Guía completa sobre transmisiones por cadena y tipos de cadenas: Conocimientos esenciales para ingenieros

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Los engranajes de cadena se destacan como una solución vital de transmisión de potencia mecánica, ampliamente utilizados para transferir potencia entre componentes, ya sea a través de largas distancias (como en motores marinos de cinco pisos de altura) o cortas (como en bicicletas). Se encuentran entre los cinco métodos más comunes de transmisión mecánica de potencia, junto con acoplamientos, transmisiones por engranajes, transmisiones por correa y tornillos de potencia. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas, por lo que los ingenieros deben evaluar cuidadosamente estos factores para tomar la mejor decisión para aplicaciones específicas. Este artículo explora los fundamentos de los engranajes de cadena, sus clasificaciones, tipos comunes de cadenas, criterios de selección, y sus principales ventajas y desventajas.

¿Qué son los engranajes de cadena?

Un engranaje de cadena es un sistema de transmisión de potencia mecánica que utiliza una cadena para transferir potencia de un lugar a otro. Un engranaje de cadena típico consiste en dos o más ruedas dentadas (poleas con dientes) y la propia cadena, cuyos orificios en los eslabones encajan sobre los dientes de las ruedas dentadas.
Cuando el motor primario (por ejemplo, un motor eléctrico o un motor de combustión interna) gira, hace girar la rueda dentada unida a su eje. Esta rotación impulsa la cadena envuelta alrededor de la rueda dentada, la cual aplica fuerza mecánica al eje conducido, transmitiendo eficazmente la potencia.

Comparaciones clave con otros métodos de transmisión

En comparación con transmisiones por correa: A diferencia de las transmisiones por correa, las transmisiones por cadena no presentan deslizamiento, lo que garantiza una relación de velocidad constante. Esto elimina el retraso en la transmisión de potencia, haciéndolas ideales para aplicaciones como cadenas de distribución en motores de combustión interna. La única pérdida de potencia en las transmisiones por cadena proviene de la fricción entre los eslabones de la cadena y las ruedas dentadas, lo que resulta en una mayor eficiencia mecánica.
En comparación con transmisiones por engranajes: Las transmisiones por cadena son más flexibles en cuanto a la distancia de operación. Destacan cuando los ejes están separados una distancia mayor a la que pueden manejar los engranajes, manteniendo aún una configuración compacta. Además, una sola cadena puede impulsar múltiples ejes simultáneamente, una característica que los engranajes difícilmente igualan.

Tipos de Transmisiones por Cadena (Por Función)

Las transmisiones por cadena se categorizan en tres tipos principales según su función principal, cada una adaptada a necesidades específicas de aplicación:

1. Transmisiones por Cadena de Potencia

 Diseñadas exclusivamente para transferir potencia entre dos ejes, estas transmisiones por cadena resuelven un desafío común: la mayoría de las máquinas generadoras de potencia (por ejemplo, motores en bombas) no pueden utilizar en el lugar la potencia que producen.
Aplicaciones Comunes: Bicicletas, maquinaria agrícola, compresores y árboles de levas de motores, todos dependen de cadenas de transmisión de potencia para mover la potencia desde la fuente hasta el punto de uso.

2. Transmisiones por Cadena de Transportadores

Las transmisiones por cadena para transportadores están especializadas en manejo de materiales. Cuentan con cientos de diseños con propiedades específicas, tales como bajo coeficiente de fricción, resistencia a altas temperaturas, resistencia química, capacidades antistáticas o características magnéticas. Además, se pueden añadir accesorios a la cadena para adaptarse a diversas necesidades.
Usos industriales: Adoptado ampliamente en el embalaje, la fabricación automotriz, la producción de alimentos y bebidas, farmacéuticos y textiles para el transporte eficiente de materiales.

3. Transmisiones por cadenas de elevación y tracción

Estas transmisiones por cadenas se utilizan en maquinaria para elevar y bajar cargas pesadas, trabajando a menudo junto con poleas para reducir el esfuerzo necesario. Ejemplos incluyen polipastos (manuales, eléctricos o neumáticos), comunes en talleres mecánicos, obras de construcción, salas de máquinas de barcos y fábricas, capaces de elevar/bajar cargas de hasta 20 toneladas.
Las cadenas de elevación se dividen además en dos subtipos:

Cadenas elípticas (cadenas de eslabones): Utilizadas para elevación de cargas medias a ligeras y a baja velocidad. Sus eslabones son elípticos y entrelazados mediante soldadura. Las cadenas de eslabones cuadrados ocasionalmente son una alternativa, pero generalmente se evitan debido a una mala distribución del esfuerzo y problemas de enredos.
Cadenas con Espigas: Son preferidas para aplicaciones de alta carga. Cada eslabón tiene una espiga instalada en su anchura interna, lo cual evita enredos y mejora la resistencia y durabilidad. Se utilizan comúnmente en anclas de barcos y otro equipo de elevación de uso intensivo.

Tipos Comunes de Cadenas en Transmisiones por Cadena

Cinco tipos de cadenas dominan las aplicaciones industriales y comerciales, cada uno con estructuras y ventajas distintas:

1. Cadenas de Rodillos (Cadenas de Rodillos con Bushing)

El tipo de cadena más reconocible, las cadenas de rodillos (o cadenas de rodillos con bushing) se usan ampliamente en transmisión de potencia para bicicletas, motocicletas y equipos de transporte. Generalmente están fabricadas de acero al carbono o aleaciones de acero.
Estructura: Compuesta por placas internas (placas de rodillos), placas externas (placas de pasadores), bushings, pasadores y rodillos. Los rodillos están espaciados uniformemente entre los eslabones, engranando con los dientes de las ruedas dentadas para transmitir potencia.
Ventajas clave: Los rodillos giran según sea necesario al estar en contacto con los dientes de la rueda dentada, minimizando la pérdida de potencia. En las cadenas de transmisión, la altura de las placas de los rodillos (en ambos lados de los rodillos) supera el diámetro del rodillo, evitando que las placas laterales toquen las ruedas dentadas y actuando como guías para prevenir el deslizamiento de la cadena. En cadenas de rodillos para transportadores, el diámetro del rodillo es mayor que la altura de las barras laterales, eliminando el contacto entre las barras y las vías del transportador para reducir la fricción. Las cadenas de rodillos multiplex permiten velocidades más bajas y menores pasos para los mismos requisitos de carga, estando disponibles para necesidades de alta potencia.

2. Cadenas silenciosas (cadenas de dientes invertidos)

Las transmisiones por cadena tradicionales suelen ser ruidosas, lo que las hace inadecuadas para entornos sensibles al ruido, como espacios cerrados, minas o zonas residenciales. Las cadenas silenciosas (o cadenas de dientes invertidos) solucionan este problema operando en forma silenciosa mientras transmiten alta potencia a altas velocidades.
Estructura: Fabricada con placas planas apiladas en filas y conectadas por uno o más pernos. La parte inferior de cada eslabón tiene un perfil que coincide con los dientes del piñón para un engrane suave.
Rendimiento: La capacidad de carga, la resistencia a la tracción y el ancho de la cadena aumentan con el número de placas planas por eslabón.

3. Cadenas de hojas

El tipo de cadena más simple, las cadenas de hojas constan únicamente de pernos y placas, con las placas alternándose como eslabones de perno y eslabones de bisagra. No engranan con piñones; en su lugar, se desplazan sobre poleas para su guiado.
Aplicaciones: Ideales para elevación y equilibrio, como en ascensores, montacargas, transportadores telescópicos y mástiles de elevación. Estas máquinas de baja velocidad someten a las cadenas a altas cargas estáticas y cargas de trabajo mínimas, y las cadenas de hojas destacan por su capacidad para soportar impactos e inercia.
Requisito fundamental: Debe soportar altos esfuerzos de tracción sin elongación ni rotura, y tener suficiente ductilidad para resistir la fatiga. Las condiciones de lubricación y ambientales deben tenerse en cuenta durante el diseño.

4. Cadenas de superficie plana

Utilizadas exclusivamente para transporte, las cadenas de piso plano reemplazan a las bandas transportadoras y a las transmisiones por correa; los materiales pueden transportarse directamente sobre sus eslabones.
Estructura: Los eslabones individuales suelen estar fabricados con placas de acero con protuberancias huecas de forma cilíndrica en la parte inferior. Los pernos pasan a través de estas protuberancias para conectar los eslabones adyacentes, permitiendo el movimiento en una sola dirección. Las cadenas especializadas de piso plano pueden doblarse lateralmente (mediante estructuras de pernos modificadas), lo que permite que el transportador negocie curvas.
Aplicaciones: Se utilizan en transportadores de baja velocidad para el movimiento de materiales en líneas de ensamblaje.

5. Cadenas de acero para ingeniería

Desarrolladas en la década de 1880, las cadenas de acero para ingeniería están diseñadas para entornos adversos y aplicaciones exigentes. Están fabricadas con acero laminado en caliente (a veces tratado térmicamente para mayor resistencia) y presentan espacios más amplios entre sus componentes para soportar el polvo, la suciedad y agentes abrasivos durante su funcionamiento.
Usos modernos: Principalmente se utilizan como cadenas transportadoras para manipulación de materiales, aunque algunas también funcionan como transmisiones. Se encuentran en transportadores, carretillas elevadoras, elevadores de cangilones y equipos de perforación petrolera. Cuentan con una resistencia, durabilidad, capacidad de carga y paso mejorados para satisfacer las demandas industriales modernas.

Cómo seleccionar la transmisión por cadena adecuada

La elección de la transmisión por cadena correcta requiere evaluar las necesidades de la aplicación para eliminar opciones no adecuadas. Los factores clave a considerar son:

1. Carga

Determine la potencia que debe transmitirse: la cadena debe soportar la potencia generada por el equipo motor. Los cálculos precisos son fundamentales para garantizar la seguridad, y se recomienda aplicar un factor de seguridad suficiente.

2. Velocidad de la cadena

No todas las transmisiones por cadena funcionan a altas velocidades; algunas están diseñadas para velocidades bajas. Calcule la velocidad requerida y asegúrese de que se encuentre dentro del rango recomendado para la cadena con el fin de reducir las opciones.

3. Configuración de los ejes

La mayoría de las transmisiones por cadena solo funcionan con ejes paralelos. Si los ejes están desalineados, las transmisiones por engranajes pueden ser una alternativa más adecuada.

4. Distancia entre centros de ejes

Se recomienda que la distancia entre centros de ejes sea de 30 a 50 veces el paso de la cadena. Además, asegúrese de un arco de contacto mínimo de 120° en la rueda dentada más pequeña; si la rueda dentada tiene pocos dientes, deben estar en contacto con la cadena al menos cinco dientes en todo momento.

5. Entorno de operación

El entorno determina la resistencia requerida de la cadena frente a humedad, suciedad, abrasivos, corrosión y altas temperaturas. También afecta a la vibración, los niveles de ruido y la resistencia a la fatiga. Por ejemplo, las cadenas de dientes invertidos (cadenas silenciosas) son preferidas en zonas sensibles al ruido.

6. Lubricación

La mayoría de los sistemas de transmisión por cadena requieren lubricación para prolongar su vida útil. El tipo de cadena, tamaño, carga y velocidad determinan el método de lubricación (manual, por goteo, baño de aceite o lubricación forzada). Existen cadenas autolubricadas, que utilizan bujes fabricados con plástico o metal sinterizado impregnado de aceite para proporcionar lubricación continua sin necesidad de mantenimiento externo.

Ventajas de los sistemas de transmisión por cadena

Puede transmitir par a largas distancias.
No hay deslizamiento (a diferencia de las transmisiones por correa), lo que garantiza un rendimiento constante.
Más compacto que las transmisiones por correa, apto para espacios relativamente pequeños.
Una sola transmisión por cadena puede impulsar múltiples ejes.
Versátil, funciona en altas temperaturas y en diversos ambientes (secos, húmedos, abrasivos, corrosivos, etc.).
Sistema de bajo rozamiento, garantizando una alta eficiencia mecánica.

Desventajas de las transmisiones por cadena

No se pueden usar con ejes no paralelos.
Propensa a ruido y vibración durante su operación.
El desalineamiento puede provocar deslizamiento de la cadena.
Algunos diseños requieren lubricación continua.
Normalmente necesitan un recubrimiento para su protección.
Es necesario un ajuste periódico (por ejemplo, mediante rodillos tensor) para mantener el rendimiento.

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