UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIN Y DE POTENCIAIntroduccin:El tornillo es defino como aquel elemento que se usa para sujetar, como hemos visto con la soldadura, durante la elaboracin de elementos mecnicos ms complejos se usa para reducir el tiempo en el proceso de fabricacin. Generalmente es metlico, aunque pueden ser de madera o plstico, utilizado en la fijacin temporal de unas piezas con otras, que est dotado de una caa roscada con rosca triangular, que mediante una fuerza de torsin ejercida en su cabeza con una llave adecuada o con un destornillador, se puede introducir en un agujero roscado a su medida o atravesar las piezas y acoplarse a una tuerca.Ahora bien los tornillos de potencia son usados con fines de que, como su nombre lo dice, transmitan potencia en las mquinas de un elemento a otro.[]El tornillo deriva directamente de la mquina simple conocida como plano inclinado y siempre trabaja asociado a un orificio roscado.[] Los tornillos permiten que las piezas sujetas con los mismos puedan ser desmontadas cuando la ocasin lo requiera. Los primeros antecedentes de la utilizacin de roscas se remontan al tornillo de Arqumedes, desarrollado por el sabio griego alrededor del 300 a. C., emplendose ya en aquella poca profusamente en el valle del Nilo para la elevacin de agua.Durante el Renacimiento las roscas comienzan a emplearse como elementos de fijacin en relojes, mquinas de guerra y en otras construcciones mecnicas. Leonardo da Vinci desarrolla por entonces mtodos para el tallado de roscas; sin embargo, stas seguirn fabricndose a mano y sin ninguna clase de normalizacin hasta bien entrada la Revolucin industrial.En 1841 el ingeniero ingls Whitwroth defini la rosca que lleva su nombre, haciendo William Sellers otro tanto en los Estados Unidos el ao 1864. Esta situacin se prolong hasta 1946, cuando la organizacin ISO define el sistema de rosca mtrica, adoptado actualmente en prcticamente todos los pases. En los EE.UU. se sigue empleando la norma de la SAE.La rosca mtrica tiene una seccin triangular formando un ngulo de 60 y cabeza un poco truncada para facilitar el engrase.Terminologa

Dimetro mayor en el sistema mtrico se expresa en mm y en el sistema ingls en fracciones de pulgada.Paso de la rosca distancia que hay entre dos crestas sucesivas, en el sistema mtrico se expresa en mm y en el sistema ingls por el nmero de hilos que hay en una pulgada.Forma del filete este pues ser triangular, redonda, cuadrada, trapecial, diente de sierra y muchas ms. Podemos definir a las triangulares como de uso mayoritario, a las cuadradas para transmitir movimiento en husillos o dispositivos de elevacin, las circulares para movimiento requerido en ambos sentidos.

Sentido de la hlice de la rosca: a derechas o a izquierdas. Prcticamente casi toda la tornillera tiene rosca a derechas, pero algunos ejes de mquinas tienen alguna vez rosca a izquierda. Los tornillos de las ruedas de los vehculos industriales tienen roscas de diferente sentido en los tornillos de las ruedas de la derecha (a derechas) que en los de la izquierda (a izquierdas). Esto se debe a que de esta forma los tornillos tienden a apretarse cuando las ruedas giran en el sentido de la marcha. Asimismo, la combinacin de roscas a derechas y a izquierdas es utilizada en tensores roscados.Material constituyente y resistencia mecnica que tienen salvo excepciones la mayor parte de tornillos son de acero de diferentes aleaciones y resistencia mecnica. Para madera se utilizan mucho los tornillos de latn. Longitud de la caa es variable y se adecua segn el uso que se le tenga que dar.Tipo de cabeza: en estrella o Phillips, Bristol, de pala y algunos otros especiales.Tipo de rosca: mtrica, Whitworth, trapecial, redonda, en diente de sierra, elctrica, etc. Las roscas pueden ser exteriores o machos (tornillos) o bien interiores o hembras (tuercas), debiendo ser sus magnitudes coherentes para que ambos elementos puedan enroscarse.2.1 Tipos de RoscasLa rosca es definida como el acabado superficial que tiene el tornillo que le da su particularidad de que una tuerca u otro elemento sea fcil de ajustar al mismo.Para el sistema ingls, existe la roca Unified que es para prisioneros y pernos. Est misma sustituyo la rosca American National. Los pernos y tuercas de los dos sistemas son intercambiables. Coinciden en el ngulo de 60. Se presentan en la siguiente figura.

Otro tornillo que se presentar, sobre todo para la transmisin de potencia, es el tornillo ACME es de muy amplio uso. Una de sus caractersticas es que incluye un ngulo de 29.

Denominacin de algunas roscas

Otra forma de clasificacin de las roscas la podemos dar entre si son cnicas o cilndricas pero por el momento tomaremos en cuenta la siguiente clasificacin dada por las caractersticas de la rosca, que es lo importante.Roscas de paso grueso: Su nombre viene dado por la mayor amplitud de cada estra con relacin a otros acabados. Este tipo de rosca no tiene mucha precisin, sin embargo su uso es amplio para aquellos trabajos que requieren de firmeza pero una unin menos estrecha, pues el macho y la hembra no estn unidas con gran exactitud.Roscas de paso fino: A diferencia de las anteriores ests estn hechas para trabajos de mayor precisin. Tales trabajos son la industria automotriz o vehicular como un ejemplo.Roscas de paso extrafino: Se utilizan cuando es requiero una precisin mayor, tal es el caso de uniones pequeas donde la tolerancia que se tiene es mnima.Roscas de Ocho Hilos: Llamada por el paso de ocho estras por pulgada de caa, estas roscas son normalmente usadas para tubera de agua o fluidos. Permite gran resistencia y evita la fuga de gases. Tambin debemos mencionar el Avance, que es la distancia longitudinal que hay entre un punto de un diente en un giro al adelantar. Se aprecian 3 tipos de avances distintos, c/uno con sus caractersticas nicas. Se aprecian a continuacin 3 avances, ya sea de 1 entrada, 2 entradas o 3 entradas, puestos respectivamente en la siguiente figura.

Continuamos con la clasificacin con el comentario de que a travs del sentido de giro, sea horario o anti horario tambin se puede seleccionar una rosca.2.2 Mecnica de los tornillos de transmisin de potenciaDefinicinSe define, como aquel dispositivo (metlico usualmente) que cambian movimientos angulares en lineales y, normalmente transmite potencia, ah su nombre. Estos tienen objetivos perfectamente definidos.Sea, para obtener una ventaja mecnica, lo podemos observar en los gatos del tipo de tornillo.Otro objetivo es, para cuando se necesitan ofrecer fuerzas de gran magnitud, el caso de las prensas.El micrmetro es otro caso, pues para obtener un posicionamiento preciso.Llegamos a la conclusin de que la funcin de un tornillo de transmisin es que ejercer gran fuerza con ventaja mecnica, es las roscas para otros elementos por lo tanto, son diferentes a las de tornillos de sujecin.Formas de rosca para tornillos de transmisinExisten diferentes formas de rosca, todas adaptadas a ciertas condiciones o trabajos.Rosca cuadrada, es muy eficiente en cuanto a friccin por deslizamiento se refiere, por otra parte la ventaja mecnica resultante es muy baja, es conveniente mencionar que son caros de maquinar.Rosca ACME, se debe mencionar como aquella utilizada por primera vez para maquinas herramientas.Rosca Trapezoidal, por su lado tiene mayor vida til debido a su raz de mayor espesor, su caracterstica le permite resistir cargas en una sola direccin. Rosca cuadrada modificada, sustituye a la cuadrada, pues es ms fcil de fabricar y tiene muchas de sus especificaciones particulares.ACME truncada, especial pues debido al tratamiento trmico que lleva necesita de un paso grande con una rosca menos profunda.Mencionamos que el perfil ACME trapezoidal es el ms usado. Ahora bien el tema es la mecnica de estos elementos, por lo tanto se usan dos hiptesis. La primera a traccin compresin del ncleo del tornillo y otra a torsin del mismo. Las reas a emplear en la resistencia son las tpicas para casos de traccin y torsin.Recordaremos algunos trminos comunes en mecnica que son la tensin pero ahora ser tractiva y la tensin cortante por la torsin representadas por los smbolos griegos. De y , respectivamente.

P es el peso, T es el par torsional y d es el dimetro.Calculo de fuerzas actuantes y pares de torsinPara tener las fuerzas impulsoras o llamados pares de torsin de tornillo de transmisin se debe observar la siguiente figura, all la carga se debe elevar o trasladar. Sabemos que el tornillo est apoyado en un collarn de friccin que soporta la carga, y a su vez, se produce el par de friccin. Este collarn por su parte tiene un dimetro externo llamado De y uno interno Di. Existen muchas perspectivas sobre las condiciones o los fenmenos que ocurren, sin embargo, la ms comn es que la friccin acta sobre toda la superficie de contacto. Otros suponen que esta se distribuye sobre el dimetro de paso de dp de la rosca.

Los tornillos de transmisin tienen rosca genrica trapezoidal con la particularidad del ngulo (este puede despreciarse) y ngulo de hlice . Debemos mencionar que este ngulo esta directamente ligado con el avance del tornillo, termino visto anteriormente. La siguiente expresin matemtica liga ambos conceptos.

Siendo dp el dimetro de paso, p el paso y m el nmero de entradas del tornillo. Para poder calcular la distancia axial recorrida por en No (las vueltas del tornillos).

Los siguientes planos, que son representaciones longitudinal y tangencial, expresar las fuerzas actuantes sobre la superficie de un punto del tornillo. Distribucin de fuerzas en el filete de un tornillo y su descomposicin vectorial, parecida a las perspectivas que hemos visto en los puntos de soldadura.

Los siguientes esquemas representan la D.C.L. para descenso y elevacin.

Mucha investigacin arrojo que existen dos posibles casos de transmisin. Para el primer caso, analizaremos el descenso de una carga W, cuya distribucin de cargas y D.C.L. visto en la figura de en medio. Para el caso de elevacin de la carga, es lgico pensar que este anlisis es para determinar P. Con la cual se pueda vences el momento torsor de TT que pueda vencer la friccin del collarn y la resistencia de friccin de la carga W en los filetes del tornillo. Ahora tendremos una representacin ms profunda.Caso 1 EL DESCENSO DE CARGATal como se ve en las figuras anteriores, se puede establecer el equilibrio de fuerzas en el plano tangencial, segn la Segunda ley de Newton.

Para el cual Pn que es la carga normal, R y C son los coeficientes de friccin de la rosca y el collarn. P es la carga a aplicar para generar el momento torsor TR de la rosca que junto con el momento torsor de friccin del collarn TC permiten obtener el momento torsor total TT, recordando nuevamente los ejercicios que hemos visto. Despus de haber concluido y haber obtenido el momento total. Pasamos, del equilibrio vertical se obtiene de la expresin para Pn:

Se hacen deducciones matemticas, pues sabemos que de la ecuacin de equilibrio horizontal se tiene P, y con la formula anterior se llega a la siguiente deduccin:

Para deducir los momentos torsores de las roscas y en collarn se establece lo siguiente:

El momento torsor total se da a partir de lo siguiente:

Siendo re el radio desde el eje del tornillo donde se reduce la accin de la fuerza de friccin. Este radio suele considerarse como el dimetro medio sobre la superficie del collarn, de ah nace la siguiente formula.

Una forma para encarar la friccin de forma ms completa es suponer que el peso esta en toda la superficie. Para determinar un punto tenemos lo siguiente.

Siendo dAc el rea diferencial del collarn y el momento de friccin se da con:

Las dos ecuaciones anteriores se comparan y se llega a que re es:

Para ambos casos, el punto es determinar re, pero al graficar se encuentran muchas diferencias.

Ahora bien, para que expresin con integrales es la ms completa y detallada.Por otro lado con la TT est en funcin de qn, que al despejar se observan el paraleleppedo, formado en la figura de los planos vectoriales vista al principio de este subtema.

Al hacer la sustitucin, se puede obtener el momento torsor en funcin de parmetros conocidos.Caso 2 ELEVACION DE CARGATal como en las figuras antes mencionadas se establece un equilibrio de fuerzas en un plano tangencial a la figura.

Con un plan similar al anterior que en anterior caso se pueden hallar Pn, P y el momento torsos por elevacin:

Se puede observar que son ecuaciones similares pero que los signos han cambiando.2.3 Eficiencia del tornilloSe define con la ecuacin de la eficiencia, que nos pone a la geometra del tornillo en funcin del coeficiente de friccin. Para las diferentes formas de rosca existen diferentes ecuaciones que nos dan una perspectiva ms exacta, sin embargo para una rosca cuadrada, = 0, y viene dado por:

Retomando el tema, recordemos que:Hp = TT Donde es la velocidad angular. Adems la eficiencia mecnica de un tornillo se define ms an como el trabajo mecnica entra sobre l sobre el trabajo mecnico que sale de l. Expresado de la siguiente forma.

Se define La como el avance del tornillo.Podemos mencionar los siguiente, cuando un tornillo de potencia con friccin en el collar cuando est levantando la carga, es igual a la razn del par elevar y el par.Eficiencia= T/T elevarSi la friccin en el collar es despreciable, resulta la siguiente ecuacin;

Concluyendo que la friccin entre los elementos que conforma todo el sistema es mucho ms complejo y produce muchos ms estragos de los que se cree.

2.4 Esfuerzos en los tornillosHemos venido observando bajo qu condiciones opera un tornillo de potencia. Pero los esfuerzo a los que son sometidos stos como los de sujecin abarcan un tema.Puede existir esfuerzo por aplastamiento, por pandeo, de corte y flexin de la rosca, traccin, compresin, combinado y velocidad critica de descenso.El esfuerzo por aplastamiento surge cuando la superficie de la rosca del tornillo y la superficie de la placa en contacto con la tuerca se abaten. La relacin para este esfuerzo es:

B = Presin por el aplastamiento W= la carga Dm = dimetro medio de la rosca del tornillo H = altura de la rosca n = nmero de cuerdas de contacto.Dadas algunas situaciones, combinacin de materiales en contacto, lubricacin, trabajo de friccin proporcional al producto de la presin de contacto y velocidad de deslizamiento. Se tiene la siguiente tabla para Presiones de diseo por aplastamiento.

El esfuerzo por pandeo es cuando se ejerce una carga axial por compresin y la longitud no soportada sobre un pandeo, siendo que es sometido a compresin simple, se tiene que por Euler y columnas:Euler (columna esbelta) Johnson (columnas cortas) Cargas excntricas

Para todos los casos se le considerar: Y los clculos se realizarn utilizando el rea de raz del tornillo A= ArA los efectos de un primer anlisis se puede decir que:Si entonces se realizar el clculo de columnaSi es mismoEsfuerzo de corte y flexin de la roscaTras saber que una viga corta con carga en un extremo en Dr. Y la carga W se supone uniformemente repartida en el dimetro medio del tornillo (es decir, que la carga W acta a la mitad de la altura h de la rosca).

En la primer par de figuras apreciamos, la seccin transversal de la rosca desarrollada en la raz es un rectngulo de profundidad b y de ancho dmn que se considera como viga.Es un momento flector para la viga cantilver:

Ecuacin del esfuerzo flexionante

Sustituyendo queda (esfuerzo de flexin mxima)

Tanto tornillos y tuercas sufren esfuerzo cortante. Para seccin transversal el esfuerzo por corte es:

Para la tuerca: Esfuerzo de traccin o compresin, en los tornillos de potencia, se usa el clculo del esfuerzo de tensin o de compresin con el rea del esfuerzo de tensin (Ar)

Esfuerzo combinatorio, sucede comnmente cuando el tornillo se corta a travs de la longitud del mismo, de tal manera que pueda ser ignorada la accin de la columna, el tornillo deber tratrsele como miembro a compresin sometido a carga biaxial.

Con Algunas veces se presenta lo que muchos llaman velocidad crtica de descenso, si el tornillo esta horizontal o verticalmente, lgicamente es seguro que gire por debajo de su velocidad crtica para evitar la vibracin y entonces la falla. Las velocidades como ejemplo, quedan en la siguiente tabla.

Para los esfuerzos en tornillera de sujecin se marca lo siguiente:Esfuerzo cortante en las roscas: un modo de falla posible por cortante implica que las roscas, ya sea de la tuerca o del tornillo, se barran (destruyan). Cul de estos escenarios ocurrir depender de las resistencias relativas del material de la tuerca o del tornillo. El rea cortante de barrido As para una rosca de tornillo es el rea del cilindro de su dimetro menor dr : As= dr wi p,Donde p es el paso de la rosca y wi es un factor que define el porcentaje del paso ocupado por metal en el dimetro menor.Esfuerzo cortante en las roscas: en el caso de la rosca de tuerca, que se barre en su dimetro mayor d, el rea del cortante de barrido As para una rosca de tornillo es : As= d wo p,Donde wo es un factor que define el porcentaje del paso ocupado por metal en el dimetro mayor. El esfuerzo cortante para el barrido de roscas se determina a partir de:

Longitud mnima de la tuerca, si la tuerca tiene suficiente longitud, la carga requerida para barrer las tuercas ser superior a la carga necesaria para que falle el tornillo a tensin. Para cualquier rosca ISO /UNS o roscas ACME de d1 in, una longitud de tuerca de 0.5 d tendr una longitud de barrido mayor a la resistencia a tensin de un tornillo. Esfuerzo a torsin en las roscas: al apretar una tuerca en un tornillo o cuando se transmite un par de torsin a travs de un tornillo de potencia, en el tornillo se puede desarrollar un esfuerzo a torsin. La transmisin del par de torsin al tornillo depende de la flexin en la interfaz entre tornillo y tuerca (lubricado o oxidado). Si la tuerca est oxidada y sujeta al tornillo, entonces el par de torsin aplicado torcer el tornillo y el perno puede llegar a cortarse El par de torsin aplicado total correspondiente al esfuerzo a torsin en una seccin redonda est dada por la siguiente ecuacin, en este clculo deber utilizarse el dimetro menor dr de la rosca:

Donde T es el par torsional, r el radio de aplicacin y J el momento polar de inercia de la seccin.2.5 Otros tipos de tornillosLa variedad de tornillos y elementos mecnicos con similares caractersticas o trabajos a fines iguales (que por ello se les considere tornillos) es muy grande. Hasta ahora hemos visto superficies de contacto metlicas, pero estas pueden ser plsticas o de madera (ms comn).La tornillera destinada a cumplir la unin de elementos hechos de madera es muy amplia y goza de caractersticas nicas que le permite cumplir con su trabajo. Algunos reciben el nombre de tirafondo para madera, su tamao y calidad est regulado por la Norma DIN-97, tienen una rosca que ocupa 3/4 de la longitud de la espiga. Pueden ser de acero dulce, inoxidable, latn, cobre, bronce, aluminio y pueden estar galvanizados, niquelados, etc.Este tipo de tornillo se estrecha en la punta como una forma de ir abriendo camino a medida que se inserta para facilitar el auto roscado, porque no es necesario hacer un agujero previo, el filete es afilado y cortante. Normalmente se atornillan con destornillador elctrico o manual. Sus cabezas pueden ser planas, ovales o redondeadas; cada cual cumplir una funcin especfica.Cabeza plana, se usa en carpintera, en general, en donde es necesario dejar la cabeza del tornillo sumergida o a ras con la superficie.Cabeza oval, la porcin inferior de la cabeza tiene una forma que le permite hundirse en la superficie y dejar sobresaliendo slo la parte superior redondeada. Son ms fciles para sacar y tienen mejor presentacin que los de cabeza plana. Se usan para fijacin de elementos metlicos, como herramientas o chapas de picaportes.Cabeza redondeada, se usa para fijar piezas demasiado delgadas como para permitir que el tornillo se hunda en ellas; tambin para unir partes que requerirn arandelas. En general se emplean para funciones similares a los de cabeza oval, pero en agujeros sin avellanar. Este tipo de tornillo resulta muy fcil de remover.Los diferentes tipos de cabeza pueden tener:Cabeza fresada (ranura recta), tienen las ranuras rectas tradicionales.Cabeza Phillips, tienen ranuras en forma de cruz para minimizar la posibilidad de que el destornillador se deslice.Cabeza tipo Allen, con un hueco hexagonal, para encajar una llave Allen.Cabeza Torx, con un hueco en la cabeza en forma de estrella de diseo exclusivo Torx.Las caractersticas que definen a los tornillos de madera son: Tipo de cabeza, material constituyente, dimetro de la caa y longitud. No profundizaremos mucho en el tema, pero cabe destacar que esta tornillera debido a que est destinada a una actividad comercial tan amplia, pues su campo de estudio es sumamente amplio como en la tornillera comn.El tornillo de hombro tiene la particular caracterstica de tiene una amplia zona sin rosca, y es usado para partes que requieran unin pero que exista una gran separacin entre ambas. A diferencia de los dems tornillos normalmente la referencia para dimensiones es el dimetro del cilindro y no la rosca. Entre los diferentes tipos de cabezas y ajustes tenemos el Hexagonal, Phillips o Cruz, Plano y el Compatible con llaves Torx. Este tambin es llamado perno, Con la popularizacin de la venta de muebles desmontados para su ensamblaje por el usuario, se han investigado nuevos mecanismos que facilitan el montaje. El perno, con caja excntrica es un mecanismo que permite una fuerte sujecin en muebles de aglomerado de madera sin necesidad de herramientas especializadas, requiriendo slo un destornillador o llave Allen.[]Para su montaje, el perno se introduce manualmente en la pieza con la rosca. La caja excntrica se encaja en un orificio de la otra pieza. Al superponer ambas piezas y enroscar la excntrica, las piezas quedan fuertemente sujetas.[]Tornillos de miniatura, con el desarrollo de componentes electrnicos cada vez ms pequeos ha sido necesario desarrollar y fabricar tornillera especialmente pequea, este tipo de tornillos se caracteriza por ser autorroscante en materias blandas tales como plsticos, y su cabeza es adaptada para ser accionados por destornilladores muy pequeos y de precisin, el material de estos tornillos puede ser de acero inoxidable, acero normal o latn.Tornillos inviolables, son un tipo de tornillera especial que una vez atornillados en el lugar correspondiente ya es imposible quitarlos, a menos que se fuercen y rompan. Esto es gracias al diseo que tiene la cabeza que es inclinada en su interior, de forma tal que si se intenta aflojar sale la llave sin conseguirlo. Son tornillos llamados antivandlicos y son muy utilizados en trabajos de cerrajera que van con acceso a las calles o lugares donde pudiesen actuar personas malintencionadas. Al igual que se fabrican tornillos inviolables tambin se fabrican tuercas inviolables. Las normas de estos tornillos de rosca mtrica corresponden a la ISO-7380 y ISO-7991 y se fabrican con cabeza Allen y con cabeza Torx.[8]Tambin se utilizan algunos a los que se les acopla un sello a la cabeza, impidiendo introducir una llave para aflojarlo. Estos tornillos se venden con su tapa correspondiente, y suelen ser para llave Allen. Como solucin temporal o improvisada, se pueden introducir a golpe de martillo unos plomitos redondos de pesca en el mismo lugar.Los tornillos de Gorra o Corona (Cap Screw) son aquellos en los que es necesario utilizar un desarmador de tuerca para ajustar. Sus variaciones principales son de Cabeza Regular, Cabeza Alta o Alargada, Cabeza Perforada, con Base de 6 o 12 Puntos, con Base Dentada y los de Base con Sello Las aplicaciones de cabeza perforada son normalmente donde se requiere mantener el tornillo en una posicin segura todo el tiempo y depende de la serie de tornillos utilizados; para esto el usuario se apoya en alambres de seguridad que mantendrn al tornillo en la posicin deseada ya que para ajustar/desajustar alguno de ellos ser necesario ajustar los otros tornillos de la serie.El buln, se utiliza para denominar tornillos de tamao relativamente grande, con rosca solo en la parte extrema de su cuerpo, utilizados en obras de ingeniera, maquinaria pesada, vas frreas, etctera. Normalmente se disponen con la correspondiente arandela, que suele ser de presin, y se manipulan mediante llaves especiales. Los motores alternativos de combustin interna poseen bulones que se realizan en acero templado mediante forja, aunque hay motores de competicin con bielas de titanio o aluminio, realizadas por operaciones de arranque de material.Un pasador es un elemento de fijacin mecnica desmontable, de forma cilndrica o cnica, cuyos extremos pueden variar en funcin de la aplicacin. Se emplea para la fijacin de varias piezas a travs de un orificio comn, impidiendo el movimiento relativo entre ellas. El empleo de estos sistemas de fijacin es de gran uso en mquinas industriales y productos comerciales; como dispositivos de cierre, posicionado de los elementos, pivotes, etc.Entre otra serie de materiales, se fabrican principalmente de acero, ya que por su alta resistencia y por la gran variedad de aceros disponibles, permite que puedan usarse en condiciones muy dispares de esfuerzos, corrosin, etc. Los fabricados con latn son muy utilizados por su bajo coste de fabricacin, y los de madera son muy utilizados en aplicaciones en las cuales las piezas a unir son de madera, por ejemplo en muebles. Estn diseados para soportar esfuerzos cortantes, endurecindolos para resistir lo mximo posible, an as, son diseados para que se rompan antes de que las piezas del ensamblaje se daen.Adems de su bajo coste, presentan la ventaja de ser una unin mecnica fcilmente desmontable, sin embargo en ocasiones es necesario realizar diversos procesos de preparacin del agujero, para obtener una insercin adecuada.Existe una gran variedad de tipos y tamaos estndar de pasadores disponibles, adems de diseos especiales para ciertas aplicaciones, con amplio uso en todos los ramos industriales y que nos permiten desde la precisin hasta la fortaleza de un sistema al elegir un tornillo.

2.4 Materiales para tornillosPara la elaboracin de los tornillos se usan infinidad de materiales que permitan cumplir su cometido, ya sea por las condiciones a las que ser expuesto o por la reduccin de costos en su fabricacin y mismo rendimiento. Es posible que algunos materiales se puedan fabricar, sin embargo debido al alto costo de la materia prima y al bajo o limitado uso no representa un costo beneficio aceptable para los fabricantes de tornillera y no lo presentan como una opcin comercial; sin embargo existen en el mercado talleres o fbricas que pudieran en un momento dado disear y producir una pieza especifica si el cliente est dispuesto a absorber el costo de fabricacin que represente. El listado de materiales que se presenta a continuacin es una referencia que incluye las principales caractersticas, se nombra en orden alfabtico para evitar confusiones respecto a las ventajas/desventajas que cada material representa. El material a utilizar deber ser seleccionado en base a la aplicacin por el usuario final. Acero. En su aleacin bsica se incluye el Hierro y el Carbono, sin embargo existen diferentes tipos de aleaciones que dan lugar a los diferentes nombres que a su vez estn basados en diferentes caractersticas. Es un material muy tenaz en algunas aleaciones especialmente para herramientas. Permite una buena mecanizacin de partes antes de recibir tratamientos trmicos. La dureza de los aceros vara entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleacin u otros procedimientos trmicos o qumicos entre los cuales quiz el ms conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un ncleo tenaz en la pieza que evite fracturas frgiles. El Acero tambin posee una alta conductividad. La mayor desventaja del Acero es que se oxida con extrema facilidad. Acero Inoxidable. Esta es una aleacin que contiene un porcentaje de Cromo lo cual le da la caracterstica de hacerlo resistente a la oxidacin. Es importante mencionar que el Acero inoxidable no es un revestimiento protector a la oxidacin y que es nicamente ms resistente a la oxidacin que otros aceros. El monto de Cromo utilizado genera una proteccin pasiva de Oxido de Cromo que previene que la corrosin avance y/o se distribuya dentro de la estructura de la parte. Algunos tipos de Acero Inoxidable usados en tornillera son: 18-8 Que proporciona excelente resistencia a la corrosin y puede llegar a ser medianamente magntico. 300 Que cumple con especificaciones ms estrictas y es normalmente usado para aplicaciones militares. 316 Proporciona mejor resistencia a la oxidacin que el tipo 18-8. Debido a su aleacin con Molibdeno proporciona mejor resistencia en ambientes marinos. Aluminio. Es un elemento qumico encontrado en la corteza terrestre. Ofrece buena resistencia a la corrosin ocasionada por el medio ambiente, es no magntico y ofrece la dureza del acero con la caracterstica de que pesa aproximadamente una tercera parte. No obstante el aluminio puede mejorar su resistencia mecnica cuando se utiliza en aleaciones. Es un buen conductor de electricidad. Aramid. Un tipo de fibra resistente a humedad, vapor, grasas, qumicos, cidos, alcaloides, ambientes marinos y detergentes. Bronce. La aleacin de Cobre normalmente con Estao sin embargo existen aleaciones con Fsforo, Manganeso Aluminio o Silicn. Tienen algunas ventajas anticorrosivas frente al acero, pero una desventaja es que puede llegar a pesar hasta un 10% ms. El bronce puede ser una buena eleccin para resortes y/o como conductores de energa o calor. Las aleaciones de Bronce-Silicn son no magnticas y ofrece una excelente conduccin trmica. Buna-N. Excelente resistencia contra impacto y usado en sellos de uso general. Cermica. Usado cuando las piezas de metal no son una opcin para nuestras aplicaciones. Sometido a altas temperaturas no se derrite, no hay corrosin y es un excelente insulador magntico y elctrico. Cuero. Ayuda a evitar que piezas con friccin queden pegadas o que se derritan. Fibra de Vidrio. Extraordinaria fuerza respecto a su peso. Usado para evitar conduccin elctrica y trmica. Fieltro. Excelente para usarse como insulacin, inclusive es utilizado para lubricar cuando es sumergido en aceites. Kapton. Material no metlico con buenas propiedades de fuerza tensora. No se desintegra, rompe o quiebra bajo altas cargas. Excelente para usos de insulacin elctrica.Latn. Es una aleacin de Cobre y Zinc en la cual las proporciones pueden variar para crear diferentes variedades, a pesar de la diferencia de aleaciones algunos tipos de latn son llamados Bronce y consideran el Latn como un substituto. Es un material suave y no magntico. Ideal para aplicaciones de baja friccin, vlvulas, plomera y aplicaciones elctricas. Monel. Una aleacin de Nquel Cobre con excelentes propiedades de dureza y resistente a oxidacin. Una buena opcin para usar en ambientes marinos.Neopreno. Ofrece amortiguamiento y se usa para partes que reciben alto impacto o que estn expuestas a vibraciones. Es resistente al Ozono y Clima en general. Resistente al fuego y aceites. Nylon. Es un termoplstico sedoso usado ampliamente con fines comerciales, con mayor frecuencia posterior a la segunda guerra mundial cuando la seda comenz a escasear . Se pretenda que fuera un reemplazo para la seda y fue usado por primera vez en paracadas y diferentes tipos de llantas. En su versin 6/6 el Nylon ofrece alta resistencia a qumicos y solventes al igual que una alta resistencia a variaciones de temperaturas. Una aleacin de Nylon-Fibra de Vidrio ser mucha ms fuerte y resistente que el Nylon por s solo. Titanio. Un elemento tan fuerte como el Acero pero 60% ms ligero. Resiste ambientes marinos (Agua salada) ms diversos qumicos incluyendo cloros-cidos. Se pueden realizar aleaciones con Aluminio, Vanadio y Molibdeno para producir materiales ms ligeros pero a la vez ms resistentes utilizados todo tipo de industria, principalmente la Aeroespacial, Medica y Automotriz. Viton. Uno de los mejores materiales utilizados para gasolina y aceites, al igual que ofrece alta resistencia a qumicos.Aun hechos de materiales normalmente resistentes a las condiciones ambientales las diferentes partes de tornillera se ofrecen con diversos acabados que mejoran el desempeo contra la oxidacin.Platinado de Zinc. Que ofrece una buena resistencia a la oxidacin. Platinado de Cadmio. Que es altamente utilizado en ambientes donde la proteccin contra oxidacin es esencial. Galvanizado. Proporciona una mejor proteccin que el platinado de Zinc debido a que en este caso la capa es ms gruesa. Platinado Nquel. Es un acabado brilloso utilizado igualmente contra oxidacin. Cubierta Negra. Ofrece adems de la resistencia a la oxidacin cualidades de lubricacin. Cubierta Azul. Hace los componentes fciles de diferenciar entre medidas mtricas e imperiales adems de la proteccin anticorrosiva.Y la diversidad aumenta debido a nuevas condiciones o especificaciones ms completas de trabajo que nos permiten seleccionar materiales de manera ms especfica para cada condicin de trabajo.2.7 Resistencia de la UninPara que la unin con tornillo se lleve a cabo y esta tenga cierta rigidez, se apoya en arandelas (rondanas), tuercas, y otros elementos que permiten en un conjunto hacer que una unin sea confiable.Para entenderlo de una manera ms concisa anexe la informacin sobre modos de fallo en uniones. Las siguientes son las formas ms comunes.a) La unin podra fallar por agotamiento del material de las chapas a unir en las paredes del taladro efectuado para alojar el tornillo. La resistencia frente al aplastamiento se expresa en funcin de la tensin de rotura del acero de las chapas a unir y no de la tensin del limite elstico, debido a la existencia inevitable de valores altos en las deformaciones locales que hacen trabajar el material a tensiones ms all del limite elstico.

b) Tambin se tiene que comprobar frente a cortadura, que este esfuerzo se produce cuando, en el vstago, las chapas unidas tratan de deslizar una con respecto a la otra.

c) En una unin atornillada con los tornillos trabajando normalmente a su eje (por cortadura y aplastamiento) es preciso comprobar las piezas a unir cuando estn sometidas a traccin, ya que los taladros son un debilitamiento que, si es excesivo, puede llevar a la rotura de la pieza por desgarramiento.

d) En las uniones donde existen esfuerzos de traccin en la direccin del eje del tornillo, se tiene que comprobar la resistencia del tornillo, que depende, como es lgico, de la resistencia de clculo del tornillo y de su rea.

e) Si la unin trabaja a traccin y a cortante, es necesario comprobar que no falle bajo esta solicitacin combinada.

f) En los tornillos de alta resistencia pretensados. Frente a cargas perpendiculares al eje de los tornillos la unin resiste mediante el rozamiento entre chapas favorecido por el esfuerzo de pretensado. Cuando la carga perpendicular alcanza el valor de la resistencia por rozamiento, la unin desliza hasta que el vstago del tornillo entra en contacto con las paredes del taladro. A partir de este momento, la parte de las fuerzas exteriores no absorbidas por el rozamiento debern serlo por el tornillo de alta resistencia trabajando a cortadura y aplastamiento.

Ahora por clasificacin atenderemos las categoras que existen para al final abordar c/una de las resistencias.

En la EAE y el EC3 las uniones atornilladas se clasifican, en funcin de la manera de trabajar de los tornillos, en cinco categoras (en el CTE no se explicita esta clasificacin). Cada una de estas categoras precisa de unas comprobaciones determinadas.

Si los tornillos estn solicitados en direccin normal a su eje (cortante) tenemos:

Categora A: Trabajan a cortadura y aplastamiento. Para uniones de esta categora se permiten tornillos de cualquier calidad, incluso de alta resistencia sin pretensar o pretensados pero sin controlar su par de apriete.

Categora B: Resistentes al deslizamiento en E.L.S. En esta categora se utilizaran tornillos de alta resistencia pretensados con un apretado controlado.

Categora C: resistentes al deslizamiento en E.L.U.En el caso de tornillos solicitados segn la direccin de su eje (traccin), tenemos:

Categora D: Uniones con tornillos sin pretensar. Para esta categora se utilizaran tornillos ordinarios o de alta resistencia, aunque no se requiere pretensado.

Categora E: Uniones con tornillos pretensados de alta resistencia. Se utilizaran solo tornillos de alta resistencia con apretado controlado.

Ahora si abordaremos el subtema.Resistencia Cortante.Dada por la siguiente formula. Donde, v = 0.5. En la EAE v = y en el CTE siempre toma el valor 0.5 sin excepcionesf ub = resistencia a traccin del tornillo.A s = es el rea resistente del vstago del tornillo, en el caso que ningn plano de corte pase por la zona roscada del tornillo se considera A (rea del vstago del tornillo).n = nmero de planos de corte. M 2 = 1.25 (coeficiente parcial de seguridad).Resistencia al aplastamiento de la chapa.

Donde: CTE siempre toma el valor de 2.5 fu = a la resistencia ltima del acero de la chapa.d= dimetro del vstago del tornillot= menor espesor de las chapas,

Resistencia al deslizamiento

Donde:k = factor que depende del tipo de agujeros que se utilicen, si son estndar se toma igual a 1.0n = nmero de posibles planos de desplazamiento = coeficiente de rozamiento, su valor oscila entre 0.5 y 0.2, en funcin del estado de las superficies de contactoFpcd= 0.7*f ub As / m7 = fuerza de pretensado; en la EAE varia la notacin, Fpcd =N, y en el CTE se sustituye f ub por f yb= fub/m7.M3 g = coeficiente parcial de seguridad que toma el valor de 1.1 en general o 1.25 en uniones hbridas o en uniones sometidas a fatiga.

Resistencia a traccin

Donde: k2 = 0.9 para tornillos sin cabeza avellanada

Resistencia por punzo amiento

Donde: d m = el menor dimetro medio entre los crculos circunscrito e inscrito a la tuerca o a la cabezat p = espesor de la chapa

2.8 Rigidez en la unin

Hemos visto que la resistencia de materiales, all la rigidez axial para una barra de longitud L, rea A y mdulo de elasticidad E se obtiene como:

En caso de que la barra tuviese segmentos de diferentes longitudes, la rigidez global sera:

Entonces para unos tornillos de rosca mtrica la constante de rigidez se calcula como, (nota: recordemos algunos conceptos vistos durante la carrera).

Siendo de y dr los dimetros de la cresta y la raz del tornillos. Lt es la longitud roscada y se calcula como:

Siendo L la longitud total del perno cualquiera que fuese su configuracin:L= LS + Lt

Entonces para calcular la rigidez de la junta se recurre a un metodologa, segn en ella se considera una regin troncocnica para afectar al clculo de la rigidez.

Se determina la variacin del desplazamiento y luego se integra en el dominio trococnico de una parte para as obtener Kmi. Todo representado en las siguientes ecuaciones:

Donde D es el dimetro base del tronco cnico y d es el dimetro del agujero por donde pasar el buln. Luego pues la rigidez global la obtenemos despus de Kmi empleando la siguiente formular que nos recuerda a las anteriores.

Se debe tener presente que esta metodologa para obtener km es til para calculo con calculadora, sin embargo es muy dependiente del ngulo del tronco de cono. En las investigaciones de Mishke (autor de este mtodo) sugiere que = 30. Apreciado la prueba que corrobora el mtodo presentado. Se comparan las ideas y se obtiene la siguiente grfica.

ConclusinHemos podido observar mediante la realizacin de este trabajo y la reunin de informacin lo compleja y extensa que es la seleccin de los tornillos adecuados ya sea para potencia o sujecin en la mecnica. Lo aprendido en anteriores cursos me dio una perspectiva ms sencilla sobre lo que se estaba desarrollando en cada formula y sin embargo, supongo que todava no estamos preparados, se necesitan ms estudio y una compresin ms exhaustiva del tema.Lo que puedo mencionar, por otro lado, es que los tipos de rosca y su orden, los tornillos de transmisin y la eficiencia del mismo eran desconocido, al menos de una manera tan profunda como la que se abordo durante este trabajo, quedando a deber algunos temas ms complejos que sin duda estudiar o tendr la necesidad de analiza posteriormente.Para los esfuerzos en tornillos, pues ya tenamos el precedente pero no haba aterrizado o al menos comprendido el tema como hasta ahora. Igual el tema de Resistencia en la unin supongo que esta muy relacionado con lo que hemos venido realizando desde que inicio el curso y fue por ello la parte ms fresca y sencilla.En cuanto a la rigidez, tengo aun mis dudas sobre el tema pero tendr la oportunidad durante este tiempo para analizarlo con ms detenimiento y revisar las diferentes metodologas existentes. Eso es todo.

Fuentes de informacinhttp://www.fing.edu.uy/iimpi/academica/grado/elemmaq/teorico/TornilloDePotencia2007.PDF J.E. Shigley y C.R. Mischke, Diseo en Ingeniera Mecnica, McGraw Hill 2002. B.J. Hamrock, B. Jacobson y S.R. Schmid, Elementos de Mquinas, McGraw Hill 2000. ]

R.L. Norton, Diseo de maquinaria, McGraw Hill 2000.

http://es.wikipedia.org/wiki/Tornillohttp://www2.ula.ve/dsiaportal/dmdocuments/elementos/TORNILLOS.pdf

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