lado tenso, y
disminuye la tensión del lado flojo.
Para la tensión de la banda es crítico dar una tensión inicial, para asegurar
para que no resbale para la carga de diseño.
En instalaciones en que se utilizan bandas múltiples se necesita que las
bandas coincidan, asegurándose que las flechas o ejes que soportan
poleas acanaladas se enlazan sean paralelas y de que las poleas
acanaladas estén alineadas de manera que las bandas se incierta con
suavidad en las ranuras.
Las bandas dentadas permiten transferir mayor torque sin resbalamiento
entre la polea y la banda además de trabajar en con menores diámetros.
En algunas máquinas se prefiere usar las bandas planas ya que estas
resbalan cuando se excede el torque requerido y así evitando el daño a la
maquinaria
BIBLIOGRAFÍA
Mottt, R. L. (2006). Diseño de elementos de maquinas (Cuarta ed.). PEARSON
Education.