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Unidad ii tornillos de sujeción y de potencia
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Unidad ii tornillos de sujeción y de potencia

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Descripción general de los tornillos de sujeción y potencia

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  • 1. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAIntroducción:El tornillo es defino como aquel elemento que se usa para sujetar, como hemos visto con lasoldadura, durante la elaboración de elementos mecánicos más complejos se usa para reducirel tiempo en el proceso de fabricación. Generalmente es metálico, aunque pueden ser demadera o plástico, utilizado en la fijación temporal de unas piezas con otras, que está dotadode una caña roscada con rosca triangular, que mediante una fuerza de torsión ejercida en sucabeza con una llave adecuada o con un destornillador, se puede introducir en un agujeroroscado 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 máquinas de un elemento a otro.El tornillo deriva directamente de la máquina simple conocida como plano inclinado ysiempre trabaja asociado a un orificio roscado. Los tornillos permiten que las piezas sujetascon los mismos puedan ser desmontadas cuando la ocasión lo requiera. Los primerosantecedentes de la utilización de roscas se remontan al tornillo de Arquímedes, desarrolladopor el sabio griego alrededor del 300 a. C., empleándose ya en aquella época profusamenteen el valle del Nilo para la elevación de agua.Durante el Renacimiento las roscas comienzan a emplearse como elementos de fijación enrelojes, máquinas de guerra y en otras construcciones mecánicas. Leonardo da Vincidesarrolla por entonces métodos para el tallado de roscas; sin embargo, éstas seguiránfabricándose a mano y sin ninguna clase de normalización hasta bien entrada la Revoluciónindustrial.En 1841 el ingeniero inglés Whitwroth definió la rosca que lleva su nombre, haciendoWilliam Sellers otro tanto en los Estados Unidos el año 1864. Esta situación se prolongóhasta 1946, cuando la organización ISO define el sistema de rosca métrica, adoptadoactualmente en prácticamente todos los países. En los EE.UU. se sigue empleando la normade la SAE.La rosca métrica tiene una sección triangular formando un ángulo de 60º y cabeza un pocotruncada para facilitar el engrase.TerminologíaDiseño II Ingeniería Mecánica 1
  • 2. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIADiámetro mayor en el sistema métrico se expresa en mm y en el sistema inglés enfracciones de pulgada.Paso de la rosca distancia que hay entre dos crestas sucesivas, en el sistema métrico seexpresa en mm y en el sistema inglés por el número de hilos que hay en una pulgada.Forma del filete este pues ser triangular, redonda, cuadrada, trapecial, diente de sierra ymuchas más. Podemos definir a las triangulares como de uso mayoritario, a las cuadradaspara transmitir movimiento en husillos o dispositivos de elevación, las circulares paramovimiento requerido en ambos sentidos.Sentido de la hélice de la rosca: a derechas o a izquierdas. Prácticamente casi toda latornillería tiene rosca a derechas, pero algunos ejes de máquinas tienen alguna vez rosca aizquierda. Los tornillos de las ruedas de los vehículos industriales tienen roscas de diferentesentido en los tornillos de las ruedas de la derecha (a derechas) que en los de la izquierda (aizquierdas). Esto se debe a que de esta forma los tornillos tienden a apretarse cuando lasruedas giran en el sentido de la marcha. Asimismo, la combinación de roscas a derechas y aizquierdas es utilizada en tensores roscados.Material constituyente y resistencia mecánica que tienen salvo excepciones la mayorparte de tornillos son de acero de diferentes aleaciones y resistencia mecánica. Para maderase utilizan mucho los tornillos de latón.Longitud de la caña es variable y se adecua según 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: métrica, Whitworth, trapecial, redonda, en diente de sierra, eléctrica, etc. Lasroscas 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 suparticularidad de que una tuerca u otro elemento sea fácil de ajustar al mismo.Diseño II Ingeniería Mecánica 2
  • 3. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAPara el sistema inglés, existe la roca Unified que es para prisioneros y pernos. Está mismasustituyo la rosca American National. Los pernos y tuercas de los dos sistemas sonintercambiables. Coinciden en el ángulo de 60°. Se presentan en la siguiente figura.Otro tornillo que se presentará, sobre todo para la transmisión de potencia, es el tornilloACME es de muy amplio uso. Una de sus características es que incluye un ángulo de 29°.Diseño II Ingeniería Mecánica 3
  • 4. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIA Denominación de algunas roscasOtra forma de clasificación de las roscas la podemos dar entre si son cónicas o cilíndricaspero por el momento tomaremos en cuenta la siguiente clasificación dada por lascaracterísticas de la rosca, que es lo importante.Roscas de paso grueso: Su nombre viene dado por la mayor amplitud de cada estría conrelación a otros acabados. Este tipo de rosca no tiene mucha precisión, sin embargo su uso esamplio para aquellos trabajos que requieren de firmeza pero una unión menos estrecha, puesel macho y la hembra no están unidas con gran exactitud.Roscas de paso fino: A diferencia de las anteriores estás están hechas para trabajos de mayorprecisión. Tales trabajos son la industria automotriz o vehicular como un ejemplo.Roscas de paso extrafino: Se utilizan cuando es requiero una precisión mayor, tal es el casode uniones pequeñas donde la tolerancia que se tiene es mínima.Roscas de Ocho Hilos: Llamada por el paso de ocho estrías por pulgada de caña, estas roscasson normalmente usadas para tubería de agua o fluidos. Permite gran resistencia y evita lafuga de gases.También debemos mencionar el Avance, que es la distancia longitudinal que hay entre unpunto de un diente en un giro al adelantar. Se aprecian 3 tipos de avances distintos, c/uno consus características únicas. Se aprecian a continuación 3 avances, ya sea de 1 entrada, 2entradas o 3 entradas, puestos respectivamente en la siguiente figura.Diseño II Ingeniería Mecánica 4
  • 5. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAContinuamos con la clasificación con el comentario de que a través del sentido de giro, seahorario o anti horario también se puede seleccionar una rosca.2.2 Mecánica de los tornillos de transmisión de potenciaDefiniciónSe define, como aquel dispositivo (metálico usualmente) que cambian movimientosangulares en lineales y, normalmente transmite potencia, ahí su nombre. Estos tienenobjetivos perfectamente definidos.Sea, para obtener una ventaja mecánica, 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 lasprensas.El micrómetro es otro caso, pues para obtener un posicionamiento preciso.Llegamos a la conclusión de que la función de un tornillo de transmisión es que ejercer granfuerza con ventaja mecánica, es las roscas para otros elementos por lo tanto, son diferentes alas de tornillos de sujeción.Formas de rosca para tornillos de transmisiónExisten diferentes formas de rosca, todas adaptadas a ciertas condiciones o trabajos.Rosca cuadrada, es muy eficiente en cuanto a fricción por deslizamiento se refiere, por otraparte la ventaja mecánica resultante es muy baja, es conveniente mencionar que son caros demaquinar.Rosca ACME, se debe mencionar como aquella utilizada por primera vez para maquinasherramientas.Rosca Trapezoidal, por su lado tiene mayor vida útil debido a su raíz de mayor espesor, sucaracterística le permite resistir cargas en una sola dirección.Rosca cuadrada modificada, sustituye a la cuadrada, pues es más fácil de fabricar y tienemuchas de sus especificaciones particulares.Diseño II Ingeniería Mecánica 5
  • 6. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAACME truncada, especial pues debido al tratamiento térmico que lleva necesita de un pasogrande con una rosca menos profunda.Mencionamos que el perfil ACME trapezoidal es el más usado. Ahora bien el tema es lamecánica de estos elementos, por lo tanto se usan dos hipótesis. La primera a traccióncompresión del núcleo del tornillo y otra a torsión del mismo. Las áreas a emplear en laresistencia son las típicas para casos de tracción y torsión.Recordaremos algunos términos comunes en mecánica que son la tensión pero ahora serátractiva y la tensión cortante por la torsión representadas por los símbolos griegos. De σ y τ,respectivamente.P es el peso, T es el par torsional y d es el diámetro.Calculo de fuerzas actuantes y pares de torsiónPara tener las fuerzas impulsoras o llamados pares de torsión de tornillo de transmisión sedebe observar la siguiente figura, allí la carga se debe elevar o trasladar. Sabemos que eltornillo está apoyado en un collarín de fricción que soporta la carga, y a su vez, se produce elpar de fricción.Este collarín por su parte tiene un diámetro externo llamado De y uno interno Di. Existenmuchas perspectivas sobre las condiciones o los fenómenos que ocurren, sin embargo, la máscomún es que la fricción actúa sobre toda la superficie de contacto. Otros suponen que esta sedistribuye sobre el diámetro de paso de dp de la rosca.Los tornillos de transmisión tienen rosca genérica trapezoidal con la particularidad del ánguloβ (este puede despreciarse) y ángulo de hélice α. Debemos mencionar que este ángulo estaDiseño II Ingeniería Mecánica 6
  • 7. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAdirectamente ligado con el avance del tornillo, termino visto anteriormente. La siguienteexpresión matemática liga ambos conceptos.Siendo dp el diámetro de paso, p el paso y m el número de entradas del tornillo. Para podercalcular la distancia axial recorrida por en No (las vueltas del tornillos).Los siguientes planos, que son representaciones longitudinal y tangencial, expresar lasfuerzas actuantes sobre la superficie de un punto del tornillo. Distribución de fuerzas en elfilete de un tornillo y su descomposición vectorial, parecida a las perspectivas que hemosvisto en los puntos de soldadura.Los siguientes esquemas representan la D.C.L. para descenso y elevación.Diseño II Ingeniería Mecánica 7
  • 8. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAMucha investigación arrojo que existen dos posibles casos de transmisión. Para el primercaso, analizaremos el descenso de una carga W, cuya distribución de cargas y D.C.L. visto enla figura de en medio. Para el caso de elevación de la carga, es lógico pensar que este análisises para determinar P. Con la cual se pueda vences el momento torsor de TT que pueda vencerla fricción del collarín y la resistencia de fricción de la carga W en los filetes del tornillo.Ahora tendremos una representación más profunda.Caso 1 EL DESCENSO DE CARGATal como se ve en las figuras anteriores, se puede establecer el equilibrio de fuerzas en elplano tangencial, según la Segunda ley de Newton.Para el cual Pn que es la carga normal, μR y μC son los coeficientes de fricción de la rosca y elcollarín. P es la carga a aplicar para generar el momento torsor TR de la rosca que junto conel momento torsor de fricción del collarín TC permiten obtener el momento torsor total TT,recordando nuevamente los ejercicios que hemos visto.Después de haber concluido y haber obtenido el momento total. Pasamos, del equilibriovertical se obtiene de la expresión para Pn:Se hacen deducciones matemáticas, pues sabemos que de la ecuación de equilibrio horizontalse tiene P, y con la formula anterior se llega a la siguiente deducción:Para deducir los momentos torsores de las roscas y en collarín se establece lo siguiente:El momento torsor total se da a partir de lo siguiente:Diseño II Ingeniería Mecánica 8
  • 9. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIASiendo re el radio desde el eje del tornillo donde se reduce la acción de la fuerza de fricción.Este radio suele considerarse como el diámetro medio sobre la superficie del collarín, de ahínace la siguiente formula.Una forma para encarar la fricción de forma más completa es suponer que el peso esta entoda la superficie. Para determinar un punto tenemos lo siguiente.Siendo dAc el área diferencial del collarín y el momento de fricción 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 muchasdiferencias.Ahora bien, para que expresión con integrales es la más completa y detallada.Por otro lado con la TT está en función de qn, que al despejar se observan el paralelepípedo,formado en la figura de los planos vectoriales vista al principio de este subtema.Diseño II Ingeniería Mecánica 9
  • 10. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAAl hacer la sustitución, se puede obtener el momento torsor en función de parámetrosconocidos.Caso 2 ELEVACION DE CARGATal como en las figuras antes mencionadas se establece un equilibrio de fuerzas en un planotangencial a la figura.Con un plan similar al anterior que en anterior caso se pueden hallar Pn, P y el momentotorsos por elevación:Se puede observar que son ecuaciones similares pero que los signos han cambiando.2.3 Eficiencia del tornilloSe define con la ecuación de la eficiencia, que nos pone a la geometría del tornillo en funcióndel coeficiente de fricción. Para las diferentes formas de rosca existen diferentes ecuacionesque nos dan una perspectiva más exacta, sin embargo para una rosca cuadrada, σ = 0, y vienedado por:Retomando el tema, recordemos que: Hp = TT ωDiseño II Ingeniería Mecánica 10
  • 11. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIADonde ω es la velocidad angular. Además la eficiencia mecánica de un tornillo se define másaún como el trabajo mecánica entra sobre él sobre el trabajo mecánico que sale de él.Expresado de la siguiente forma.Se define La como el avance del tornillo.Podemos mencionar los siguiente, cuando un tornillo de potencia con fricción en el collarcuando está levantando la carga, es igual a la razón del par elevar y el par. Eficiencia= T/T elevarSi la fricción en el collar es despreciable, resulta la siguiente ecuación;Concluyendo que la fricción entre los elementos que conforma todo el sistema es mucho máscomplejo y produce muchos más estragos de los que se cree.2.4 Esfuerzos en los tornillosHemos venido observando bajo qué condiciones opera un tornillo de potencia. Pero losesfuerzo a los que son sometidos éstos como los de sujeción abarcan un tema.Puede existir esfuerzo por aplastamiento, por pandeo, de corte y flexión de la rosca, tracción,compresión, combinado y velocidad critica de descenso.El esfuerzo por aplastamiento surge cuando la superficie de la rosca del tornillo y lasuperficie de la placa en contacto con la tuerca se “abaten”. La relación para este esfuerzo es:Diseño II Ingeniería Mecánica 11
  • 12. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAσB = Presión por el aplastamiento W= la carga Dm = diámetro medio de la rosca del tornilloH = altura de la rosca n = número de cuerdas de contacto.Dadas algunas situaciones, combinación de materiales en contacto, lubricación, trabajo defricción proporcional al producto de la presión de contacto y velocidad de deslizamiento. Setiene la siguiente tabla para Presiones de diseño por aplastamiento.El esfuerzo por pandeo es cuando se ejerce una carga axial por compresión y la longitud nosoportada sobre un pandeo, siendo que es sometido a compresión simple, se tiene que porEuler y columnas:Euler (columna esbelta)Johnson (columnas cortas)Cargas excéntricasPara todos los casos se le considerará:Y los cálculos se realizarán utilizando el área de raíz del tornillo A= ArDiseño II Ingeniería Mecánica 12
  • 13. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAA los efectos de un primer análisis se puede decir que:Si entonces se realizará el cálculo de columnaSi es mismoEsfuerzo de corte y flexión de la roscaTras saber que una viga corta con carga en un extremo en Dr. Y la carga W se suponeuniformemente repartida en el diámetro medio del tornillo (es decir, que la carga W actúa ala mitad de la altura h de la rosca).En la primer par de figuras apreciamos, la sección transversal de la rosca desarrollada en laraíz es un rectángulo de profundidad b y de ancho πdmn que se considera como viga.Es un momento flector para la viga cantiléver:Ecuación del esfuerzo flexionanteSustituyendo queda (esfuerzo de flexión máxima)Tanto tornillos y tuercas sufren esfuerzo cortante. Para sección transversal el esfuerzo porcorte es:Diseño II Ingeniería Mecánica 13
  • 14. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIA Para la tuerca:Esfuerzo de tracción o compresión, en los tornillos de potencia, se usa el cálculo del esfuerzode tensión o de compresión con el área del esfuerzo de tensión (Ar)Esfuerzo combinatorio, sucede comúnmente cuando el tornillo se corta a través de la longituddel mismo, de tal manera que pueda ser ignorada la acción de la columna, el tornillo deberátratársele como miembro a compresión sometido a carga biaxial.ConÓAlgunas veces se presenta lo que muchos llaman velocidad crítica de descenso, si el tornilloesta horizontal o verticalmente, lógicamente es seguro que gire por debajo de su velocidadcrítica para evitar la vibración y entonces la falla. Las velocidades como ejemplo, quedan enla siguiente tabla.Diseño II Ingeniería Mecánica 14
  • 15. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAPara los esfuerzos en tornillería de sujeción 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). Cuál de estos escenarios ocurrirádependerá de las resistencias relativas del material de la tuerca o del tornillo. El área cortantede barrido As para una rosca de tornillo es el área del cilindro de su diámetro menor dr : As= π dr wi p,Donde p es el paso de la rosca y wi es un factor que define el porcentaje del paso ocupado pormetal en el diámetro menor.Esfuerzo cortante en las roscas: en el caso de la rosca de tuerca, que se barre en su diámetromayor d, el área del cortante de barrido As para una rosca de tornillo es :As=π d wo p,Donde wo es un factor que define el porcentaje del paso ocupado por metal en el diámetromayor. El esfuerzo cortante para el barrido de roscas se determina a partir de:Longitud mínima de la tuerca, si la tuerca tiene suficiente longitud, la carga requerida parabarrer las tuercas será superior a la carga necesaria para que falle el tornillo a tensión. Paracualquier rosca ISO /UNS o roscas ACME de d≤1 in, una longitud de tuerca de 0.5 d tendráuna longitud de barrido mayor a la resistencia a tensión de un tornillo.Diseño II Ingeniería Mecánica 15
  • 16. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIA Esfuerzo a torsión en las roscas: al apretar una tuerca en un tornillo o cuando se transmite unpar de torsión a través de un tornillo de potencia, en el tornillo se puede desarrollar unesfuerzo a torsión. La transmisión del par de torsión al tornillo depende de la flexión en lainterfaz entre tornillo y tuerca (lubricado o oxidado). Si la tuerca está oxidada y sujeta altornillo, entonces el par de torsión aplicado torcerá el tornillo y el perno puede llegar acortarse El par de torsión aplicado total correspondiente al esfuerzo a torsión en una secciónredonda está dada por la siguiente ecuación, en este cálculo deberá utilizarse el diámetromenor dr de la rosca:Donde T es el par torsional, r el radio de aplicación y J el momento polar de inercia de lasección.2.5 Otros tipos de tornillosLa variedad de tornillos y elementos mecánicos con similares características o trabajos afines iguales (que por ello se les considere tornillos) es muy grande. Hasta ahora hemos vistosuperficies de contacto metálicas, pero estas pueden ser plásticas o de madera (más común).La tornillería destinada a cumplir la unión de elementos hechos de madera es muy amplia ygoza de características únicas que le permite cumplir con su trabajo. Algunos reciben elnombre de tirafondo para madera, su tamaño y calidad está 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, latón, 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 medidaque 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 eléctrico omanual. Sus cabezas pueden ser planas, ovales o redondeadas; cada cual cumplirá unafunción específica.Cabeza plana, se usa en carpintería, en general, en donde es necesario dejar la cabeza deltornillo sumergida o a ras con la superficie.Cabeza oval, la porción inferior de la cabeza tiene una forma que le permite hundirse en lasuperficie y dejar sobresaliendo sólo la parte superior redondeada. Son más fáciles para sacary tienen mejor presentación que los de cabeza plana. Se usan para fijación de elementosmetálicos, como herramientas o chapas de picaportes.Cabeza redondeada, se usa para fijar piezas demasiado delgadas como para permitir que eltornillo se hunda en ellas; también para unir partes que requerirán arandelas. En general seemplean para funciones similares a los de cabeza oval, pero en agujeros sin avellanar. Estetipo de tornillo resulta muy fácil de remover.Diseño II Ingeniería Mecánica 16
  • 17. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIALos 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 eldestornillador 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 diseño exclusivo Torx.Las características que definen a los tornillos de madera son: Tipo de cabeza, materialconstituyente, diámetro de la caña y longitud. No profundizaremos mucho en el tema, perocabe destacar que esta tornillería debido a que está destinada a una actividad comercial tanamplia, pues su campo de estudio es sumamente amplio como en la tornillería común.El tornillo de hombro tiene la particular característica de tiene una amplia zona sin rosca, y esusado para partes que requieran unión pero que exista una gran separación entre ambas. Adiferencia de los demás tornillos normalmente la referencia para dimensiones es el diámetrodel cilindro y no la rosca. Entre los diferentes tipos de cabezas y ajustes tenemos elHexagonal, Phillips o Cruz, Plano y el Compatible con llaves Torx. Este también es llamadoperno, Con la popularización de la venta de muebles desmontados para su ensamblaje por elusuario, se han investigado nuevos mecanismos que facilitan el montaje. El perno, con cajaexcéntrica es un mecanismo que permite una fuerte sujeción en muebles de aglomerado demadera sin necesidad de herramientas especializadas, requiriendo sólo un destornillador ollave Allen.Para su montaje, el perno se introduce manualmente en la pieza con la rosca. La cajaexcéntrica se encaja en un orificio de la otra pieza. Al superponer ambas piezas y enroscar laexcéntrica, las piezas quedan fuertemente sujetas.Tornillos de miniatura, con el desarrollo de componentes electrónicos cada vez máspequeños ha sido necesario desarrollar y fabricar tornillería especialmente pequeña, este tipode tornillos se caracteriza por ser autorroscante en materias blandas tales como plásticos, y sucabeza es adaptada para ser accionados por destornilladores muy pequeños y de precisión, elmaterial de estos tornillos puede ser de acero inoxidable, acero normal o latón.Tornillos inviolables, son un tipo de tornillería especial que una vez atornillados en el lugarcorrespondiente ya es imposible quitarlos, a menos que se fuercen y rompan. Esto es graciasal diseño que tiene la cabeza que es inclinada en su interior, de forma tal que si se intentaaflojar sale la llave sin conseguirlo. Son tornillos llamados antivandálicos y son muyutilizados en trabajos de cerrajería que van con acceso a las calles o lugares donde pudiesenactuar personas malintencionadas. Al igual que se fabrican tornillos inviolables también sefabrican tuercas inviolables. Las normas de estos tornillos de rosca métrica corresponden a laISO-7380 y ISO-7991 y se fabrican con cabeza Allen y con cabeza Torx.8Diseño II Ingeniería Mecánica 17
  • 18. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIATambién se utilizan algunos a los que se les acopla un sello a la cabeza, impidiendointroducir una llave para aflojarlo. Estos tornillos se venden con su tapa correspondiente, ysuelen ser para llave Allen. Como solución temporal o improvisada, se pueden introducir agolpe 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 undesarmador 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 ylos de Base con Sello Las aplicaciones de cabeza perforada son normalmente donde serequiere mantener el tornillo en una posición segura todo el tiempo y depende de la serie detornillos utilizados; para esto el usuario se apoya en alambres de seguridad que mantendrán altornillo en la posición deseada ya que para ajustar/desajustar alguno de ellos será necesarioajustar los otros tornillos de la serie.El bulón, se utiliza para denominar tornillos de tamaño relativamente grande, con rosca soloen la parte extrema de su cuerpo, utilizados en obras de ingeniería, maquinaria pesada, víasférreas, etcétera. Normalmente se disponen con la correspondiente arandela, que suele ser depresión, y se manipulan mediante llaves especiales. Los motores alternativos de combustióninterna poseen bulones que se realizan en acero templado mediante forja, aunque haymotores de competición con bielas de titanio o aluminio, realizadas por operaciones dearranque de material.Un pasador es un elemento de fijación mecánica desmontable, de forma cilíndrica o cónica,cuyos extremos pueden variar en función de la aplicación. Se emplea para la fijación devarias piezas a través de un orificio común, impidiendo el movimiento relativo entre ellas. Elempleo de estos sistemas de fijación es de gran uso en máquinas industriales y productoscomerciales; como dispositivos de cierre, posicionado de los elementos, pivotes, etc.Entre otra serie de materiales, se fabrican principalmente de acero, ya que por su altaresistencia y por la gran variedad de aceros disponibles, permite que puedan usarse encondiciones muy dispares de esfuerzos, corrosión, etc. Los fabricados con latón son muyutilizados por su bajo coste de fabricación, y los de madera son muy utilizados enaplicaciones en las cuales las piezas a unir son de madera, por ejemplo en muebles. Estándiseñados para soportar esfuerzos cortantes, endureciéndolos para resistir lo máximo posible,aún así, son diseñados para que se rompan antes de que las piezas del ensamblaje se dañen.Además de su bajo coste, presentan la ventaja de ser una unión mecánica fácilmentedesmontable, sin embargo en ocasiones es necesario realizar diversos procesos depreparación del agujero, para obtener una inserción adecuada.Existe una gran variedad de tipos y tamaños estándar de pasadores disponibles, además dediseños especiales para ciertas aplicaciones, con amplio uso en todos los ramos industrialesy que nos permiten desde la precisión hasta la fortaleza de un sistema al elegir un tornillo.Diseño II Ingeniería Mecánica 18
  • 19. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIA2.4 Materiales para tornillosPara la elaboración de los tornillos se usan infinidad de materiales que permitan cumplir sucometido, ya sea por las condiciones a las que será expuesto o por la reducción de costos ensu fabricación y mismo rendimiento.Es posible que algunos materiales se puedan fabricar, sin embargo debido al alto costo de lamateria prima y al bajo o limitado uso no representa un costo beneficio aceptable para losfabricantes de tornillería y no lo presentan como una opción comercial; sin embargo existenen el mercado talleres o fábricas que pudieran en un momento dado diseñar y producir unapieza especifica si el cliente está dispuesto a absorber el costo de fabricación que represente.El listado de materiales que se presenta a continuación es una referencia que incluye lasprincipales características, se nombra en orden alfabético para evitar confusiones respecto alas ventajas/desventajas que cada material representa. El material a utilizar deberá serseleccionado en base a la aplicación por el usuario final. Acero. En su aleación básica se incluye el Hierro y el Carbono, sin embargo existendiferentes tipos de aleaciones que dan lugar a los diferentes nombres que a su vez estánbasados en diferentes características. Es un material muy tenaz en algunas aleacionesespecialmente para herramientas. Permite una buena mecanización de partes antes de recibirtratamientos térmicos. La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puedelograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cualesquizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido encarbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evitefracturas frágiles. El Acero también posee una alta conductividad. La mayor desventaja delAcero es que se oxida con extrema facilidad.Acero Inoxidable. Esta es una aleación que contiene un porcentaje de Cromo lo cual le da lacaracterística de hacerlo resistente a la oxidación. Es importante mencionar que el Aceroinoxidable no es un revestimiento protector a la oxidación y que es únicamente más resistentea la oxidación que otros aceros. El monto de Cromo utilizado genera una protección pasivade Oxido de Cromo que previene que la corrosión avance y/o se distribuya dentro de laestructura de la parte. Algunos tipos de Acero Inoxidable usados en tornillería son: 18-8 Que proporciona excelente resistencia a la corrosión y puede llegar a ser medianamente magnético. 300 Que cumple con especificaciones más estrictas y es normalmente usado para aplicaciones militares. 316 Proporciona mejor resistencia a la oxidación que el tipo 18-8. Debido a su aleación con Molibdeno proporciona mejor resistencia en ambientes marinos.Aluminio. Es un elemento químico encontrado en la corteza terrestre. Ofrece buenaresistencia a la corrosión ocasionada por el medio ambiente, es no magnético y ofrece ladureza del acero con la característica de que pesa aproximadamente una tercera parte. Noobstante el aluminio puede mejorar su resistencia mecánica cuando se utiliza en aleaciones.Es un buen conductor de electricidad.Diseño II Ingeniería Mecánica 19
  • 20. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAAramid. Un tipo de fibra resistente a humedad, vapor, grasas, químicos, ácidos, alcaloides,ambientes marinos y detergentes.Bronce. La aleación de Cobre normalmente con Estaño sin embargo existen aleaciones conFósforo, Manganeso Aluminio o Silicón. Tienen algunas ventajas anticorrosivas frente alacero, pero una desventaja es que puede llegar a pesar hasta un 10% más. El bronce puedeser una buena elección para resortes y/o como conductores de energía o calor. Las aleacionesde Bronce-Silicón son no magnéticas y ofrece una excelente conducción térmica.Buna-N. Excelente resistencia contra impacto y usado en sellos de uso general.Cerámica. Usado cuando las piezas de metal no son una opción para nuestras aplicaciones.Sometido a altas temperaturas no se derrite, no hay corrosión y es un excelente insuladormagnético y eléctrico.Cuero. Ayuda a evitar que piezas con fricción queden pegadas o que se derritan.Fibra de Vidrio. Extraordinaria fuerza respecto a su peso. Usado para evitar conduccióneléctrica y térmica. Fieltro. Excelente para usarse como insulación, inclusive es utilizado para lubricar cuando essumergido en aceites.Kapton. Material no metálico con buenas propiedades de fuerza tensora. No se desintegra,rompe o quiebra bajo altas cargas. Excelente para usos de insulación eléctrica.Latón. Es una aleación de Cobre y Zinc en la cual las proporciones pueden variar para creardiferentes variedades, a pesar de la diferencia de aleaciones algunos tipos de latón sonllamados Bronce y consideran el Latón como un substituto. Es un material suave y nomagnético. Ideal para aplicaciones de baja fricción, válvulas, plomería y aplicacioneseléctricas.Monel. Una aleación de Níquel Cobre con excelentes propiedades de dureza y resistente aoxidación. Una buena opción para usar en ambientes marinos.Neopreno. Ofrece amortiguamiento y se usa para partes que reciben alto impacto o que estánexpuestas a vibraciones. Es resistente al Ozono y Clima en general. Resistente al fuego yaceites.Nylon. Es un termoplástico sedoso usado ampliamente con fines comerciales, con mayorfrecuencia posterior a la segunda guerra mundial cuando la seda comenzó a escasear . Sepretendía que fuera un reemplazo para la seda y fue usado por primera vez en paracaídas ydiferentes tipos de llantas. En su versión 6/6 el Nylon ofrece alta resistencia a químicos ysolventes al igual que una alta resistencia a variaciones de temperaturas. Una aleación deNylon-Fibra de Vidrio será mucha más fuerte y resistente que el Nylon por sí solo.Diseño II Ingeniería Mecánica 20
  • 21. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIATitanio. Un elemento tan fuerte como el Acero pero 60% más ligero. Resiste ambientesmarinos (Agua salada) más diversos químicos incluyendo cloros-ácidos. Se pueden realizaraleaciones con Aluminio, Vanadio y Molibdeno para producir materiales más ligeros pero ala vez más 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 ofrecealta resistencia a químicos.Aun hechos de materiales normalmente resistentes a las condiciones ambientales lasdiferentes partes de tornillería se ofrecen con diversos acabados que mejoran el desempeñocontra la oxidación.Platinado de Zinc. Que ofrece una buena resistencia a la oxidación. Platinado de Cadmio. Que es altamente utilizado en ambientes donde la protección contraoxidación es esencial.Galvanizado. Proporciona una mejor protección que el platinado de Zinc debido a que en estecaso la capa es más gruesa.Platinado Níquel. Es un acabado brilloso utilizado igualmente contra oxidación.Cubierta Negra. Ofrece además de la resistencia a la oxidación cualidades de lubricación.Cubierta Azul. Hace los componentes fáciles de diferenciar entre medidas métricas e imperialesademás de la protección anticorrosiva.Y la diversidad aumenta debido a nuevas condiciones o especificaciones más completas detrabajo que nos permiten seleccionar materiales de manera más específica para cadacondición de trabajo.2.7 Resistencia de la UniónPara que la unión con tornillo se lleve a cabo y esta tenga cierta rigidez, se apoya enarandelas (rondanas), tuercas, y otros elementos que permiten en un conjunto hacer que unaunión sea confiable.Para entenderlo de una manera más concisa anexe la información sobre modos de fallo enuniones. Las siguientes son las formas más comunes.a) La unión podría fallar por agotamiento del material de las chapas a unir en las paredes deltaladro efectuado para alojar el tornillo. La resistencia frente al aplastamiento se expresa enfunción de la tensión de rotura del acero de las chapas a unir y no de la tensión del limiteelástico, debido a la existencia inevitable de valores altos en las deformaciones locales quehacen trabajar el material a tensiones más allá del limite elástico.Diseño II Ingeniería Mecánica 21
  • 22. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAb) También se tiene que comprobar frente a cortadura, que este esfuerzo se produce cuando,en el vástago, las chapas unidas tratan de deslizar una con respecto a la otra.c) En una unión atornillada con los tornillos trabajando normalmente a su eje (por cortaduray aplastamiento) es preciso comprobar las piezas a unir cuando están sometidas a tracción, yaque los taladros son un debilitamiento que, si es excesivo, puede llevar a la rotura de la piezapor desgarramiento.d) En las uniones donde existen esfuerzos de tracción en la dirección del eje del tornillo, setiene que comprobar la resistencia del tornillo, que depende, como es lógico, de la resistenciade cálculo del tornillo y de su área.e) Si la unión trabaja a tracción y a cortante, es necesario comprobar que no falle bajo estasolicitación combinada.f) En los tornillos de alta resistencia pretensados. Frente a cargas perpendiculares al eje de lostornillos la unión resiste mediante el rozamiento entre chapas favorecido por el esfuerzo depretensado. Cuando la carga perpendicular alcanza el valor de la resistencia por rozamiento,la unión desliza hasta que el vástago 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 rozamientodeberán serlo por el tornillo de alta resistencia trabajando a cortadura y aplastamiento.Ahora por clasificación atenderemos las categorías que existen para al final abordar c/una delas resistencias.En la EAE y el EC3 las uniones atornilladas se clasifican, en función de la manera de trabajarde los tornillos, en cinco categorías (en el CTE no se explicita esta clasificación). Cada unade estas categorías precisa de unas comprobaciones determinadas.Si los tornillos están solicitados en dirección normal a su eje (cortante) tenemos:Categoría A: Trabajan a cortadura y aplastamiento. Para uniones de esta categoría sepermiten tornillos de cualquier calidad, incluso de alta resistencia sin pretensar o pretensadospero sin controlar su par de apriete.Categoría B: Resistentes al deslizamiento en E.L.S. En esta categoría se utilizaran tornillosde alta resistencia pretensados con un apretado controlado.Categoría C: resistentes al deslizamiento en E.L.U.En el caso de tornillos solicitados según la dirección de su eje (tracción), tenemos:Categoría D: Uniones con tornillos sin pretensar. Para esta categoría se utilizaran tornillosordinarios o de alta resistencia, aunque no se requiere pretensado.Diseño II Ingeniería Mecánica 22
  • 23. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIACategoría E: Uniones con tornillos pretensados de alta resistencia. Se utilizaran solo tornillosde 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 tracción del tornillo.A s = es el área resistente del vástago del tornillo, en el caso que ningún plano de corte pasepor la zona roscada del tornillo se considera A (área del vástago del tornillo).n = número 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 2.5fu = a la resistencia última del acero de la chapa.d= diámetro del vástago del tornillot= menor espesor de las chapas,Diseño II Ingeniería Mecánica 23
  • 24. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAResistencia al deslizamientoDonde:k = factor que depende del tipo de agujeros que se utilicen, si son estándar se toma igual a 1.0n = número de posibles planos de desplazamientoμ = coeficiente de rozamiento, su valor oscila entre 0.5 y 0.2, en función del estado de lassuperficies de contactoFpcd= 0.7*f ub As / γm7 = fuerza de pretensado; en la EAE varia la notación, Fpcd =∑N, yen el CTE se sustituye f ub por f yb= fub/γm7.M3 g = coeficiente parcial de seguridad que toma el valor de 1.1 en general o 1.25 en unioneshíbridas o en uniones sometidas a fatiga.Resistencia a tracciónDonde: k2 = 0.9 para tornillos sin cabeza avellanadaResistencia por punzo amientoDonde: d m = el menor diámetro medio entre los círculos circunscrito e inscrito a la tuerca o a la cabeza t p = espesor de la chapa2.8 Rigidez en la uniónHemos visto que la resistencia de materiales, allí la rigidez axial para una barra de longitudL, área A y módulo de elasticidad E se obtiene como:En caso de que la barra tuviese segmentos de diferentes longitudes, la rigidez global sería:Entonces para unos tornillos de rosca métrica la constante de rigidez se calcula como, (nota:recordemos algunos conceptos vistos durante la carrera).Diseño II Ingeniería Mecánica 24
  • 25. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIASiendo de y dr los diámetros de la cresta y la raíz del tornillos. Lt es la longitud roscada y secalcula como:Siendo L la longitud total del perno cualquiera que fuese su configuración:L= LS + LtEntonces para calcular la rigidez de la junta se recurre a un metodología, según en ella seconsidera una región troncocónica para afectar al cálculo de la rigidez.Se determina la variación del desplazamiento y luego se integra en el dominio trococónico deuna parte para así obtener Kmi. Todo representado en las siguientes ecuaciones:Diseño II Ingeniería Mecánica 25
  • 26. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIADonde D es el diámetro base del tronco cónico y d es el diámetro del agujero por donde pasarel bulón. Luego pues la rigidez global la obtenemos después de Kmi empleando la siguienteformular que nos recuerda a las anteriores.Se debe tener presente que esta metodología para obtener km es útil para calculo concalculadora, sin embargo es muy dependiente del ángulo del tronco de cono. En lasinvestigaciones de Mishke (autor de este método) sugiere que α = 30°. Apreciado la pruebaque corrobora el método presentado. Se comparan las ideas y se obtiene la siguiente gráfica.Diseño II Ingeniería Mecánica 26
  • 27. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIA ConclusiónHemos podido observar mediante la realización de este trabajo y la reunión de información locompleja y extensa que es la selección de los tornillos adecuados ya sea para potencia osujeción en la mecánica. Lo aprendido en anteriores cursos me dio una perspectiva mássencilla sobre lo que se estaba desarrollando en cada formula y sin embargo, supongo quetodavía no estamos preparados, se necesitan más estudio y una compresión más exhaustivadel tema.Lo que puedo mencionar, por otro lado, es que los tipos de rosca y su orden, los tornillos detransmisión y la eficiencia del mismo eran desconocido, al menos de una manera tanDiseño II Ingeniería Mecánica 27
  • 28. UNIDAD II TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIAprofunda como la que se abordo durante este trabajo, quedando a deber algunos temas máscomplejos que sin duda estudiaré o tendré la necesidad de analiza posteriormente.Para los esfuerzos en tornillos, pues ya teníamos el precedente pero no había aterrizado o almenos comprendido el tema como hasta ahora. Igual el tema de Resistencia en la uniónsupongo que esta muy relacionado con lo que hemos venido realizando desde que inicio elcurso y fue por ello la parte más fresca y sencilla.En cuanto a la rigidez, tengo aun mis dudas sobre el tema pero tendré la oportunidad duranteeste tiempo para analizarlo con más detenimiento y revisar las diferentes metodologíasexistentes. Eso es todo.Fuentes de informaciónhttp://www.fing.edu.uy/iimpi/academica/grado/elemmaq/teorico/TornilloDePotencia2007.PDFJ.E. Shigley y C.R. Mischke, “Diseño en Ingeniería Mecánica”, McGraw Hill 2002.B.J. Hamrock, B. Jacobson y S.R. Schmid, “Elementos de Máquinas”, McGraw Hill 2000. ]R.L. Norton, “Diseño de maquinaria”, McGraw Hill 2000.http://es.wikipedia.org/wiki/Tornillohttp://www2.ula.ve/dsiaportal/dmdocuments/elementos/TORNILLOS.pdfDiseño II Ingeniería Mecánica 28