SISTEMAS DE SUJECIN NO PERMANENTESTORNILLOS Y PERNOS

ROSCAS Una rosca es una hlice que al ser girada hace que el tornillo avance

sobre una pieza de trabajo o tuerca.

Las roscas pueden ser externar como tornillos o internas como tuercas.

Las rocas pueden ser usadas para sujecin, o transporte de cargas (Tornillos de potencia).

Existen diversos tipos de roscas, los mas comunes son: Estndar Ingls (USA): UNS

Estndar Internacional: ISO

SISTEMAS DE ROSCAS

Se distinguen dos principales Sistemas:

El sistema UN (Ingls) se distinguen 3 tipos de paso:

Paso Basto o Burdo (UNC)

Paso Fino (UNF)

Paso Extrafino: (UNEF)

En el sistema internacional (Mtrico) se definen dos:

Paso Burdo

Paso Fino

NOMENCLATURA

En el sistema UNS roscas se especifican dando el dimetro nominal de la rosca, seguida del recproco del paso, el smbolo de tipo de rosca (burda, fina, extrafina), y la tolerancia o ajuste de la misma.

-13 UNC -2A

Para el sistema ISO se especifica el dimetro nominal de la rosca precedida de la letra M, y seguido del paso.

M8-1.25 En ambos sistemas se utilizan roscas derechas, a menos de

que se especifique lo contrario adicionando las letras LH.

ROSCAS ESTNDAR UNS

ROSCAS ESTNDAR ISO

REA DE TENSIN

Se define el rea de tensin como el rea efectiva para el clculo del esfuerzo de tensin al que estar sometido una rosca al ser cargada axialmente.

En teora el rea de tensin sera la calculada con el dimetro de raz de la rosca, pero a travs de ensayos se obtuvo que el rea de tensin viene dada por la formula:

2

4 2

p r

t

d dA

Donde dr es el dimetro de raz y dp es el dimetro de paso de la rosca y para cada uno de los sistemas se calculan:

0.649519 1.299038

0.649519 1.226869

p r

p r

d d d d UNSN N

d d p d d p ISO

ROSCAS ESTNDAR ISO

SUJETADORES ROSCADOS

Los sujetadores roscados son elementos mecnicos usados para mantener unidas piezas de manera NO PERMANENTE, manteniendo la integridad funcional y dimensional de los elementos unidos.

Pueden soportar cargas de tensin o cortante.

Al igual que las roscas hay distintos estndares como ANSI (Ingls) e ISO (Internacional).

1SHCS -13UNC 2.0

2

SUJETADORES ROSCADOS

Los sujetadores roscados se pueden clasificar segn su intencin de uso:

PERNO

Si el sujetador es compuesto por el tornillo, arandelas y tuercas con las que se sujetan dos o mas piezas.

TORNILLO

Si el sujetador es usado para sujetar dos o mas piezas, pero una de ellas posee un agujero roscado. Es igual al perno.

ESPARRAGO

Es un perno sin cabeza y con rosca en ambos extremos.

SUJETADORES ROSCADOS

Clasificacin segn la forma de la cabeza

TUERCAS Y ARANDELAS

RESISTENCIA DE PERNOS

El parmetro para medicin de la resistencia de los pernos y tonillos es la resistencia de prueba, la cual es el valor de esfuerzo mas alto en el cual el esfuerzo de deforma permanentemente, y siempre es mas bajo que el esfuerzo de fluencia.

Cada estndar define el valor de la resistencia de prueba de los pernos segn el material y el grado.

En las tablas a continuacin se muestran varios valores de resistencia de prueba, de fluencia y ltima

RESISTENCIA DE PERNOS (ISO)

RESISTENCIA DE PERNOS (SAE)

PERNOS A TENSIN

Quizs la principal aplicacin de los pernos es mantener unidas piezas o elementos que se encuentran sometidos a cargas que intentan separarlos causando que los pernos se encuentren cargados a tensin.

PRECARGA

Es comn en la prctica precargar los pernos apretndolos con suficiente torque hasta llevarlo a un valor de tensin cercano a la resistencia de prueba.

Para cargas dinmicas un 75% de la resistencia de prueba

Para cargas estticas un 90% de la resistencia de prueba

PRECARGA

Para realizar el anlisis y seleccin del perno , primero se debe definir la RIGIDEZ DE LA JUNTA.

Rigidez del perno en la junta:

1 t s

b b t b s

l l

k E A E A

Kb = Rigidez del perno

Eb = Mdulo de elasticidad del material del perno

At = rea de tensin (Zona roscada)

lt = Longitud de rosca en la junta

As = rea del perno en la zona sin rosca

ls = Longitud sin roscar.

PRECARGA

La rigidez del material se calcula con:

1 2

1 1 1 1

m m m mnk k k k

Si se asumen dos piezas unidas, la rigidez del material es:

1 2

1 1 2 2

1

m m m

l l

k A E A E

PERNOS BAJO CARGA ESTTICA

Al aplicar la precarga sobre la junta, las deformaciones y sobre los materiales se muestran en la figura.

Al aplicar una carga adicional P de separacin en la junta, como se muestra en la figura, el anlisis consistir que porcin de la carga P estar aplicada sobre el perno.

PERNOS BAJO CARGA ESTTICA

Pb = Porcin de P sobre el perno

Pm = Porcin de P sobre el Material

Fb = Fuerza total aplicada sobre el perno

Fm Fuerza total aplicada sobre el material

Fi = Precarga

b i b

m i m

b m

F F P

F F P

P P P

PERNOS BAJO CARGA ESTTICA La deformacin resultante en material y perno es la misma

por la accin de P, por lo tanto:

m b

m b

m b

mm b

b

P P

k k

kP P

k

b mP P P

bb

m b

kP P

k k

b

m b

kC

k k

RIGIDEZ DE LA JUNTA

CONSTANTE DE LA JUNTA

PERNOS BAJO CARGA ESTTICA Por lo tanto la carga sobre el perno es:

b iF F C P

El esfuerzo de tensin sobre el perno:

bb

t

F

A

PERNOS BAJO CARGA ESTTICA El factor de seguridad a fluencia del perno ser:

y

b

SFS

Para evitar la separacin de la junta, se calcula la carga de separacin, y el factor de seguridad contra la separacin

0 1iFPC

0

1sep

iP FFSP P C

PERNOS BAJO CARGA DINMICA Se calculan las cargas media y alternante asumiendo que la

onda de esfuerzo es fluctuante (Fmin = 0).

2 2

b i b ialt med

F F F FF F

alt medalt f med fm

t t

F FK K

A A

Los esfuerzos medio y alternante son:

PERNOS BAJO CARGA DINMICA El esfuerzo debido a la precarga es:

ii fm

t

FK

A

El factor de seguridad a fatiga viene dado por la formula:

e ut i

f

e m i ut a

S SFS

S S

RIGIDEZ DEL MATERIAL

PERNO TORNILLO

2

22 3

4 2m

d dA d

= 30 es una buena aproximacin

RIGIDEZ DEL MATERIAL

Otra forma de calculo propuesta es la siguiente

d lbmk d E A e

Esta forma slo sirve para juntas con el mismo material. Se puede con diferentes materiales slo si tienen un espesor igual. Se

calcula Km para cada uno de los materiales y se suman como resortes en serie.

JUNTAS

JUNTA CONFINADAO-RING (JUNTA

CONFINADA)JUNTA SIN CONFINAR

Si las piezas a unir se encuentran en contacto la junta se dice que es confinada. Si las piezas a unir se encuentran separadas por un material, se dice que la junta no

es confinada

JUNTAS

El diseo de uniones confinadas se sigue de manera similar calculando la rigidez de los materiales a unir y sea individualmente o por separado y sumndolas como resortes en serie.

Para el clculo de uniones sin confinar, debido a la baja rigidez del material de empaque, slo se tiene en cuenta este para el clculo de la rigidez de la junta. Se aplican excepciones a materiales como cobre y cobre-asbesto.

g g

m g

A EK K

t

JUNTAS

A la hora de disear juntas para garantizar el sellado entre dos superficies, se hacen las siguientes recomendaciones:

Para obtener una buena distribucin de fuerzas, la distancia entre pernos contiguos se recomienda que est en el rango 6.

Los pernos no deben estar mas cerca del borde de las piezas a unir entre 1.5 y 2 veces el dimetro del perno.

TORQUE DE APRIETE

Debido a la importancia de la precarga para el clculo de pernos, es importante medir el valor del torque de apriete para obtener un valor de precarga.

2

1

2 2cos 2

b k t ki

D DT F

P

Fi = Precarga en el perno

P = Paso de la rosca.

Db = Dimetro medio del perno.

Dt = Dimetro medio de la rosca.

= ngulo de la rosca (60 para roscas estndar UN).

k = Coeficiente de friccin.

TORQUE DE APRIETE

Debido a la imprecisin de los torquimetros (Error 30% en condiciones normales, si el perno est lubricado el error puede bajar a la mitad) la formula anterior puede resultar imprctica, por lo cual se sugiere usar como una aproximacinrazonable:

0.21i iT F d

SUJETADORES AL CORTANTE

Se usa principalmente en el diseo estructural. Para el diseo de mquinas, se prefiere que los pernos trabajen a

cargas de tensin y para cargas a cortante se usan espigas o pasadores de localizacin.

Los pernos no poseen las mismas tolerancias de localizacin que los pasadores por lo tanto para posicionar o soportar cargas de cortante no son adecuados.

Los pasadores al poseer tolerancias muy estrechas (0.13mm) se prefieren para aplicaciones a carga cortante.

Los materiales de los pasadores son comnmente aceros endurecidos (40 - 48HRC)

SUJETADORES A CORTANTE

Un sujetador a cortante y con una carga excntrica tendr dos componentes de esfuerzo.

Un cortante directo debido a la traslacin de la fuerza al centroide de los pernos.

Un cortante secundario debido al momento que se genera por la excentricidad de la fuerza P con respecto al centroide de los pernos.

1i

PF

N

22

1

ii n

j

j

MrF

r

SUJETADORES A CORTANTE

El esfuerzo sobre el pasador o perno mas crtico se calcula de cuerdo a la mxima carga que acta sobre l.

max 1 2i iF F F

max

b

F

A

La resistencia a cortante del material y el factor de seguridad vienen dado por:

0.577yc yS S ycS

FS

EJERCICIO 1El recipiente a presin de la figura debe sellarse utilizando un empaque de asbesto, con una presin mnima de sellado de 114Pa. El cilindro debe disearse para una presin de 3Mpa y un factor de seguridad mnimo de 1,5.

Qu tamao y cuntos pernos se necesitan para obtener los requerimientos enunciados?

Revisar si el resultado obtenido satisface los requisitos de estanqueidad.

EJERCICIO 2

Determine el dimetro de los pernos de fijacin de soporte a una columna de acero bajo la accin de la carga mostrada en la figura.