UNIDAD II. Diseo De Tornillos, Sujetadores Y Uniones
UNIDAD II. Diseo De Tornillos, Sujetadores Y Uniones Objetivo
Analizar y disear uniones mecnicas con elementos convencionales
(tornillos, sujetadores y soldadura, etc.)
TornillosSon elementos con filetes enrollados en forma de hlice
sobre una superficie cilndricaMuy utilizados en las
mquinasTornillos o pernos de unin sirven para unir o asegurar dos o
ms piezas
TornillosTornillos de potencia(o de transmisin)Transmiten
potencia convirtiendo giro en translacin
Mtodos de unin Uniones permanentes.
Mtodos de unin Semi-permanentes
Mtodos de unin Semi-permanentes
Mtodos de unin
Algunas aplicaciones
Algunas aplicaciones
Nomenclatura de las roscas
Avance y nmero de entradas Nmero de entradas (nmero de hlices)
Simple (1 entrada) Mltiple (2 o ms entradas): montaje rpido; se
afloja fcilmente; rara vez se usa Avance (l): distancia recorrida
por la tuerca
Roscas externas, internas, derechas e izquierdasExternas:
tornillosInternas: tuercasDerechas: ms usadas
Series de roscas estndar UNSRosca basta (UNC):paso grande; fcil
montaje y desmontaje; se usan en roscas de materiales blandos y
frgilesRosca fina (UNF):menor paso; usado cuando hay vibraciones
(ej. vehculos y aeronaves)Rosca extrafina (UNFE):paso muy pequeo;
usado para grandes vibraciones (ej. aeronaves) y para roscas en
piezas de pared delgada
Dimensiones de roscas UNS
Dimensiones de roscas UNS
Dimensiones de roscas mtricas
AjustesPara obtener ajustes para diferentes aplicaciones, las
normas UNS e ISO contemplan diferentes tolerancias para las roscas.
Las roscas UNS tienen tres clases de ajustes:1A, 1B. Los ajustes
clase 1 son aquellos en que las tolerancias son grandes. Se
utilizan para reducir los costos en aplicaciones domsticas, donde
no se requiera precisin. Permiten un montaje y desmontaje rpido y
fcil.2A, 2B. Las tolerancias de estos ajustes son ms pequeas, lo
que permite obtener una mejor precisin. Son las ms utilizadas para
maquinaria.3A, 3B. El ajuste clase 3 es un ajuste fino de juego
nulo. Se utilizan slo para cumplir requisitos de exactitud.
A:denota rosca externa. B:denota rosca interna.
DesignacinRosca UNS
Rosca mtrica
La M indica que la rosca es mtrica. Tiene un dimetro mayor
(nominal) de 12 mm y un paso de 1.75 mm (esta es una rosca mtrica
basta).Resistencia de los pernosEl diseo de pernos se basa en la
resistencia lmite a la traccin, Sp.Sp: mximo esfuerzo que puede
soportar el perno sin experimentar deformacin permanente. Las
resistencias y caractersticas del material (de acero) de los
pernos, se especifican de acuerdo con clases o grados, los cuales
han sido definidos por la SAE, ASTM e ISO.
Resistencia de los pernosLos grados y clases de los pernos se
pueden distinguir de acuerdo con las marcas en la cabezaMarcas en
las cabezas de los pernos para los diferentes grados SAE
Resistencia de los pernosMarcas en las cabezas de los pernos
mtricos para diferentes clases
Resistencia de los pernos
Resistencia de los pernosEspecificaciones SAE para pernos UNS de
acero
Resistencia de los pernosEspecificaciones para pernos mtricos de
acero.
Descripcin del perno
Descripcin del perno
Anlisis elstico de tornillos de unin la precarga
En la figura se muestra una tubera unida mediante bridas y
pernos, en la cual usa una empaquetadura para evitar fugas.
Anlisis elstico de tornillos de unin. la precarga Debido a la
presin interna en la tubera, se genera una fuerza que trata de
separar las bridas, la cual se reparte entre los pernos; la fuerza
que le corresponde a cada uno de ellos se denomina fuerza externa,
Fe, y est dada por
Donde nb es el nmero de pernos y FeT es la fuerza total que
trata de separar las bridas Anlisis elstico de tornillos de unin.
la precarga
donde Fb es la fuerza de traccin en el perno.Fc es la fuerza en
las partes a unir Anlisis elstico de tornillos de unin. la precarga
donde se muestra el ensamble tornillo y junta como si se tratara de
dos resortes.
Para representar la junta un resorte a compresin de constante kb
y para representar el tornillo otro resorte a extensin de constante
km. Anlisis elstico de tornillos de unin. la precarga
Fuerzas y deformaciones en una junta La constante k se denomina
constante elstica, ya que es la relacin entre la fuerza y la
deformacin, como ocurre con la constante de un resorte.
Fuerzas y deformaciones en una junta Las ecuaciones indican que
la relacin entre la fuerza y la deformacin es lineal, tal como se
muestra en la figura.
Fuerzas y deformaciones en una junta
Mnima fuerza de apriete para evitar separacin de la junta Fo es
la fuerza externa con la que se obtiene separacin de partes,
entonces Fe debe ser menor que Fo. Definimos Fo = Nsep Fe, donde
Nsep > 1 es un factor de seguridad con respecto a la separacin
de partes
1.5 < Nsep < 2
Fuerza total en el perno Esta es la fuerza mxima o total sobre
el perno despus de apretar y aplicar la fuerza externa
Clculo de la constante elstica de la junta, kc (rigidez)
siendo Eci y Lci el mdulo de elasticidad y la longitud,
respectivamente, de la parte nmero i Clculo de la constante elstica
de la junta, kc (rigidez)En la ecuacin anterior es adecuada cuando
el rea de las partes a unir es lo suficientemente pequea, como para
que la compresin sobre ellas sea relativamente uniforme
Clculo de la constante elstica de la junta, kc (rigidez)Cuando
el rea de las partes a unir es muy grande, la compresin sobre ellas
acta slo en cierta zona cercana al tornillo
Clculo de la constante elstica de la junta, kc (rigidez)Para
determinar ecuaciones para la constante elstica de las partes a
unir, se han realizado varios estudios con el mtodo de elementos
finitos
Clculo de la constante elstica de la junta, kc (rigidez)
Clculo de la constante elstica del perno, kb
Par de apriete (Traccin inicial conocida ) Con el fin de lograr
que el perno adquiera determinada fuerza inicial, debe calcularse
un par de apriete
donde Fi es la fuerza inicial, d es el dimetro mayor del perno y
Ki es el coeficiente de par de torsin.
Esfuerzo de apriete Es prctica comn que los pernos tengan una
gran precarga. El esfuerzo de traccin que se obtiene en el apriete
es muy cercano a la resistencia lmite del material, Sp.
Traccin inicial desconocida
La fuerza de apriete ser desconocida, si durante el apriete el
par no se controla.
Como la traccin inicial es desconocida, no se puede calcular la
fuerza total en el perno y, por lo tanto, el diseo consistir en
escoger empricamente un dimetro adecuado Traccin inicial
desconocida
Resistencia del perno
donde NF es el factor de seguridad calculado considerando slo el
efecto de traccin y Ns es el factor de seguridad calculado
considerando slo el esfuerzo cortante
Problema 1:Un perno 3/4 -16 UNF X 2 in SAE grado 5 esta sometido
a una carga Fe de 6 Kip en una unin a tensin. La tensin inicial es
Fi =25Kip. La rigidez del perno y la unin son: kb =6.5 y Kc =13.8M
Lb/ina)Determine los esfuerzos de precarga y del pernob)Especifique
el par de torsin necesario para desarrollar la precarga el perno no
esta lubricadoProblema 2:Determinar un dimetro adecuado para los
pernos UNF de la junta mostrada, la cual est sometida a cargas
estticas y debe ser montada y desmontada con cierta frecuencia.
a)Calcular la fuerza inicial y tambin el par de torsin de apriete
el perno no esta lubricado. b)Calcular el factor de seguridad del
perno Problema 2:
