Correa (mecánica)

Las transmisiones por correa son sencillas, económicas y no requieren ejes alineados axialmente. Protegen la maquinaria contra sobrecargas y atascos, y amortiguan y aíslan el ruido y las vibraciones. Las fluctuaciones de carga se absorben (amortiguan). No necesitan lubricación y requieren un mantenimiento mínimo. Ofrecen una alta eficiencia (90-98%, generalmente 95%), una alta tolerancia a la desalineación y un costo relativamente bajo si los ejes están muy separados. El embrague se puede lograr desplazando la correa a una polea de giro libre o liberando la tensión de la correa. Se pueden obtener diferentes velocidades mediante poleas escalonadas o cónicas.

La relación de velocidad angular puede no ser exactamente constante ni igual a la de los diámetros de las poleas, debido al deslizamiento y al estiramiento. Sin embargo, este problema se puede solucionar en gran medida mediante el uso de correas dentadas. Las temperaturas de funcionamiento oscilan entre -35 y 85 °C (-31 y 185 °F) . Ajustar la distancia entre centros o añadir una polea tensora es fundamental para compensar el desgaste y el estiramiento.  

Las correas planas se utilizaron ampliamente en los siglos XIX y principios del XX en ejes de transmisión para transmitir potencia en fábricas. ^{[ 4 ]} También se utilizaron en innumerables aplicaciones agrícolas , mineras y forestales , como sierras de mano , aserraderos , trilladoras , sopladores de silos , cintas transportadoras para llenar graneros o pajares , empacadoras , bombas de agua (para pozos , minas o campos agrícolas pantanosos ) y generadores eléctricos . Las correas planas todavía se utilizan hoy en día, aunque no tanto como en la época de los ejes de transmisión. La correa plana es un sistema simple de transmisión de potencia que era muy adecuado para su época. Puede entregar alta potencia a altas velocidades  (373  kW a 51  m/s; 115  mph), en casos de correas anchas y poleas grandes. Los sistemas de transmisión de correa ancha y polea grande son voluminosos, consumen mucho espacio y requieren alta tensión, lo que produce cargas elevadas, y no son adecuados para aplicaciones con centros cerrados. Las correas trapezoidales han sustituido principalmente a las correas planas en la transmisión de potencia a corta distancia; y la transmisión de potencia a larga distancia ya no se realiza habitualmente con correas. Por ejemplo, las máquinas industriales ahora suelen tener motores eléctricos individuales.

Debido a que las correas planas tienden a subir hacia la parte más alta de la polea, estas se fabricaban con una superficie ligeramente convexa o abombada (en lugar de plana) para permitir que la correa se autocentrara durante su funcionamiento. Las correas planas también tienden a resbalar sobre la superficie de la polea cuando se aplican cargas pesadas, por lo que existían numerosos lubricantes para correas que se podían aplicar para aumentar la fricción y, por ende, la transmisión de potencia.

Las correas planas se fabricaban tradicionalmente de cuero o tela. Los primeros molinos harineros de Ucrania tenían correas de cuero para la transmisión. Tras la Primera Guerra Mundial, la escasez de cuero para zapatos fue tal que la gente cortó las correas para fabricar zapatos. Vender zapatos fue más rentable durante un tiempo que vender harina. La molienda de harina pronto se paralizó y los precios del pan subieron, lo que contribuyó a la hambruna. ^{[ 5 ]} Las correas de cuero se utilizaron de otra forma durante la Guerra de Rodesia (1964-1979): para proteger a los ocupantes de coches y autobuses de las minas terrestres, se colocaron capas de correas de cuero en el suelo de los vehículos en zonas de peligro. Hoy en día, la mayoría de las correas de transmisión están hechas de caucho o polímeros sintéticos. El agarre de las correas de cuero suele ser mejor si se montan con el lado de pelo (el lado exterior) del cuero contra la polea, aunque a algunas correas se les da media vuelta antes de unir los extremos (formando una cinta de Möbius ), para que el desgaste se distribuya uniformemente en ambos lados de la correa. Los extremos de los cinturones se unen mediante el uso de cordones de cuero (el método más antiguo), ^{[ 6 ] [ 7 ]} broches de peine de acero y/o cordones, ^{[ 8 ]} o mediante pegado o soldadura (en el caso de poliuretano o poliéster). Los cinturones planos se unían tradicionalmente, y todavía se suelen unir, pero también pueden fabricarse con una construcción sin fin.

A mediados del siglo XIX, los mecánicos de molinos británicos descubrieron que las poleas con múltiples ranuras conectadas por cuerdas ofrecían un mejor rendimiento que las poleas planas conectadas por correas de cuero. Si bien ocasionalmente se utilizaban cables de acero , los más comunes eran los de algodón , cáñamo , cáñamo de Manila y lino . Normalmente, la cuerda que conectaba dos poleas con múltiples ranuras en V se empalmaba formando un solo bucle que recorría una trayectoria helicoidal antes de regresar a su posición inicial mediante una polea tensora que también mantenía la tensión de la cuerda. En ocasiones, se utilizaba una sola cuerda para transferir potencia de una polea motriz con múltiples ranuras a varias poleas motrices, ya fueran de una o varias ranuras.

En general, al igual que con las correas planas, las transmisiones por cable se utilizaban para conectar motores estacionarios con ejes intermedios y ejes de transmisión de molinos, y a veces con ejes de transmisión con maquinaria accionada. Sin embargo, a diferencia de las correas de cuero, las transmisiones por cable se utilizaban a veces para transmitir potencia a distancias relativamente largas. En estas distancias, se utilizaban poleas intermedias para sostener el cable de transmisión, y a finales del siglo XIX, esto se consideraba bastante eficiente. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

Las correas redondas son correas de sección transversal circular diseñadas para funcionar en una polea con una ranura en V de 60 grados. Las ranuras redondas solo son adecuadas para poleas tensoras que guían la correa o cuando se utilizan correas de tipo junta tórica (blandas). La ranura en V transmite el par mediante una acción de acuñamiento, aumentando así la fricción. Sin embargo, las correas redondas se utilizan únicamente en situaciones de par relativamente bajo y pueden adquirirse en varias longitudes o cortarse a medida y unirse mediante una grapa, un conector metálico (en el caso de plástico hueco), pegamento o soldadura (en el caso de poliuretano ). Las primeras máquinas de coser utilizaban una correa de cuero, unida mediante una grapa metálica o pegada, con excelentes resultados.

Las correas elásticas son similares a las correas de cuerda o redondas, pero constan de un resorte helicoidal de acero alargado. Se encuentran comúnmente en motores de juguete o maquetas pequeñas, generalmente máquinas de vapor que impulsan otros juguetes o maquetas, o que proporcionan una transmisión entre el cigüeñal y otras partes de un vehículo. La principal ventaja sobre las correas de goma u otras elásticas es que duran mucho más en condiciones de funcionamiento poco controladas. La distancia entre las poleas también es menos crítica. Su principal desventaja es que el deslizamiento es más probable debido al menor coeficiente de fricción. Los extremos de una correa elástica se pueden unir doblando la última vuelta de la hélice en cada extremo 90 grados para formar ganchos, o reduciendo el diámetro de las últimas vueltas en un extremo para que se enrosque en el otro.

Las correas trapezoidales (también llamadas correas en V o, menos comúnmente, correas de cuña) resolvieron el problema del deslizamiento y la alineación. Actualmente son la correa básica para la transmisión de potencia. Proporcionan la mejor combinación de tracción, velocidad de movimiento, carga de los cojinetes y larga vida útil. Generalmente son sin fin y su sección transversal tiene una forma aproximadamente trapezoidal (de ahí el nombre "V"). La forma de "V" de la correa se desliza en una ranura correspondiente en la polea , lo que impide que se salga. La correa también tiende a acuñarse en la ranura a medida que aumenta la carga (a mayor carga, mayor acuñamiento), lo que mejora la transmisión de par y convierte a la correa trapezoidal en una solución eficaz, que requiere menos ancho y tensión que las correas planas. Las correas trapezoidales superan a las planas gracias a sus pequeñas distancias entre centros y sus altas relaciones de reducción. La distancia entre centros ideal es mayor que el diámetro de la polea más grande, pero menor que tres veces la suma de los diámetros de ambas poleas. El rango de velocidad óptimo es de 1000 a 7000 pies/min (300 a 2130 m/min) . Las correas trapezoidales requieren poleas más grandes debido a su sección transversal más gruesa que las correas planas.  

Para aplicaciones de alta potencia, se pueden unir dos o más correas trapezoidales una al lado de la otra en una configuración denominada multi-V, que funcionan sobre poleas multicanal idénticas. Esto se conoce como transmisión por correa trapezoidal múltiple (o a veces "transmisión por correa trapezoidal clásica").

Las correas trapezoidales pueden ser de caucho o polímero homogéneo en su totalidad, o bien pueden tener fibras incrustadas en el caucho o polímero para mayor resistencia y refuerzo. Las fibras pueden ser de materiales textiles como algodón, poliamida (como el nailon ) o poliéster o, para una máxima resistencia, de acero o aramida (como Technora , Twaron o Kevlar ).

Cuando una correa sin fin no se ajusta a las necesidades, se pueden emplear correas trapezoidales articuladas o de eslabones. La mayoría de los modelos ofrecen la misma potencia y velocidad que las correas sin fin de tamaño equivalente y no requieren poleas especiales para su funcionamiento. Una correa trapezoidal de eslabones consta de varios eslabones compuestos de poliuretano/poliéster unidos entre sí, como la PowerTwist de Fenner Drives, o la Nu-T-Link (con pernos metálicos). Estas correas ofrecen una fácil instalación y una resistencia ambiental superior en comparación con las correas de caucho, y su longitud es ajustable mediante el desmontaje y la extracción de eslabones cuando sea necesario.

Una correa multicanal, acanalada en V o policanal ^{[ 16 ]} está compuesta generalmente por entre 3 y 24 secciones en forma de V dispuestas una junto a la otra. Esto da como resultado una correa más delgada para la misma superficie de transmisión, por lo que es más flexible, aunque a menudo más ancha. La flexibilidad adicional ofrece una mayor eficiencia, ya que se desperdicia menos energía en la fricción interna al doblar continuamente la correa. En la práctica, esta ganancia de eficiencia provoca un menor calentamiento de la correa, y una correa que funciona a menor temperatura tiene una vida útil más prolongada. Las correas están disponibles comercialmente en varios tamaños, que generalmente se identifican con una 'P' (a veces omitida) y una sola letra que indica el paso entre las ranuras. La sección 'PK' con un paso de 3,56 mm se usa comúnmente en aplicaciones automotrices. ^{[ 17 ]} 

Otra ventaja de las correas poligroove que las hace populares es que pueden pasar por poleas en la parte posterior lisa de la correa. Si bien esto a veces se hace con correas trapezoidales con una sola polea tensora, una correa poligroove puede enrollarse alrededor de una polea en su parte posterior con la suficiente firmeza como para cambiar su dirección, o incluso para proporcionar una ligera fuerza motriz. ^{[ 18 ]}

La capacidad de cualquier correa trapezoidal para accionar poleas depende de que la correa se enrolle alrededor de la polea con un ángulo suficiente para proporcionar agarre. Cuando una correa trapezoidal simple se limita a una forma convexa simple, puede enrollar adecuadamente como máximo tres o posiblemente cuatro poleas, por lo que puede accionar como máximo tres accesorios. Cuando se deben accionar más, como en los automóviles modernos con dirección asistida y aire acondicionado, se requieren varias correas. Dado que la correa policanal se puede doblar en trayectorias cóncavas mediante tensores externos, puede enrollar cualquier número de poleas accionadas, limitado únicamente por la capacidad de potencia de la correa. ^{[ 18 ]}

Esta capacidad de doblar la correa a voluntad del diseñador le permite seguir una trayectoria compleja o sinuosa . Esto facilita el diseño de un motor compacto, donde los accesorios se montan más cerca del bloque y sin necesidad de ajustes de tensión móviles. Toda la correa puede tensarse mediante una sola polea tensora.

La nomenclatura utilizada para los tamaños de las correas varía según la región y el sector. Una correa automotriz con el número "740K6" o "6K740" indica una correa de 74 pulgadas (190 cm) de longitud, 6 nervaduras de ancho y un paso de nervadura de 9/64 de pulgada (3,6 mm) (un espesor estándar para una correa automotriz de la serie K sería de 4,5 mm). Un equivalente métrico se suele indicar como "6PK1880", donde 6 se refiere al número de nervaduras, PK se refiere al estándar métrico de espesor y paso PK, y 1880 es la longitud de la correa en milímetros. ^{[ 19 ]}  

Una correa acanalada es una correa de transmisión de potencia con ranuras longitudinales. Funciona mediante el contacto entre las nervaduras de la correa y las ranuras de la polea. Su estructura de una sola pieza ofrece una distribución uniforme de la tensión a lo largo del ancho de la polea en la zona de contacto, una potencia de hasta 600  kW, una alta relación de velocidad, transmisión en serpentín (posibilidad de accionar la correa desde la parte posterior), larga vida útil, estabilidad y homogeneidad de la tensión de transmisión, y vibración reducida. La correa acanalada se puede utilizar en diversas aplicaciones: compresores, bicicletas estáticas, maquinaria agrícola, mezcladoras de alimentos, lavadoras, cortacéspedes, etc.

Aunque a menudo se las agrupa con las correas planas, en realidad son de un tipo diferente. Consisten en una tira muy delgada (de 0,5 a 15 milímetros o de 100 a 4000 micrómetros) de plástico y, en ocasiones, de caucho. Generalmente se utilizan en aplicaciones de baja potencia (menos de 10 vatios) y alta velocidad, lo que permite una alta eficiencia (hasta un 98 %) y una larga vida útil. Se encuentran en máquinas de oficina, impresoras, grabadoras y otras operaciones de baja exigencia.

Las correas de distribución ( también conocidas como correas dentadas , dentadas o síncronas ) son correas de transmisión positiva que permiten el seguimiento del movimiento relativo. Estas correas tienen dientes que encajan en una polea dentada correspondiente. Cuando se tensan correctamente, no presentan deslizamiento, funcionan a velocidad constante y se utilizan a menudo para transmitir movimiento directo con fines de indexación o sincronización (de ahí su nombre). Suelen utilizarse en lugar de cadenas o engranajes, lo que reduce el ruido y elimina la necesidad de lubricación. Los árboles de levas de los automóviles, los sistemas de sincronización en miniatura y los motores paso a paso suelen utilizar estas correas. Las correas de distribución requieren la menor tensión de todas las correas y se encuentran entre las más eficientes. Pueden soportar hasta 200 hp (150 kW) a velocidades de 16 000 ft/min (4900 m/min) .    

Existen correas de distribución con diseño de dientes helicoidales desplazados. Este diseño forma un patrón en forma de espiga que permite que los dientes engranen progresivamente. El patrón en espiga es autoalineable y no produce el ruido que algunas correas de distribución generan a ciertas velocidades, además de ser más eficiente en la transmisión de potencia (hasta un 98%).

Las ventajas de las correas de distribución incluyen un funcionamiento limpio, eficiencia energética , bajo mantenimiento, bajo nivel de ruido, rendimiento antideslizante y capacidades versátiles de carga y velocidad.

Entre las desventajas se incluyen un coste de compra relativamente elevado, la necesidad de poleas dentadas fabricadas especialmente, una menor protección contra sobrecargas, atascos y vibraciones debido a sus cordones de tensión continuos, la falta de acción de embrague (solo posible con correas de transmisión por fricción) y las longitudes fijas, que no permiten el ajuste de longitud (a diferencia de las correas trapezoidales o las cadenas).

Normalmente, las correas transmiten potencia en el lado de tensión del circuito. Sin embargo, existen diseños de transmisiones continuamente variables que utilizan correas compuestas por una serie de bloques metálicos sólidos, unidos entre sí como en una cadena, que transmiten potencia en el lado de compresión del circuito.

Las cintas utilizadas para las plataformas rodantes de los túneles de viento pueden alcanzar los 250 km/h (160 mph) . ^{[ 20 ]}  

Los estándares incluyen:

• ISO 9563: Esta norma especifica los requisitos y los métodos de ensayo para correas trapezoidales y correas acanaladas trapezoidales de transmisión de potencia sin fin.
• ISO 4184: Esta norma especifica las dimensiones de las correas trapezoidales clásicas y estrechas para uso general.
• ISO 9981: Esta norma trata sobre las dimensiones de las transmisiones síncronas por correa de caucho.
• ISO 9982: Esta norma abarca las dimensiones de las transmisiones síncronas por correa de poliuretano.
• DIN 22101: Esta norma abarca los principios de diseño de las cintas transportadoras utilizadas en la manipulación de materiales a granel, incluidos los requisitos de seguridad y los métodos de ensayo.
• ASME B29.1: Esta norma especifica las dimensiones, tolerancias y requisitos de calidad para las transmisiones por cadena de rodillos, que incluyen correas y piñones.
• ANSI / RMA IP-20 es un estándar desarrollado por el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) y la Asociación de Fabricantes de Caucho (RMA) que se centra en las correas elastoméricas utilizadas en aplicaciones industriales. Este estándar abarca aspectos importantes como las dimensiones y las tolerancias, garantizando que las correas funcionen de manera fiable y eficiente en diversos entornos industriales.
• La norma SAE J1459, desarrollada por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE), se centra en las correas trapezoidales y las correas acanaladas para automóviles. Estas correas se utilizan en diversas aplicaciones automotrices, como la transmisión de potencia entre el motor y diferentes accesorios, incluyendo el alternador, la bomba de dirección asistida, el compresor del aire acondicionado y la bomba de agua. La norma especifica los procedimientos de prueba, los requisitos de rendimiento y las dimensiones para garantizar que las correas sean fiables, duraderas y aptas para su uso en automóviles.
• ASTM D378 es una norma desarrollada por la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM), que se centra en las pruebas de cintas transportadoras utilizadas en diversas industrias para aplicaciones específicas. Las cintas transportadoras son esenciales para la manipulación y el transporte de materiales en industrias como la minería, la construcción, la agricultura y la manufactura. ASTM D378 abarca los métodos de prueba para evaluar las características de rendimiento de las cintas transportadoras, como la resistencia al fuego y la resistencia al aceite, garantizando que cumplan con los requisitos de seguridad y operación. ^{[ 21 ]}

Las transmisiones por correa se construyen bajo las siguientes condiciones requeridas: velocidades y potencia transmitida entre la unidad motriz y la motriz; distancia adecuada entre ejes; y condiciones de funcionamiento apropiadas. La ecuación para la potencia es

Los factores de ajuste de potencia incluyen la relación de velocidad; la distancia entre ejes (larga o corta); el tipo de unidad de accionamiento (motor eléctrico, motor de combustión interna); el entorno de servicio (aceitoso, húmedo, polvoriento); las cargas de la unidad accionada (sacudidas, impactos, inversión de giro); y la disposición de la polea y la correa (abierta, cruzada, invertida). Estos datos se encuentran en manuales de ingeniería y en la documentación del fabricante. Una vez corregida, la potencia se compara con las potencias nominales de las secciones transversales de correa estándar a velocidades específicas para encontrar las configuraciones óptimas. A continuación, se seleccionan los diámetros de las poleas. Generalmente se eligen diámetros grandes o secciones transversales grandes, ya que, como se mencionó anteriormente, las correas más grandes transmiten la misma potencia a bajas velocidades que las correas más pequeñas a altas velocidades. Para minimizar el tamaño de la parte motriz, se buscan poleas de diámetro mínimo. Los diámetros mínimos de las poleas están limitados por la elongación de las fibras exteriores de la correa al enrollarse alrededor de las poleas. Las poleas pequeñas aumentan esta elongación, reduciendo considerablemente la vida útil de la correa. Los diámetros mínimos de las poleas suelen indicarse junto con cada sección transversal y velocidad, o bien por separado para cada sección transversal de la correa. Tras seleccionar los diámetros y secciones de correa más económicos, se calcula la longitud de la correa. Si se utilizan correas sin fin, puede ser necesario ajustar la separación entre ejes para adaptarla a correas de longitud estándar. A menudo resulta más económico utilizar dos o más correas trapezoidales yuxtapuestas que una sola correa de mayor tamaño.

En relaciones de velocidad elevadas o distancias entre ejes pequeñas, el ángulo de contacto entre la correa y la polea puede ser inferior a 180°. En tal caso, se debe aumentar la potencia de transmisión, según las tablas del fabricante, y repetir el proceso de selección. Esto se debe a que las capacidades de potencia se basan en un ángulo de contacto estándar de 180°. Ángulos de contacto menores implican una menor superficie de tracción para la correa y, por lo tanto, una menor potencia de transmisión.

Las transmisiones por correa dependen de la fricción para funcionar, pero una fricción excesiva desperdicia energía y desgasta rápidamente la correa. Entre los factores que afectan la fricción de la correa se incluyen la tensión, el ángulo de contacto y los materiales utilizados para fabricar la correa y las poleas.

La transmisión de potencia depende de la tensión de la correa. Sin embargo, la tensión también incrementa la carga sobre la correa y los cojinetes. La correa ideal es aquella con la menor tensión posible que no resbala bajo cargas elevadas. La tensión de la correa debe ajustarse según el tipo, el tamaño, la velocidad y el diámetro de la polea. La tensión se determina midiendo la fuerza necesaria para desplazar la correa una distancia determinada por pulgada (o milímetro) de la polea. Las correas de distribución solo requieren la tensión adecuada para mantener el contacto con la polea.

La fatiga, más que la abrasión, es la principal causa de la mayoría de los problemas en las correas. Este desgaste se produce por la tensión generada al rodar alrededor de las poleas. La alta tensión de la correa, el deslizamiento excesivo, las condiciones ambientales adversas y las sobrecargas causadas por golpes, vibraciones o impactos contribuyen a la fatiga de la correa.

Las señales de vibración se utilizan ampliamente para estudiar las fallas en las transmisiones por correa. Algunas de las fallas o averías comunes incluyen los efectos de la tensión de la correa , la velocidad, la excentricidad de la polea y las condiciones de desalineación. El efecto de la excentricidad de la polea en las señales de vibración de la transmisión por correa es bastante significativo. Si bien esto no necesariamente aumenta la magnitud de la vibración, sí crea una fuerte modulación de amplitud. Cuando la sección superior de una correa está en resonancia , las vibraciones de la máquina aumentan. Sin embargo, un aumento en la vibración de la máquina no es significativo cuando solo la sección inferior de la correa está en resonancia. El espectro de vibración tiende a desplazarse hacia frecuencias más altas a medida que aumenta la fuerza de tensión de la correa.

El deslizamiento de la correa se puede solucionar de varias maneras. Sustituir la correa es una solución obvia y, a la larga, la obligatoria (ya que ninguna correa dura para siempre). Sin embargo, a menudo, antes de optar por la sustitución, se puede volver a tensarla (ajustando el eje central de la polea) o aplicarle un recubrimiento (de diversos tipos) para prolongar su vida útil y posponer su reemplazo. Los recubrimientos para correas suelen ser líquidos que se vierten, se aplican con brocha, se gotean o se rocían sobre la superficie de la correa y se dejan extender; su función es reacondicionar las superficies de contacto de la correa y aumentar la fricción entre la correa y las poleas. Algunos recubrimientos son oscuros y pegajosos, parecidos al alquitrán o al jarabe ; otros son finos y transparentes, parecidos a los disolventes minerales . Algunos se venden al público en latas de aerosol en tiendas de repuestos para automóviles; otros se venden en bidones solo para usuarios industriales.

Para especificar completamente una correa, se requieren el material, la longitud y el tamaño y la forma de la sección transversal. Las correas de distribución, además, requieren que se indique el tamaño de los dientes. La longitud de la correa es la suma de la longitud central del sistema en ambos lados, la mitad de la circunferencia de ambas poleas y el cuadrado de la suma (si es cruzada) o la diferencia (si es abierta) de los radios. Por lo tanto, al dividir por la distancia central, se puede visualizar como la distancia central multiplicada por la altura que da el mismo valor al cuadrado de la diferencia de radios en ambos lados. Al agregar a la longitud de cualquiera de los lados, la longitud de la correa aumenta, de manera similar al teorema de Pitágoras. Un concepto importante a recordar es que, a medida que${\displaystyle D_{1}}$se acerca a${\displaystyle D_{2}}$Hay una menor distancia (y por lo tanto, una menor adición de longitud) a medida que se acerca a cero.

Por otro lado, en una transmisión por correa cruzada, la suma , y ​​no la diferencia, de los radios es la base para el cálculo de la longitud. Por lo tanto, cuanto más ancho sea el pequeño mecanismo de transmisión, mayor será la longitud de la correa.