UNIONES ATORNILLADAS 1. INTRODUCCION.

2. LA PRECARGA EN UNIONES ATORNILLADAS

3. RESPUESTA DE LA UNION ANTE CARGAS

EXTERNAS

3.1. CARGA AXIAL

3.2. CARGA CORTANTE

4. INTRODUCCION DE LA PRECARGA EN EL

TORNILLO

1. INTRODUCCION

1. Los tornillos son los elementos mecánicos más empleados. Se seleccionar en

base a resistencia (estática, fatiga), resistencia a corrosión, coste, respuesta a

vibraciones, facilidad de montaje, estética…

2. Las dos aplicaciones de un tornillo son:

a) unir de forma no permanente dos o varios elementos: unión atornillada

b) transformar el movimiento de giro en movimiento lineal: tornillo de

transmisión de potencia

3. Los tornillos están normalizados

4. Las roscas métricas (norma ISO) se especifican mediante el diámetro y el paso

(en mm), por ejemplo M12x1.75

2. LA PRECARGA EN UNIONES ATORNILLADAS

1. Al girar la tuerca respecto al tornillo (o viceversa), el tornillo se tracciona y

los elementos se unen por compresión (precarga)

2. Se suele representar el denominado “diagrama de la unión”

3. Se estudia a continuación la respuesta de la unión bajo distintas cargas externas

0m

δmi

0b

δbi

Fb=FiFm=Fi

0m

δmi

0b

δbi

Fb=FiFm=Fi

δt δe

F

KtKe

δδ

Fp=Fe=Ft1 1

tteetep KKFFF

3. RESPUESTA DE LA UNION ANTE CARGAS EXTERNAS

3.1. CARGA AXIAL

1. Tras precargar la unión, se aplica una fuerza externa de tracción P

donde P=(Ke+Kt)∙Δδ

2. En este punto se define la “constante de rigidez de la unión”, C=Kt/(Kt+Ke),

de formaque la fuerza en los elementos y en el tornillo se reescribe como:

3. El nuevo equilibrio, representado en el “diagrama de la unión”

δmi

δbi

FiFi

δmf

δbf

Δδ

FbfFmf

P

P

δmi

δbi

FiFi

δmf

δbf

Δδ

FbfFmf

P

P

epe KFF

tpt KFF

δt δe

F

Kt Ke

δδ

C∙P

(1-C)∙PFt=Fp+Kt∙Δδ

Fe=Fp-Ke∙Δδ

P

Δδ

PCFF pe 1

PCFF pt

4. Se observa que el tornillo sólo se lleva una parte de la carga axial aplicada P,

normalmente menos del 20%

5. Estas fórmulas son sólo válidas mientras los elementos a unir no se separen, es

decir cuando P<Fp/(1-C)

6. El tornillo falla a tracción cuando Ft>𝜎prueba∙At, donde 𝜎prueba es la tensión

de prueba (tensión a la que comienza la deformación permanente del tornillo)

7. Cuando la carga axial es de “flexión”, la carga que soporta cada tornillo es

diferente

P

PP

P

8. Si la carga axial externa es variable en el tiempo, el cálculo debe ser a fatiga.

El tornillo presentará una tensión con componente media y alterna

a) la precarga Fp crea una tensión media

b) la carga C∙P debido a la carga externa axial P crea una tensión media y/o

alterna, dependiendo de la naturaleza de P

9. Una vez conocidos la tensión media y alterna en el tornillo, se hace un

análisis a fatiga uniaxial. Valores orientativos de Kf:

10. Pese a que las fórmulas sean sencillas, es un cálculo muy simplificado:

a) no es fácil estimar el valor de Km (experimental o EF)

b) se ha supuesto que la carga está ejercida en la superficie de los elementos,

c) en función de la geometría de la unión (rigidez de los elementos y tornillo)

se puede dar un efecto palanca, incluso cuando la carga es concéntrica

3.2. CARGA CORTANTE

1. Según su respuesta a cortante, las uniones atornilladas se pueden clasificar

en dos tipos (aunque normalmente son una combinación de ambas):

a) friction type: la fuerza cortante aplicada no supera la fricción entre los

elementos generada por la precarga (P<μ∙Fp∙N∙m)

b) bearing type: la fuerza cortante aplicada supera la fricción entre los

elementos generada por la precarga (P>μ∙Fp∙N∙m)

2. Posibles fallos de las uniones atornilladas “friction type”:

a) rotura por la sección bruta

3. Posibles fallos de las uniones atornilladas “bearing type”:

a) aplastamiento y cortante del tornillo

b) aplastamiento de la chapa

b) rotura por la sección neta

c) arrancamiento del borde del elemento

4. Cuando la carga cortante es de “torsión”, la carga que soporta cada tornillo es

diferente

Sección neta Sección bruta

D

La

4. INTRODUCCION DE LA PRECARGA EN EL TORNILLO

1. Como se ha observado, la precarga mejora el comportamiento de la unión

ante cargas axiales y cortantes

2. La precarga se aplica mediante un par de torsión.

3. El par de apriete se destina a superar tres resistencias:

a) la tracción del tornillo

b) la fricción entre roscas

c) la fricción entre tuerca y elemento

4. Se demuestra que la relación entre el par aplicado y la precarga obtenida es:

donde

5. En la práctica es muy difícil estimar el coeficiente de fricción, porque depende

de factores cuya influencia es virtualmente imposible de prever: material,

acabado superficial, lubricación, velocidad de apriete, tolerancia entre roscas...

6. Debido a ello, K y por tanto la relación par-precarga tiene mucha dispersión

7. Existen otros métodos más precisos pero más complejos para precargar y/o

conocer la precarga del tornillo: tensionadores, ultrasonidos…

dFKT c

tg

tgK

625.0

cos

cos5.0