Piezas mecánicas esenciales: Una guía completa
¿Siente curiosidad por las fuerzas invisibles que hacen que nuestro mundo funcione a la perfección? Las piezas mecánicas desempeñan un papel crucial en...
I. Panorama general
Las ruedas dentadas pueden fabricarse con distintos métodos y materiales. El método de fabricación y el material deben elegirse en función de la precisión del perfil del diente y la rugosidad de la superficie requeridas, en combinación con otros procesos como el tratamiento térmico, para lograr la potencia portante, la velocidad de funcionamiento y la vida útil necesarias de la rueda dentada.
En función del contacto y el funcionamiento con la cadena, los piñones se clasifican principalmente en dos categorías: de precisión y de semiprecisión. Estas categorías pueden subdividirse a su vez en función del material y el método de fabricación, con otros factores de clasificación como la rentabilidad y los requisitos de precisión de los piñones para las cadenas con las que se emparejan.
Las ruedas dentadas de cadena de rodillos y de cadena dentada suelen ser de acero o hierro fundido con dientes mecanizados, y las superficies de trabajo de los dientes suelen requerir un mecanizado muy preciso. Las ruedas dentadas de acero de ingeniería suelen ser de acero o hierro fundido con dientes oxicortados o fundidos.
Los piñones de cadena de cabeza plana pueden ser de acero, hierro fundido o plástico. Los piñones de acero o hierro fundido suelen mecanizarse, mientras que los de plástico suelen moldearse. Estos son casos generales. Las excepciones no son infrecuentes, especialmente con piñones de cadena de acero de ingeniería. Sin embargo, independientemente de cómo se procesen los dientes, el aspecto más importante es que los diseños de cadena y piñón sean compatibles para trabajar juntos.
Los piñones de dientes mecanizados funcionan con mayor suavidad y menos ruido durante la rotación, y suelen utilizarse para transmisiones de velocidad media a alta. Los piñones con dientes fundidos o cortados a la llama son baratos y tienen una vida útil suficiente para la transmisión y el transporte a baja velocidad. Los fabricantes ofrecen los siguientes tipos de ruedas dentadas.
II. Piñones para cadenas de rodillos
1. Piñones de cadena de rodillos de precisión de una hilera
La norma ASME B29.1 especifica los tamaños, tolerancias y perfiles de los dientes estándar de las ruedas dentadas de las cadenas de rodillos, que se tratan en los diseños relacionados.
La norma ASME B29.1 establece cuatro tipos de ruedas dentadas:
- El tipo A es un piñón de plato sin cubo.
- Los piñones de tipo B tienen un cubo en un solo lado.
- Los piñones de tipo C tienen cubos en ambos lados.
- Los piñones de tipo D tienen cubos desmontables.
Las ruedas dentadas de cadena de rodillos de los tipos A, B y C se muestran en la figura 1; las ruedas dentadas de cadena de rodillos del tipo D se muestran en la figura 2.
En la figura 3 se muestra otro diseño de piñón de cubo desmontable. Se trata de una combinación de piñón con agujero cónico y buje cónico partido. Este diseño permite utilizar una rueda dentada acabada con un agujero estándar para hacerla coincidir con un tambor de sujeción del eje. Los piñones de los tipos B y C también pueden fabricarse de esta manera.
Los radios entre el buje y la llanta tienen varias formas según el tamaño: los piñones pequeños suelen ser macizos excepto el agujero central debido a su poco peso; los piñones medianos suelen fundirse con placas de radios perforadas entre el buje y la llanta (figura 4) para reducir el peso; los piñones grandes suelen fundirse como piñones de radios (figura 5) para minimizar el peso al máximo. Si el piñón debe instalarse entre dos cojinetes, pueden utilizarse piñones partidos (figuras 6 y 7), y su instalación y desmontaje no implican desmontar el eje.
Algunos piñones de tipo D constan de un cubo macizo y un cuerpo de piñón desmontable (figura 2). Otros tienen tanto el cubo como el cuerpo del piñón en forma seccional (figura 7). Cualquier piñón desmontable debe fabricarse cuidadosamente para evitar variaciones de paso en la unión, y el piñón mostrado en la figura 7 está diseñado específicamente con pasadores de fijación para este fin.
Un piñón diseñado con un pasador de seguridad y un embrague deslizante puede evitar que los dispositivos de transmisión u otros equipos sufran daños en caso de sobrecarga y exceso de velocidad. El piñón con pasador de seguridad consta de un cubo y un cuerpo de piñón, con el cubo conectado al eje mediante una chaveta. Cuando se rompe el pasador de seguridad (véase la figura 8), el piñón puede girar libremente con respecto al eje y al cubo.
El pasador de seguridad está hecho de un material con una resistencia al cizallamiento conocida, lo que garantiza un determinado valor de cizallamiento mediante el mecanizado de una ranura con un diámetro calculado en el plano de cizallamiento. Después de cizallaCon un nuevo pasador de seguridad puede volver a funcionar.
Figura 8 Cubo con piñón de seguridad
2. Piñones de cadena de rodillos de varios ramales
Las ruedas dentadas de cadena de rodillos de varios ramales son ruedas dentadas integrales con un paso determinado y dientes alineados. En la figura 9 se muestra un piñón de cadena de rodillos multifilar típico.
3. Piñones de cadena de rodillos de doble paso
Existen dos tipos de piñones de cadena de rodillos de doble paso: uno es de un solo diente (véase la figura 10) y el otro es de doble diente (véase la figura 11). El término "dientes efectivos" se refiere al número de dientes que pueden engranar con la cadena en una revolución del piñón.
El número efectivo de dientes de una rueda dentada de corte simple es igual al número real de dientes, mientras que el número efectivo de dientes de una rueda dentada de corte doble es la mitad del número real de dientes. Para ruedas dentadas de doble corte con un número impar de dientes, el número efectivo de dientes será una fracción. Por ejemplo, un piñón con 25 dientes reales tendrá 12 (1/2) dientes efectivos.
La ventaja de tener un número impar de dientes reales es que cada diente sólo engrana con la cadena cada dos revoluciones, duplicando así la vida útil del piñón. Las ruedas dentadas de doble corte con un número par de dientes reales pueden conseguir el mismo efecto adelantando regularmente la cadena hasta el primer diente de la rueda dentada. Tenga en cuenta que los piñones equipados con rodillos portantes (nota del traductor: es decir, rodillos grandes) son insuficientes.
En comparación con los piñones de cadena de paso simple, los piñones de cadena de rodillos de paso doble tienen un diámetro de paso y un diámetro de raíz mayores. Sin embargo, cuando el número de dientes del piñón es superior a 35, esta diferencia puede ignorarse.
4. Mecanizado del piñón de la cadena de rodillos
Los piñones más pequeños se suelen mecanizar a partir de barras de acero y se mecanizan con total precisión. El tamaño de los piñones mecanizados a partir de barras de acero está limitado por el diámetro máximo del lote de barras. Las ruedas dentadas de acero pueden tratarse térmicamente para mejorar la resistencia al impacto y al desgaste de la superficie de los dientes. Para condiciones altamente corrosivas, pueden utilizarse materiales como el acero inoxidable o el bronce, así como baquelita, nailon y diversos materiales plásticos.
A veces, los piñones se fabrican con acero forjado o con barras forjadas. La precisión del mecanizado depende de los requisitos específicos de la aplicación. Muchos piñones se fabrican soldando cubos de acero a ruedas de chapa, y estos piñones integrales sólo pueden someterse a tratamiento térmico si las proporciones de tamaño cumplen los requisitos.
Los piñones de cadena de rodillos grandes suelen ser de fundición, y estos piñones de fundición se mecanizan para cortar los dientes, y también se mecanizan la llanta, el cubo, la superficie exterior y los orificios. El hierro fundido se utiliza a menudo para fabricar piñones grandes con una relación de transmisión relativamente grande porque los dientes del piñón grande engranan con la cadena con menos frecuencia durante un cierto período. En condiciones duras, es mejor utilizar piñones de acero fundido o de chapa de acero.
III. Piñones para cadenas dentadas
La norma ASME B29.2 especifica el perfil del diente de las ruedas dentadas para cadenas dentadas. El proceso de mecanizado, los materiales y los cubos de las ruedas dentadas para cadenas dentadas son los mismos que los de las cadenas de rodillos, pero los perfiles de los dientes son significativamente diferentes, como se muestra en la figura 12.
Los dientes de los piñones para cadenas dentadas son similares a los dientes de los engranajes. Aunque parecen engranajes, las ruedas dentadas para cadenas dentadas se mecanizan con herramientas especiales, que son diferentes de las herramientas utilizadas para mecanizar engranajes. Además, el perfil del diente de la rueda dentada y el tamaño del paso de la cadena también varían entre los distintos tipos de cadenas dentadas.
Las cadenas dentadas estándar utilizan ruedas dentadas especificadas por la norma ASME B29.2. Sin embargo, también existen algunas cadenas dentadas no estándar, como las cadenas dentadas de alto rendimiento, de múltiples ramales y de engranaje de doble cara. Estas cadenas no estándar suelen requerir piñones mecanizados especialmente.
Es fundamental que la cadena y el piñón encajen a la perfección, por lo que lo mejor es consultar al fabricante de la cadena los requisitos técnicos específicos del piñón. En la figura 13 se muestra una rueda dentada típica de cadena dentada de varios ramales, y en la figura 14, una rueda dentada típica de cadena dentada con engranaje de doble cara.
IV. Piñones de acero para cadenas
Las ruedas dentadas para cadenas de acero de ingeniería pueden fabricarse con diversos metalesestán disponibles en varios estilos y tienen muchas formas para adaptarse a los requisitos específicos de cada aplicación. Para la mayoría de las aplicaciones, se pueden utilizar piñones estándar.
Hay muchas cadenas de acero de ingeniería que no se ajustan a las normas ASME y, en consecuencia, hay muchos piñones de este tipo. La mayoría de ellos son muy similares a los piñones estándar, y cuando los piñones estándar no satisfacen las necesidades, muchos de estos piñones pueden utilizarse con cadenas estándar.
Los piñones enumerados en este capítulo se utilizan principalmente con cadenas estándar o ligeramente modificadas a partir de cadenas estándar, mientras que los piñones especiales del catálogo de productos del fabricante son sin duda más numerosos.
V. Materiales de los piñones
Los siguientes materiales se utilizan habitualmente para fabricar ruedas dentadas para cadenas de acero de ingeniería:
- Hierro fundido: Suele utilizarse en entornos más suaves, es el más económico.
- Fundición refrigerada: Este tipo de rueda dentada utiliza hierro enfriado para fundir los dientes. Los dientes de hierro enfriado se forman enfriando rápidamente la superficie del diente después de la fundición, lo que da como resultado dientes lisos y duros con una capa dura resistente al desgaste de 1/16 a 3/8 pulgadas de grosor, dependiendo del tamaño de la rueda dentada.
- Hierro fundido o acero estructural: Los piñones de hierro fundido tienen dientes de fundición, mientras que los de acero estructural tienen dientes cortados a la llama. Ambas se utilizan para transmisiones de alto par y alto impacto. Cuando se trabaja en entornos muy abrasivos, los dientes deben templarse a la llama o por inducción.
- Acero inoxidable: Utilizado en ambientes corrosivos.
Pueden utilizarse más materiales, como ferroaleaciones, aceros aleados, bronce y aluminio, para satisfacer necesidades especiales.
1. Tipos de ruedas dentadas de hierro fundido
Los piñones de fundición con bujes de radios (Figura 15) pueden reducir el peso y el coste. También facilita su manipulación manual. Los piñones de acero estructural también sirven para el mismo fin, ya que se perforan con llama en el alma, como se muestra en la Figura 16.
Si el espacio entre radios es demasiado pequeño, se fabrica un piñón macizo (Figura 17). Además, también se fabrican piñones macizos cuando la tensión de la cadena es alta y preocupa la resistencia del piñón de radios, o cuando el diámetro del buje es muy grande.
Cuando el piñón debe instalarse entre dos rodamientos, a veces se fabrica un piñón partido (figura 18). Este tipo de piñón puede instalarse y desmontarse sin afectar al eje ni a otras partes de la máquina.
El anillo dentado desmontable (Figura 19) está atornillado, y este diseño de piñón permite instalarlo y desmontarlo sin tener que desmontar la cadena, el buje, el rodamiento o el eje.
2. Rueda de tracción por fricción
Cuando el sistema se encuentra a menudo con obstáculos o está muy sobrecargado, se puede utilizar una rueda de tracción de fricción (Figura 20) en el eje de cabeza de un elevador de cangilones de cadena de un solo ramal. Sin embargo, las ruedas de tracción por fricción deben utilizarse siempre con precaución. La fricción entre la cadena y la rueda de tracción debe ser suficiente para transmitir la fuerza motriz requerida por el sistema de trabajo bajo carga normal. Consulte al fabricante de la cadena de acero de ingeniería cuando utilice ruedas de tracción.
Las ruedas de tracción por fricción pueden generar calor y chispas al deslizarse, por lo que nunca deben utilizarse en lugares donde las chispas puedan provocar explosiones.
3. Piñones de acero para aplicaciones específicas
La figura 21 muestra un juego de ruedas dentadas especiales para aplicaciones específicas, que suelen ser de fundición, y los dientes suelen tener una superficie templada resistente al desgaste.
a) Piñón con pasador de seguridad
b) Piñón de brida cilíndrica
c) Piñón con brida
La rueda dentada de hierro fundido con un pasador de seguridad en el cubo que se muestra en la figura 21a es similar a la rueda dentada de cadena de rodillos que se muestra en la figura 8. Se utilizan habitualmente en sistemas de accionamiento de transportadores.
Las dos ruedas dentadas que se muestran en la figura 21b se utilizan para cadenas de tracción soldadas de acero en transportadores de tracción, ambas son ruedas dentadas motrices. La finalidad de las pestañas de los piñones que se extienden en bordes anchos o formas cilíndricas es evitar que el material se derrame por los lados al descargar por encima del eje motriz del transportador.
El reborde del piñón mostrado en la figura 21c soporta las placas de la cadena en el punto de caída, prolongando la vida útil de la cadena y el piñón. Suelen utilizarse en transportadores limpios. Estas ruedas dentadas de hierro fundido templado se diseñan a menudo para ser "intercambiables por dientes", funcionando como las ruedas dentadas con dientes de doble corte de las cadenas de rodillos (figura 11).
Al diseñar estos piñones, el paso del piñón es ligeramente superior a la mitad del paso de la cadena, y los piñones se funden con un número impar de dientes. Después de otra vuelta del eslabón de la cadena, los dientes pasan a engranar. Esto significa que cada diente del piñón engrana con la cadena cada dos vueltas, duplicando así la vida útil del piñón (este concepto se utilizó por primera vez en las transmisiones de engranajes de madera a principios del siglo XIX).
4. Piñones de cadena de transmisión de chapa doblada de acero de ingeniería
Los piñones de la cadena de transmisión de chapa doblada de acero de ingeniería suelen estar hechos de hierro fundido o cortados a la llama a partir de chapas de acero. Otras piezas, como los bujes, suelen ser componentes ensamblados. La norma ASME B29.10 especifica la forma estándar de los dientes de las ruedas dentadas.
La rueda dentada de la figura 22 está emparejada con una cadena de doble fila que cumple la norma ASME B29.10 con un paso de 6 pulgadas para cadenas de transmisión de doble fila. Estas ruedas dentadas utilizan el perfil de dientes de la norma nacional americana. Los perfiles de dientes mecanizados garantizan la alineación de las cadenas de doble fila para servicio pesado. Estos piñones están fabricados en acero aleado y tratados térmicamente.
Los piñones de cadena de plato curvado no siempre utilizan dientes mecanizados; muchos piñones de cadena de transmisión de plato curvado utilizan dientes fundidos o cortados a la llama. Existen muchos tipos de formas de dientes. Para dientes no mecanizados que no utilicen la norma ASME B29.10, consulte al fabricante de la cadena.
5. Otros tipos de piñones de cadena de acero de ingeniería
Por lo expuesto anteriormente, sabemos que hay muchos tipos de piñones disponibles para diversas cadenas de acero de ingeniería. Parece que, siempre que la forma y el tamaño de los dientes sean adecuados, estas cadenas pueden funcionar con varios piñones, pero no es así.
En algunas aplicaciones, ciertos tipos de ruedas dentadas no pueden utilizarse con determinados tipos de cadenas. Por ejemplo, las cadenas de rodillos no pueden utilizar ruedas de tracción. Por lo general, un determinado tipo de piñón se utiliza siempre con cadenas específicas. Los demás tipos de piñones también se utilizan sólo en condiciones específicas.
La tabla 1 enumera los tipos de piñones más utilizados para las cadenas de acero de ingeniería descritas en este libro. Esta tabla no es una guía sobre cómo utilizarlos, sino que muestra el uso general.
Tabla 1 Tipos de piñones habituales para cadenas estándar
| Tipos de cadena | Cadenas de rodillos estándar | Cadenas dentadas | ||||||||
| B29.1 cadenas de rodillos | B29.1 cadenas de placas pesadas o dobladas | B29.1 cadenas de rodillos de varias hileras | B29.1 cadenas de doble paso | B29.1 cadenas transportadoras de doble paso | B29.1 cadenas transportadoras de rodillos grandes y doble paso | Cadenas de placas | Todos los modelos de B29.2 | |||
| Tipos de piñones | Corte de dientes de engranajes, acabado de superficies de contacto | Existencias en barras | ● | ● | ● | ● | ○ | □ | ● | ● |
| Piezas de acero compuesto | ● | ● | ○ | ● | ● | ● | □ | □ | ||
| Estilo de radios o placas de hierro fundido | ● | ● | ● | ● | ● | ● | □ | ● | ||
| Hierro fundido, diseño partido | □ | □ | □ | □ | ○ | ○ | □ | □ | ||
| Dientes de engranaje y superficies de contacto oxicortadas | Conjuntos de chapa de acero | □ | □ | □ | □ | ○ | ○ | □ | - | |
| Estilo de anillo dentado desmontable, hierro fundido o ensamblaje | □ | □ | □ | □ | □ | □ | □ | - | ||
| Rueda de tracción con tratamiento térmico | - | - | - | - | - | - | - | - | ||
| Fundición, maciza o de radios, o con orificios de reducción de peso en el alma | □ | □ | - | □ | □ | □ | - | |||
| Dientes de engranaje y superficies de contacto fundidos (la mayoría puede utilizar un diseño dividido) | Fundición dura refrigerada, dientes de engranaje endurecidos | □ | □ | - | □ | □ | □ | - | ||
| Anillo dentado desmontable de fundición dura refrigerada, atornillado a la fundición o al conjunto | - | - | - | - | - | - | - | - | ||
| Acero al carbono o aleado, tratado térmicamente | □ | □ | - | □ | □ | □ | - | |||
| Rueda de tracción de hierro fundido | - | - | - | - | - | - | - | |||
| Anillo dentado integral, fundición dura enfriada o hierro fundido, acero aleado tratado térmicamente | - | - | - | - | - | - | - | |||
| Tipos de cadena | Cadena de placas rectas sin rodillos | Cadena de rodillos | Cadena de placas curvadas sin rodillos | Transportador de rodillos grandes cadena de chapa doblada | Cadena de ingeniería soldada de acero | Cadena de tracción de acero soldado | Cadena dentada de acero | Cadena de bloques | B29.10 Cadena de plato curvado de accionamiento pesado | ||
| Tipos de piñones | Corte de dientes de engranajes, acabado de superficies de contacto | Existencias en barras | - | □ | □ | □ | □ | - | □ | □ | - |
| Piezas de acero compuesto | - | □ | □ | □ | □ | - | □ | ○ | □ | ||
| Estilo de radios o placas de hierro fundido | - | □ | □ | □ | □ | - | □ | ○ | □ | ||
| Hierro fundido, diseño partido | - | □ | □ | □ | - | □ | □ | □ | |||
| Dientes de engranaje y superficies de contacto oxicortadas | Conjuntos de chapa de acero | ● | ● | ● | ● | ● | ○ | ○ | ● | ● | |
| Estilo de anillo dentado desmontable, hierro fundido o ensamblaje | ○ | ○ | ○ | ○ | □ | □ | □ | ○ | □ | ||
| Rueda de tracción con tratamiento térmico | ○ | - | ○ | - | □ | □ | □ | - | - | ||
| Fundición, maciza o de radios, o con orificios de reducción de peso en el alma | ○ | ● | ○ | ● | ○ | ● | ● | ○ | ○ | ||
| Dientes de engranaje y superficies de contacto fundidos (la mayoría puede utilizar un diseño dividido) | Fundición dura refrigerada, dientes de engranaje endurecidos | ● | ● | ● | ● | ○ | ○ | ○ | ● | ||
| Anillo dentado desmontable de fundición dura refrigerada, atornillado a la fundición o al conjunto | ○ | ○ | ○ | ○ | □ | □ | □ | □ | □ | ||
| Acero al carbono o aleado, tratado térmicamente | ○ | ○ | ○ | ○ | □ | □ | □ | □ | ○ | ||
| Rueda de tracción de hierro fundido | ○ | - | ○ | - | □ | □ | □ | - | - | ||
| Anillo dentado integral, fundición dura enfriada o hierro fundido, acero aleado tratado térmicamente | ○ | - | ○ | - | - | - | - | - | - | ||
Nota: ●-de uso común; ○-de uso frecuente; □-de uso ocasional; guión (-)-no debe usarse.
Tanto el símbolo circular como el cuadrado indican usabilidad, pero hay diferencias entre ambos. El símbolo circular significa que este tipo de piñón es completamente estándar para las cadenas enumeradas y estos piñones estándar suelen figurar en el catálogo de productos del fabricante. Aquí, "de uso común" y "de uso frecuente" suelen implicar razones relacionadas con el precio y la calidad.
El símbolo cuadrado indica que el piñón sólo se utiliza ocasionalmente o no es adecuado para las cadenas enumeradas. La razón principal de "se utiliza ocasionalmente" suele ser el coste, pero la razón principal de "no debe utilizarse" suele ser factores técnicos. Cualquier combinación de cadenas y piñones representada por un símbolo cuadrado sólo debe instalarse tras consultar al fabricante de la cadena correspondiente.
VI. Piñones de cadena de cabeza plana
El perfil de los dientes de las ruedas dentadas de cadena de cabeza plana se especifica en la norma ASME B29.17 y se tratará más adelante en la sección de diseño de este capítulo. Esta sección sólo se refiere a las ruedas dentadas de cadena de cabeza plana estándar descritas en este libro. Dado que la única cadena de cabeza plana mencionada en el libro tiene un paso de 1 (1/2) pulgada, los estilos de piñones que se tratan aquí son bastante limitados.
La figura 23 muestra tres tipos de piñones muy utilizados para cadenas de cabeza plana. La figura 23a es un piñón integral, que suele tener menos dientes (13-21 dientes) y puede ser de hierro fundido, acero o acero inoxidable, generalmente con dientes mecanizados.
a) Piñón integral
b) Piñón de hierro fundido con radios
c) Piñón partido termoplástico
La figura 23b es un piñón de fundición de radios, que generalmente tiene más dientes (19-41 dientes) y también suele estar mecanizado.
La figura 23c es un piñón partido termoplástico, que suele tener un número medio de dientes (21-29 dientes) y dientes moldeados estándar. La ventaja de este tipo de piñón es que puede desmontarse sin mover el eje ni los cojinetes. Los piñones termoplásticos moldeados pueden fabricarse en estilos partidos o integrales, y se utilizan principalmente en entornos húmedos o moderadamente corrosivos.
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