Transmisión por cadena vs. transmisión por engranajes: comparación exhaustiva

Una máquina puede definirse como un conjunto de mecanismos que pueden realizar ciertas tareas de una manera predefinida gastando energía. La mayoría de las funciones de una máquina se llevan a cabo utilizando potencia mecánica, que es suministrada por motores principales. Un motor principal puede convertir una forma de energía en energía mecánica (en forma de par rotacional). El primer y principal ejemplo puede ser el motor eléctrico, donde la energía eléctrica se convierte en energía mecánica. De manera similar, la turbina de vapor, turbina hidráulica, molinos de viento, etc., también actúan como motores principales en ciertos casos, especialmente para aplicaciones de servicio pesado. Estos motores principales suelen estar ubicados lejos de las unidades de máquina y, por lo tanto, requieren otro medio para transmitir potencia a las máquinas.

El sistema de transmisión de potencia mecánica sirve para este propósito. Recupera movimiento, par y potencia de los motores principales y posteriormente los transfiere a las ubicaciones previstas de las unidades de máquina. Además de la transmisión, también puede cambiar la dirección de rotación y alterar la velocidad para cumplir con el requisito exacto en las máquinas. El sistema de transmisión de potencia mecánica consiste en cuatro transmisiones básicas: transmisión por engranajes, transmisión por cadena, transmisión por correa y transmisión por cuerda. Para una transmisión de potencia fácil e ininterrumpida, también toma ayuda de otros elementos mecánicos como freno, embrague, eje, chaveta, llave, acoplamiento, etc. Cada una de las cuatro transmisiones mecánicas ofrece ciertos beneficios sobre las demás y, por lo tanto, es adecuada para aplicaciones específicas.

Contrario a la transmisión por fricción (transmisión por correa y transmisión por cuerda), tanto la transmisión por cadena como la transmisión por engranajes son transmisiones mecánicas de tipo engranaje ya que la potencia se transmite por medio de engranaje y desengranaje sucesivo. En la transmisión por cadena, una cadena sin fin pasa a través de los piñones de los ejes conductor y conducido, lo que a su vez introduce flexibilidad en el sistema. Puede emplearse para transmisión de potencia de corta a media distancia. Aunque está libre de deslizamiento, el efecto poligonal limita esta transmisión de ofrecer una relación de velocidad constante. La transmisión por engranajes, por otro lado, es una transmisión rígida debido a la ausencia de cualquier elemento intermedio flexible. Es adecuada para transmisión de potencia y movimiento a corta distancia y actúa como una transmisión positiva. Varias diferencias entre la transmisión por cadena y la transmisión por engranajes se dan a continuación en formato de tabla.

Tabla: Diferencia entre transmisión por cadena y transmisión por engranajes

Presencia de elemento intermedio y flexibilidad: Las transmisiones mecánicas pueden clasificarse basadas en la presencia o ausencia de enlace intermedio. Una transmisión flexible es aquella donde existe un enlace intermedio flexible entre los ejes conductor y conducido. Transmisión por correa, transmisión por cadena y transmisión por cuerda son ejemplos de transmisión flexible debido a la presencia de correa, cadena y cuerda, respectivamente, como enlace intermedio entre dos ejes. Tal enlace introduce flexibilidad en la unidad de transmisión y, por lo tanto, pueden utilizarse para transmisión de potencia a larga distancia. Por otro lado, cuando no existe tal enlace intermedio, esa transmisión mecánica se denomina transmisión rígida. La transmisión por engranajes es un ejemplo de transmisión rígida ya que dos engranajes rígidos entran en contacto directo a través de sus dientes. No se requiere un elemento intermedio entre dos engranajes ya que engranán directamente.

Amortiguación de vibraciones: Una ventaja de cada transmisión flexible es su capacidad para amortiguar vibraciones. Usualmente, la unidad conductora como el motor principal produce vibraciones limitadas y tolerables; sin embargo, la unidad de máquina puede producir vibraciones excesivas indeseablemente. Carga de impacto o choque, fuerza desbalanceada, juntas sueltas, partes dinámicas y componentes rotos o dañados son las principales fuentes de vibración en la unidad de máquina. Tal vibración de alta amplitud, si se transmite al motor principal, puede causar daños severos. En cada transmisión flexible, el elemento intermedio flexible puede amortiguar la vibración inherentemente. Debido a la ausencia de cualquier enlace intermedio en la transmisión rígida, la vibración en la unidad de máquina se transmite al motor principal. Así, una transmisión por cadena puede aislar la unidad conductora pero una transmisión por engranajes no puede protegerla de la vibración excesiva indeseable.

Distancia preferida de transmisión de potencia: El objetivo básico de cada transmisión mecánica es transmitir movimiento y potencia del eje conductor al eje conducido. La distancia entre los ejes conductor y conducido puede variar basándose en varios factores como la distribución de la planta, disponibilidad de espacio, problemas de seguridad, etc. Cada transmisión mecánica es adecuada para un rango de distancia entre ejes. La transmisión por cadena puede emplearse para distancia entre centros pequeña a media, típicamente entre 1 – 5 m en una sola etapa. También puede emplearse para mayor distancia entre ejes utilizando soportes tensores adicionales. Por otro lado, la transmisión por engranajes es preferible para distancia entre centros pequeña, típicamente menos de 1 m; de lo contrario, se requieren engranajes de tamaño voluminoso, lo que consumirá espacio y aumentará el peso del sistema. Al utilizar engranajes intermedios tensores, la potencia también puede transmitirse a mayor distancia; sin embargo, eso aumentará el peso del sistema y la pérdida de potencia y, por lo tanto, la eficiencia disminuirá.

Transmisión de potencia entre ejes no paralelos: Los ejes conductor y conducido pueden tener varias orientaciones. Pueden ser (i) paralelos, (ii) que se cruzan, o (iii) no paralelos pero no intersectantes. Una transmisión mecánica adecuada se selecciona basada en esta orientación relativa. Las tres transmisiones flexibles (correa, cadena y cuerda) son adecuadas solo para ejes paralelos. Aunque la correa de cuarto de vuelta puede emplearse para ejes perpendiculares, rara vez se usa en la práctica debido a muchas limitaciones. La transmisión por cadena puede transmitir potencia entre ejes paralelos solamente. Por otro lado, la transmisión por engranajes puede emplearse para cualquier orientación de los ejes conductor y conducido. Existen varios tipos de engranajes; cada uno es adecuado para una orientación particular. Por ejemplo, el engranaje recto y el engranaje helicoidal son preferidos para ejes paralelos, el engranaje cónico es preferido para ejes que se cruzan, y el engranaje sinfín es adecuado para ejes perpendiculares pero no intersectantes.

Dirección de rotación: Otro requisito de la transmisión mecánica es alterar la dirección de rotación según el requisito. En las máquinas, la dirección rotacional requerida puede ser la misma u opuesta a la del motor principal. Una transmisión por cadena de una sola etapa puede rotar el eje conducido en la misma dirección que el eje conductor. Si se requieren múltiples ejes para rotar, entonces la transmisión por cadena puede proporcionar rotación en ambas direcciones. Por otro lado, un engranaje de una sola etapa puede rotar el eje conducido solo en dirección opuesta al eje conductor. Para obtener rotación en la misma dirección, se requiere usar un engranaje intermedio.

Transmisión positiva: Una transmisión mecánica que puede proporcionar una relación de velocidad constante durante su operación se llama transmisión positiva. Tal velocidad constante se requiere mantener en muchas aplicaciones; por ejemplo, corte de rosca en torno, atornillado automático, etc. Ninguna de las transmisiones por fricción puede proporcionar una relación de velocidad constante debido al deslizamiento inherente. Aunque la transmisión por cadena está libre de deslizamiento, el efecto poligonal puede alterar la relación de velocidad marginalmente. Así, no se considera como transmisión positiva. La transmisión por engranajes es el único ejemplo de transmisión positiva.

Reducción de velocidad alcanzable: Usualmente el motor principal rota a una velocidad mucho más alta de la que se pretende en la unidad de máquina. Esto requiere reducir la velocidad rotacional, lo que puede hacerse por cada transmisión mecánica. Sin embargo, cada transmisión tiene un límite en la capacidad de reducción. Una transmisión por cadena puede proporcionar reducción de velocidad entre 1:1 a 1:5, en una sola etapa. Por otro lado, la transmisión por engranajes puede proporcionar un amplio rango de reducción de velocidad, típicamente entre 1:1 a 1:100. El engranaje recto y el engranaje cónico son preferidos para reducción pequeña, el engranaje helicoidal puede proporcionar reducción media, y el engranaje sinfín puede proporcionar reducción pronunciada.

Lubricación: Al ser una transmisión de engranaje, dos cuerpos sólidos entran en contacto directo, por lo que la generación de calor y el desgaste son problemas comunes en ambas transmisiones por cadena y por engranajes. El uso de aceite lubricante adecuado puede mitigar tales efectos indeseados. La transmisión por cadena requiere lubricación frecuente; mientras que la mayoría de las transmisiones por engranajes requieren lubricación completa donde la unidad de engranajes está parcial o completamente sumergida en aceite lubricante.

La comparación científica entre la transmisión por cadena y la transmisión por engranajes se presenta en este artículo. El autor también sugiere consultar las siguientes referencias para una mejor comprensión del tema.

1. Design of Machine Elements por V. B. Bhandari (Cuarta edición; McGraw Hill Education).
2. Machine Design por R. L. Norton (Quinta edición; Pearson Education).
3. A Textbook of Machine Design por R. S. Khurmi y J. K. Gupta (S. Chand; 2014).