DISEÑO DE SISTEMAS
    DE SUJECIÓN
 Julio Vergara Aimone
       ICM 2312
INTRODUCCIÓN
            Los elementos mecánicos son parte de un siste-
            ma mayor que debe operar en forma inte...
INTRODUCCIÓN
            Hay formas complejas de unir elementos inter-
            operables, siendo tal vez los trenes de...
INTRODUCCIÓN
            Existen sistemas de engranajes con varias entra-
            das de potencia (operando en modo Or...
INTRODUCCIÓN
            No obstante, hay dispositivos más “primitivos”,
            aunque de suficiente relevancia, para...
INTRODUCCIÓN
            En los buques modernos, la utilización de rema-
            ches en el casco ha sido casi totalme...
INTRODUCCIÓN
            La importancia de estos mecanismos de unión
            adquiere proporciones en sistemas complej...
INTRODUCCIÓN
            Tan amplio como los diseños disponibles son
            las modalidades de falla.
            Obs...
INTRODUCCIÓN
            Podemos caracterizar tipos de unión genéricos:

             Uniones desmontables       Uniones f...
DISEÑO DE ROSCAS
            Las uniones más comunes son las roscadas, las
            que adquieren diferentes nombres se...
DISEÑO DE ROSCAS
            El rango de tamaños de las uniones roscadas es
            muy amplio, desde las que vemos en...
DISEÑO DE ROSCAS
            Nomenclatura de roscas.
            Las roscas estándares son de paso derecho, y
            ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Nomenclatura de roscas.
            El paso puede ser doble, triple o cuádruple. Por
        ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Nomenclatura de roscas.



                       60°




                Perfil métrico     ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Nomenclatura de roscas.
                      p                            p                 ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Nomenclatura de roscas.




                M12 x 1.75                5/8”- 18 UNF
          ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Nomenclatura de roscas.
              Diámetro          Serie paso grueso             Serie p...
DISEÑO DE ROSCAS
            Nomenclatura de roscas.
                  Símbolos de rosca más comunes                     D...
DISEÑO DE ROSCAS
            Roscas para transmisión de potencia.




                                           Tuerca


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DISEÑO DE ROSCAS
            Roscas para transmisión de potencia.




            Enero 2000: MD-83, Alaska Airlines
     ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Roscas para transmisión de potencia.

                         Motores de                 Est...
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            Si desarrollamos el perno en un giro, vemos ...
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            Roscas para transmisión de potencia.
                                   F                    ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Roscas para transmisión de potencia.
                                  F                     ...
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            Roscas para transmisión de potencia.
                                  F                     ...
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            Roscas para transmisión de potencia.
                                  F                     ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Roscas para transmisión de potencia.
            Normalmente se usa un collar
            de ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Roscas para transmisión de potencia.
            Las expresiones anteriores son para
        ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Roscas para transmisión de potencia.
            Agregando el collarín, para una
            ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Roscas para transmisión de potencia.
            En una rosca con ángulo, el autobloqueo (en ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Roscas para transmisión de potencia.
                   e (%)
             100               ...
DISEÑO DE ROSCAS
            Roscas para transmisión de potencia.
            Valores de f (pares perno-tuerca y collares)...
DISEÑO DE ROSCAS
            Roscas para transmisión de potencia.
            Es posible utilizar tornillos o roscas de bo...
ESFUERZOS EN ROSCAS
            Esfuerzos en las roscas.
            Los esfuerzos nominales en roscas de potencia
       ...
ESFUERZOS EN ROSCAS
            Esfuerzos en las roscas.
            Los esfuerzos nominales en roscas de potencia
       ...
ESFUERZOS EN ROSCAS
            Esfuerzos en las roscas.
            Los esfuerzos nominales en roscas de potencia
       ...
ESFUERZOS EN ROSCAS
            Esfuerzos en las roscas.
            Los esfuerzos ortogonales en el plano de la raíz
    ...
ESFUERZOS EN ROSCAS
            Ejemplo de esfuerzos en roscas.
            Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p c...
ESFUERZOS EN ROSCAS
            Ejemplo de esfuerzos en roscas.
            Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p c...
ESFUERZOS EN ROSCAS
            Ejemplo de esfuerzos en roscas.
            Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p c...
ESFUERZOS EN ROSCAS
            Ejemplo de esfuerzos en roscas.
            Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p c...
ESFUERZOS EN ROSCAS
            Ejemplo de esfuerzos en roscas.
            Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p c...
ESFUERZOS EN ROSCAS
            Ejemplo de esfuerzos en roscas.
            Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p c...
ESFUERZOS EN ROSCAS
            Ejemplo de esfuerzos en roscas.
            Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p c...
UNIONES CON PERNOS
            Objetivo de las uniones con pernos.
            Las uniones con pernos están destinadas a p...
UNIONES CON PERNOS
            Representación gráfica de los pernos.

               Representación   Representación     R...
UNIONES CON PERNOS
            Aplicación común de roscas: tuercas y pernos.
              Tamaño               Hexagonal ...
UNIONES CON PERNOS
            Aplicación común de roscas: tuercas y pernos.
              Tamaño               Hexagonal ...
UNIONES CON PERNOS
            Representación gráfica de las tuercas (Hex).

             Representación   Cara Arandela  ...
UNIONES CON PERNOS
            Representación gráfica de las tuercas (Hex).
              Tamaño               Hexagonal  ...
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            Representación gráfica de las tuercas (Hex).
              Tamaño               Hexagonal  ...
UNIONES CON PERNOS
            Tuercas comunes

               Tuerca          Tuerca      Tuerca cierre     Tuerca     Tu...
UNIONES CON PERNOS
            Aplicación común de roscas: tornillos de máquinas.
            Cabeza                      ...
UNIONES CON PERNOS
            Aplicación común de roscas: tornillos.




                    Cabeza Filister   Cabeza Pla...
UNIONES CON PERNOS
            Fabricación de la rosca.




            El hilo interior se prepara con una broca y luego
...
UNIONES CON PERNOS
                                           Marcado de pernos de acero grado SAE
            Número de  ...
UNIONES CON PERNOS
                        Propiedades mecánicas de elementos roscados de clase métrica
                  ...
UNIONES CON PERNOS
                Formas típicas de usar pernos.
                                        P             P ...
UNIONES CON PERNOS
            Pretensión de las juntas roscadas.
            Los conjuntos anteriores resisten tensión, c...
UNIONES CON PERNOS
            Pretensión de las juntas roscadas.
            La rigidez de un perno se puede dividir en u...
UNIONES CON PERNOS
            Pretensión de las juntas roscadas.
            La rigidez de los miembros, asumiendo que pu...
UNIONES CON PERNOS
            Pretensión de las juntas roscadas.
            Otra forma es suponer que se configura un co...
UNIONES CON PERNOS
            Pretensión de las juntas roscadas.
            La junta apernada puede fallar por:
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UNIONES CON PERNOS
            Pretensión de las juntas roscadas.
            1) Aplico Fi             Fi = Pre-tensión in...
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            Pretensión de las juntas roscadas.
            2) Aplico P                Fi = Pre-tensión ...
UNIONES CON PERNOS
            Pretensión de las juntas roscadas.
                                                        ...
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            Pretensión de las juntas roscadas.
            4) Carga resultante             Fp = Pp + Fi...
UNIONES CON PERNOS
            Pretensión de las juntas roscadas.
            5) Esfuerzo resultante
                Revis...
UNIONES CON PERNOS
            Pretensión de las juntas roscadas.
            6) Revisión de la separación
               ...
UNIONES CON PERNOS
            Requerimientos de torque.
            Si se pudiera estimar la elongación del perno antes
 ...
UNIONES CON PERNOS
            Requerimientos de torque.
            Podemos reescribir la ecuación dividiendo por pdm
   ...
UNIONES CON PERNOS
            Requerimientos de torque.
            Coeficientes de Torque (K):
                         ...
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            Ejemplo de carga y torque.                        P            P

            Evaluar los e...
UNIONES CON PERNOS
            Ejemplo de carga y torque.                                  P          P

            Evalu...
UNIONES CON PERNOS
            Ejemplo de carga y torque.                       P       P

            Evaluar los esfuerz...
UNIONES CON PERNOS
            Ejemplo de carga y torque.                           P      P

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            Ejemplo de carga y torque.                             P        P

            Evaluar los ...
UNIONES CON PERNOS
            Efecto de pretensar juntas roscadas        P     P

            Hemos visto la función de l...
UNIONES CON PERNOS
            Diseño de juntas apernadas                         M 16 x 2
                               ...
UNIONES CON PERNOS
            Diseño de juntas apernadas                      M 16 x 2
                                  ...
UNIONES CON PERNOS
            Diseño de juntas apernadas                         M 16 x 2
                               ...
UNIONES CON PERNOS
            Diseño de juntas apernadas
            Uniones Confinadas y No Confinadas



              ...
UNIONES CON PERNOS
            Retenes, golillas y arandelas comunes

             Arandela      Arandela      Arandela   ...
DISEÑO DE UNIONES
            Fallas de la Junta.
            Una junta de pernos o de remaches sometidos
            a ca...
DISEÑO DE UNIONES
            Fallas de la Junta.
            Falla por fluencia en tracción:

                          E...
DISEÑO DE UNIONES
            Fallas de la Junta.
            Falla por fluencia en flexión:

                    Se podrí...
DISEÑO DE UNIONES
            Fallas de la Junta.
            Falla por fluencia en cizalle:

                          En...
DISEÑO DE UNIONES
            Fallas de la Junta.
            Falla por fluencia de la placa:

                          E...
DISEÑO DE UNIONES
            Fallas de la Junta.
            Falla por aplastamiento de la placa:

                      ...
DISEÑO DE UNIONES
            Fallas de la Junta.
            Falla por desgarre de la placa (corte y tracción):

        ...
DISEÑO DE UNIONES
            Fallas en Juntas cargadas excéntricamente.
            Falla por corte, combinación de cizal...
DISEÑO DE UNIONES
            Fallas en Juntas cargadas excéntricamente.
            Falla por corte, combinación de cizal...
DISEÑO DE UNIONES
            Fallas en Juntas cargadas excéntricamente.
            Falla por corte, combinación de cizal...
DISEÑO DE UNIONES
            Ubicación del centroide.
            Falla por corte, combinación de cizalle y torsión,
    ...
DISEÑO DE UNIONES
            Sensibilidad en las Uniones
            Las uniones clásicas para el Ingeniero Mecánico
    ...
DISEÑO DE UNIONES
            Sensibilidad en las Uniones
            En ciertas circunstancias se hace necesario dis-
   ...
DISEÑO DE UNIONES
            Sensibilidad en las Uniones
            El accidente obligó al rediseño de la unión del SBR....
CONCLUSIONES
            Los elementos mecánicos pertenecen a sistemas
            de mayor jerarquía que deben operar int...
CONCLUSIONES
            Revisamos el diseño de roscas, tanto para trans-
            misión de potencia como para la unió...
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  1. 1. DISEÑO DE SISTEMAS DE SUJECIÓN Julio Vergara Aimone ICM 2312
  2. 2. INTRODUCCIÓN Los elementos mecánicos son parte de un siste- ma mayor que debe operar en forma integrada en forma confiable, por un tiempo especificado por el diseñador y respetado por el operador. Hay varias formas para que esas partes operen e interoperen efectivamente. Los dispositivos asociados a ejes motrices (álabes a masas, pis- tones a cigüeñales, camones a levas, volantes, etc.), son formas de integración funcional, sea transmitiendo energía y movimiento, o forman- do parte del soporte en una estructura estática. J.Vergara ICM2312
  3. 3. INTRODUCCIÓN Hay formas complejas de unir elementos inter- operables, siendo tal vez los trenes de engrana- jes las más sofisticadas, que aún no terminan de incorporar ideas e innovaciones eficientes. Ref: DSG Audi. J.Vergara ICM2312
  4. 4. INTRODUCCIÓN Existen sistemas de engranajes con varias entra- das de potencia (operando en modo Or o And), de varias marchas (7-8), manual y/o automática, 1 ó 2 embragues, etc. Vimos algunos de estos. PowerShift: 6 marchas y 10% más eficiente que Ford de 4 marchas. Ref: 2009escapehybrid.com J.Vergara ICM2312
  5. 5. INTRODUCCIÓN No obstante, hay dispositivos más “primitivos”, aunque de suficiente relevancia, para integrar componentes mecánicos complejos ya vistos. Una forma de estos son los remaches. Su impor- tancia estructural es innegable, así como su rol pasado en accidentes, i.e. Aloha 243 y Titanic. En los aviones modernos, aún se aplican al siste- ma semi-monocoque que lo concibe, más solda- duras avanzadas (TIG, fricción, punto, etc.). Esto no es el fin de la historia, pues hoy incluyen polí- meros que requieren más y mejores adhesivos. J.Vergara ICM2312
  6. 6. INTRODUCCIÓN En los buques modernos, la utilización de rema- ches en el casco ha sido casi totalmente susti- tuida por la soldadura, como unión permanente. Otra forma común de unión es el pasador (usado en juntas de secciones de un SBR). Finalmente, los más comunes: el perno y el tornillo, que se diferencian del remache en la facilidad de desmonte. J.Vergara ICM2312
  7. 7. INTRODUCCIÓN La importancia de estos mecanismos de unión adquiere proporciones en sistemas complejos. Un avión moderno puede tener un par de millo- nes de pernos, seguros y remaches. Algunos de ellos son de alto costo unitario, lo que demanda nuevos materiales así como sistemas de fabrica- ción y unión. Otros, en cambio, son baratos. La variedad de mecanismos de unión es grande y por ende no se pueden abarcar todos ellos en un curso introductorio de diseño. Algunos son específicos y se analizan para cada caso. J.Vergara ICM2312
  8. 8. INTRODUCCIÓN Tan amplio como los diseños disponibles son las modalidades de falla. Observamos fallas en las diferentes secciones, en lugares de alta concentración de esfuerzos, tanto en el elemento que hace la sujeción como en el elemento al cual sujeta, y eventualmente ambos si se crea una copla galvánica. Las fallas pueden existir por tensión, corte o por efectos combinados en el elemento de sujeción, así como por corte y fractura en el elemento bajo unión, según el espesor de éste. J.Vergara ICM2312
  9. 9. INTRODUCCIÓN Podemos caracterizar tipos de unión genéricos: Uniones desmontables Uniones fijas o o Semipermanentes: Permanentes: Pernos y tornillos Soldaduras Chavetas y retenes Remaches (roblón) Pasadores Adhesivos Seguros Interferencias Esto no es una regla intocable, pues las uniones permanentes se pueden rehacer y las sujeciones desmontables pueden ser fijas. J.Vergara ICM2312
  10. 10. DISEÑO DE ROSCAS Las uniones más comunes son las roscadas, las que adquieren diferentes nombres según su apli- cación (i.e. pernos, tuercas, tornillos). J.Vergara ICM2312
  11. 11. DISEÑO DE ROSCAS El rango de tamaños de las uniones roscadas es muy amplio, desde las que vemos en una vasija de presión hasta los usados en un reloj mecánico. Sistema de apriete hidráu- lico simultáneo vs trabajo de antiguo relojero. J.Vergara ICM2312
  12. 12. DISEÑO DE ROSCAS Nomenclatura de roscas. Las roscas estándares son de paso derecho, y simple. Rosca Externa Rosca Interna La rosca fue un invento mecánico muy relevante. J.Vergara ICM2312
  13. 13. DISEÑO DE ROSCAS Nomenclatura de roscas. El paso puede ser doble, triple o cuádruple. Por ejemplo, el de paso doble se vería como sigue: La dimensión l es el Avance de una rosca. Aquí sería igual a 2p Se usa en envases para un cerrado que encuentra rápidamente una posición y se abre fácilmente. J.Vergara ICM2312
  14. 14. DISEÑO DE ROSCAS Nomenclatura de roscas. 60° Perfil métrico Perfil Perfil M y MJ cuadrado ACME Estas son las roscas más comunes. Las roscas de perfil cuadrado y ACME se usan en potencia. J.Vergara ICM2312
  15. 15. DISEÑO DE ROSCAS Nomenclatura de roscas. p p p r = 0.106p 0.25p 60° 60° 60° 0.433p d d d V aguda Nacional USA Filete truncado unificada de 60° p p 0.371p p 0.422p 29° 0.5p 29° 0.5p 0.3p d d d Filete cuadrado ACME ACME de filete o rectangular truncado p p p r = 0.5p r = 0.137p 45° 55° 0.66p 0.5p 0.64p d d d Trapecial diente Redondo Whitworth de sierra J.Vergara ICM2312
  16. 16. DISEÑO DE ROSCAS Nomenclatura de roscas. M12 x 1.75 5/8”- 18 UNF Métrico = Diámetro Unificado = Diáme- nominal (mayor) 12 tro nominal 5/8”; 18 mm; Paso 1.75 mm. hilos por pulgada, Esta es la definitiva. serie UNF. J.Vergara ICM2312
  17. 17. DISEÑO DE ROSCAS Nomenclatura de roscas. Diámetro Serie paso grueso Serie paso fino nominal Area Resis- Area me- Area Resis- Area me- mayor Paso tencia tra- nor diáme- Paso tencia tra- nor diáme- (d) (p) cción (At) tro (Ar) (p) cción (At) tro (Ar) mm mm mm2 mm2 mm mm2 mm2 M12 x 1.75 d = 12 mm, p = 1.75 mm At = 84.3 mm2 Ar = 76.3 mm2 J.Vergara ICM2312
  18. 18. DISEÑO DE ROSCAS Nomenclatura de roscas. Símbolos de rosca más comunes Denominación usual Otras American Petroleum Institute API British Association BA International Standards Organisation ISO Rosca para bicicletas C Rosca Edison E Rosca de filetes redondos Rd Rosca de filetes trapesoidales Tr Rosca para tubos blindados PG Pr Rosca Whitworth de paso normal BSW W Rosca Whitworth de paso fino BSF Rosca Whitworth cilíndrica para tubos BSPT KR Rosca Whitworth BSP R Rosca Métrica paso normal M SI Rosca Métrica paso fino M SIF Rosca Americana Unificada paso normal UNC NC, USS Rosca Americana Unificada paso fino UNF NF, SAE Rosca Americana Unificada pasoextrafino UNEF NEF Rosca Americana Cilíndrica para tubos NPS Rosca Americana Cónica para tubos NPT ASTP Rosca Americana paso especial UNS NS Rosca Americana Cilíndrica "dryseal" para tubos NPSF Rosca Americana Cónica "dryseal" para tubos NPTF J.Vergara ICM2312
  19. 19. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. Tuerca Similares sistemas en gatas, prensas, servomo- tores, flaps, barras de control, etc. J.Vergara ICM2312
  20. 20. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. Enero 2000: MD-83, Alaska Airlines 261 pierde su control horizontal, se invierte, retoma control, oscila y cae. La causa radicó en el torni- llo de potencia del estabilizador. J.Vergara ICM2312
  21. 21. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. Motores de Estabilizador trimado H V Timón Rosca Causa 0: excesivo des- gaste en rosca ASME de potencia (Estab. H). Ref: NTSB-AAR 01/01 J.Vergara ICM2312
  22. 22. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. Si desarrollamos el perno en un giro, vemos un triángulo de base pdm y altura igual al avance l. F F PS PB l l l l pdm pdm Diagrama de fuerzas Diagrama de fuerzas levantando una carga bajando una carga J.Vergara ICM2312
  23. 23. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. F F Subida Bajada de carga PS l de carga PB l l l pdm pdm Balances de Fuerza y eliminando N: H: PS - N senl - f N cosl = 0 - PB - N senl + f N cosl = 0 V: F + f N senl- N cosl = 0 F - f N senl - N cosl = 0 F(senl - cosl) F(f cosl - senl) PS = PB = cosl - f senl cosl + f senl J.Vergara ICM2312
  24. 24. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. F F Subida Bajada de carga PS l de carga PB l l l pdm pdm l Dividiendo por cosl, y del triángulo: tanl = pdm l + f pdm f pdm - l PS = F PB = F pdm - f l pdm + f l Torque para vencer m y subir (bajar) carga: l + f pdm dm f pdm - l dm TS = F TB = F pdm - f l 2 pdm + f l 2 J.Vergara ICM2312
  25. 25. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. F F Subida Bajada de carga PS l de carga PB l l l pdm pdm Puede darse una situación, de bajada de carga, que enfrente un gran avance (i.e. l por doble pa- so) y un f bajo, tal que el tornillo se suelte sin fuerza (T < 0). Éste se autobloqueará si cumple: f pdm - l dm TB = F pdm + f l 2  f pdm > l o, f > tanl J.Vergara ICM2312
  26. 26. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. F F Subida Bajada de carga PS l de carga PB l l l pdm pdm Se puede conocer la eficiencia (e) de rosca si se evalua T sin roce, i.e. la parte para subir la carga. l + f pdm dm F l TS = F  T0 = pdm - f l 2 2 p T0 Fl  Trabajo entregado (WOUT) e= = TS 2pTS  Trabajo ingresado (WIN) J.Vergara ICM2312
  27. 27. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. Normalmente se usa un collar de empuje para tomar la carga axial, lo cual introduce un nue- vo término en el torque (Tc): Ff d Tc = c c 2 Luego, T en cada caso será: l + f pdm dm Ffcdc f pdm - l dm Ffcdc TS = F + TB = F pdm - f l 2 2 pdm + f l 2 + 2 J.Vergara ICM2312
  28. 28. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. Las expresiones anteriores son para rosca cuadrada. Con un ACME, el tér- mino friccional (de la rosca) se divide por cosa. Pierde eficiencia por a. Esta aproximación desprecia el efecto F a Tuerca o masa del ángulo l. cosa f pdm/cosa + l dm f pdm/cosa - l dm TS ≈ F TB ≈ F pdm - f l/cosa 2 pdm + f l/cosa 2 J.Vergara ICM2312
  29. 29. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. Agregando el collarín, para una rosca con ángulo, y multiplican- do por cosa, se obtienen las si- guientes expresiones: f pdm + l cosa dm Ff d TS ≈ F + c c pdmcosa - f l 2 2 Tuerca o masa f pdm - l cosa dm Ff d TB ≈ F + c c pdmcosa + f l 2 2 J.Vergara ICM2312
  30. 30. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. En una rosca con ángulo, el autobloqueo (en la bajada) estará dado por la siguiente expresión: f pdm - l cosa dm TB = F pdmcosa + f l 2 l f> cosa f pdm - l cosa > 0  pdm f > tanl cosa La eficiencia de la rosca será: T0 Fl l pdmcosa - f l cosa - f tanl e= = = = TS 2pTS pdm p fdm +l cosa cosa + f cotl J.Vergara ICM2312
  31. 31. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. e (%) 100 100 f = 0.01 90 0.02 90 80 0.05 80 70 0.10 70 60 autobloqueo 0.15 60 50 0.20 50 40 0.25 40 30 30 20 20 10 10 0 ACME a = 14.5° l 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 J.Vergara ICM2312
  32. 32. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. Valores de f (pares perno-tuerca y collares): Material de la Tuerca Material Acero Acero Bronce Latón del Perno fundido Acero, sin aceite Acero, con aceite Bronce Combinación En marcha Partida Perno y Collar Acero dulce y acero fundido Acero martensítico y acero fundido Acero dulce en bronce Acero martensítico en bronce Ref: Shigley J.Vergara ICM2312
  33. 33. DISEÑO DE ROSCAS Roscas para transmisión de potencia. Es posible utilizar tornillos o roscas de bolas, de bajo roce y alta eficiencia. No poseen capacidad de autobloqueo, por lo que requiere de un freno. J.Vergara ICM2312
  34. 34. ESFUERZOS EN ROSCAS Esfuerzos en las roscas. Los esfuerzos nominales en roscas de potencia (referidos a parámetros del hilo) son: Tr 16 T Corte en cuerpo: t= r = J pdr3 V 4 VS Corte cruzado: t= S = A pdr2 F 4F Corte compartido: t = = nt h A pd h F 4F d Tensión en cuerpo: s = r = d A pdr 2 m d J.Vergara ICM2312
  35. 35. ESFUERZOS EN ROSCAS Esfuerzos en las roscas. Los esfuerzos nominales en roscas de potencia (referidos a parámetros del hilo) son (cont): Efecto de columna corta (parábola): PCR sy2 Le 2 sc = = sy – 2 A 4p E k Soporte (contacto): nt h F 2F sB = = pdmntp/2 pdmntp activas dr dm d J.Vergara ICM2312
  36. 36. ESFUERZOS EN ROSCAS Esfuerzos en las roscas. Los esfuerzos nominales en roscas de potencia (referidos a parámetros del hilo) son (cont): dm Flexión en la raíz del hilo: dr F M·c I pdrnt(p/2)2 sF = = sF t I c 6 F·p 24 6F Z sF = = ACME 4 pdrntp2 pdrntp X 3V 3 F 3F Corte en raiz: t = = = 2 A 2 pdrntp/2 pdrntp J.Vergara ICM2312
  37. 37. ESFUERZOS EN ROSCAS Esfuerzos en las roscas. Los esfuerzos ortogonales en el plano de la raíz nos permiten evaluar la intensidad del esfuerzo: dm 6F F sX = tXY = 0 dr pdrntp 16 T sF t sY = 0 tYZ = 3 pdr Z 4F ACME sZ = tZX = 0 pdr2 X No todos los hilos toman igual carga. Para el con- junto perno-tuerca se suele asumir F = 0.38F´ y nt = 1. J.Vergara ICM2312
  38. 38. ESFUERZOS EN ROSCAS Ejemplo de esfuerzos en roscas. Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p con d = 32 mm, p= 4 mm, dc= 40 mm, F= 6.4 kN/n, f = fc= 0.08. Z Rosca= p/2 x p/2 = 2 x 2 mm F X dm = d – p/2 = 32 – 4/2 = 30 mm dm dr = d – p = 32 – 4 = 28 mm ½p ½p Perfil p l = np = 2(4) = 8 mm cuadrado dr Primero evaluamos TMAX d J.Vergara ICM2312
  39. 39. ESFUERZOS EN ROSCAS Ejemplo de esfuerzos en roscas. Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p con d = 32 mm, p= 4 mm, dc= 40 mm, F= 6.4 kN/n, f = fc= 0.08. l + f pdm dm Ffcdc TS = F + Subida de la carga. pdm - f l 2 2 8 + 0.08p30 30 6.4 (0.08)40 TS = 6.4 + p30 - 0.08(8) 2 2 T0 Fl 6.4(8) TS = 15.94 + 10.24 = 26.18 Nm e = = = = 0.311 TS 2pTS 2p26.18 J.Vergara ICM2312
  40. 40. ESFUERZOS EN ROSCAS Ejemplo de esfuerzos en roscas. Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p con d = 32 mm, p= 4 mm, dc= 40 mm, F= 6.4 kN/n, f = fc= 0.08. f pdm - l dm Ffcdc TB = F pdm + f l 2 + 2 Bajada de la carga. 0.08p30 - 8 30 6.4 (0.08)40 TB = 6.4 + p30 + 0.08(8) 2 2 TB = -0.466 + 10.24 = 9.77 Nm El collar impide la bajada. Y es de doble paso!!. J.Vergara ICM2312
  41. 41. ESFUERZOS EN ROSCAS Ejemplo de esfuerzos en roscas. Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p con d = 32 mm, p= 4 mm, dc= 40 mm, F= 6.4 kN/n, f = fc= 0.08. Z 6F 6(0.38(6.4)) sX = = = 41.5 MPa F X pdrntp p28(1)(4) dm sY = 0 (sF) sX t 4F 4(6.4) p ½p ½p sZ sZ = = = -10.4 MPa pdr2 p282 dr d J.Vergara ICM2312
  42. 42. ESFUERZOS EN ROSCAS Ejemplo de esfuerzos en roscas. Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p con d = 32 mm, p= 4 mm, dc= 40 mm, F= 6.4 kN/n, f = fc= 0.08. Z tXY = 0 F X dm 16 T 16 (26.18) sX tYZ = = 6.07 MPa pdr3 = p283 t ½p ½p Perfil p tZX = 0 cuadrado dr d J.Vergara ICM2312
  43. 43. ESFUERZOS EN ROSCAS Ejemplo de esfuerzos en roscas. Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p con d = 32 mm, p= 4 mm, dc= 40 mm, F= 6.4 kN/n, f = fc= 0.08. sX = 41.5 MPa tXY = 0 sY = 0 tYZ = 6.07 MPa sZ = -10.4 MPa tZX = 0 Esfuerzo principal: sP1 =41.5 (no hay esfuerzos cor- tantes en x). Luego por Mohr: sP2 =2.8 y sP3 =-13.2 MPa J.Vergara ICM2312
  44. 44. ESFUERZOS EN ROSCAS Ejemplo de esfuerzos en roscas. Evaluar esfuerzos en rosca de potencia de 2p con d = 32 mm, p= 4 mm, dc= 40 mm, F= 6.4 kN/n, f = fc= 0.08. Se aplica una teoría de fallas (distorsión) 1 (s1-s2)2 + (s2-s3)2 + (s1-s3)2 ≥ sf2 2 1 (41.5-2.8)2 + (2.8+13.2)2 + (41.5+13.2)2 ≥ sf2 2 Se identifica un material: sf ≥ 48.7 MPa J.Vergara ICM2312
  45. 45. UNIONES CON PERNOS Objetivo de las uniones con pernos. Las uniones con pernos están destinadas a proveer integridad a un conjunto de elementos mecánicos en forma semi-permanente. La tarea del diseñador es dimensionar la junta y se- leccionar o confeccionar los elementos componen- tes, considerar formas, sellos y otros dispositivos. Luego, debe evaluar el proceso de ensamble, y los requerimientos de torque para dar rigidez y distri- buir las fuerzas. J.Vergara ICM2312
  46. 46. UNIONES CON PERNOS Representación gráfica de los pernos. Representación Representación Representación Representación Artística Simplificada Europea Norteamericana Simplificada EUA J.Vergara ICM2312
  47. 47. UNIONES CON PERNOS Aplicación común de roscas: tuercas y pernos. Tamaño Hexagonal Hexagonal Hexagonal Cuadrado Nominal Regular Pesado Estructural (pulg) W H W H Rmin W H Rmin W H Rmin LT pulg pulg pulg pulg J.Vergara ICM2312
  48. 48. UNIONES CON PERNOS Aplicación común de roscas: tuercas y pernos. Tamaño Hexagonal Hexagonal Hexagonal Cuadrado Nominal Regular Pesado Estructural (mm) W H W H Rmin W H Rmin W H Rmin LT En mm J.Vergara ICM2312
  49. 49. UNIONES CON PERNOS Representación gráfica de las tuercas (Hex). Representación Cara Arandela Regular Contratuerca Contratuerca Tuerca General (golilla) biselado doble con golilla biselado doble J.Vergara ICM2312
  50. 50. UNIONES CON PERNOS Representación gráfica de las tuercas (Hex). Tamaño Hexagonal Hexagonal Hexagonal Cuadrado Nominal Regular Pesado Estructural (mm) W H W H Rmin W H Rmin W H Rmin J.Vergara ICM2312
  51. 51. UNIONES CON PERNOS Representación gráfica de las tuercas (Hex). Tamaño Hexagonal Hexagonal Hexagonal Cuadrado Nominal Regular Pesado Estructural (mm) W H W H Rmin W H Rmin W H Rmin J.Vergara ICM2312
  52. 52. UNIONES CON PERNOS Tuercas comunes Tuerca Tuerca Tuerca cierre Tuerca Tuerca de Tuerca de estándar autofrenada de brida almenada bellota (ciega) mariposa Tuerca de se- Tuerca 12 Tuerca 12 Tuerca Tuerca con Tuerca guridad Gilles puntos puntos internos deformable freno de nylon cuadrada J.Vergara ICM2312
  53. 53. UNIONES CON PERNOS Aplicación común de roscas: tornillos de máquinas. Cabeza Cabeza Redonda Plana Cabeza Cabeza Filister Ovalada Cabeza Cabeza Truss de Unión Cabeza Cabeza Hex Hex J.Vergara ICM2312
  54. 54. UNIONES CON PERNOS Aplicación común de roscas: tornillos. Cabeza Filister Cabeza Plana Cabeza Hexagonal (Allen) J.Vergara ICM2312
  55. 55. UNIONES CON PERNOS Fabricación de la rosca. El hilo interior se prepara con una broca y luego se forma con un macho. J.Vergara ICM2312
  56. 56. UNIONES CON PERNOS Marcado de pernos de acero grado SAE Número de Rango del diámetro Carga de Esfuerzo de Marcado de la Material grado SAE [pulg] prueba [kpsi] ruptura [kpsi] cabeza ¼ - 1½ ¼ - ¾ 7/8 - Acero de bajo carbono ó acero 1 , 2 y4 33 a 55 60 a 74 1½ al carbono 5 ¼ - 1 11/8 - 1½ 74 a 85 Acero al carbono, Templado y 105 a 120 Revenido 5.2 ¼-1 85 120 Acero de bajo C martensítico, Templado y Revenido Acero al carbono aleado, 7 ¼ - 1½ 105 133 Templado y Revenido Acero al carbono aleado, 8 ¼ - 1½ 120 150 Templado y Revenido 8.2 ¼-1 120 150 Acero de bajo C martensítico, Templado y Revenido J.Vergara ICM2312
  57. 57. UNIONES CON PERNOS Propiedades mecánicas de elementos roscados de clase métrica Rango del Carga de Esfuerzo de Marcado de la Clase Material diámetro prueba [MPa] Ruptura [MPa] cabeza 4.6 M5 - M36 225 400 Acero de bajo carbono ó acero al carbono 4.8 M1.6 - M16 310 420 Acero de bajo carbono ó acero al carbono 5.8 M5 - M24 380 520 Acero de bajo carbono ó acero al carbono 8.8 M16 - M36 600 830 Acero al carbono, Templado y Revenido 9.8 M1.6 - M16 650 900 Acero al carbono, Templado y Revenido 10.9 M5 - M36 830 1040 Acero de bajo carbono marten- tsítico, Templado y Revenido 12.9 M1.6 - M36 970 1220 Acero aleado, Templado y Revenido J.Vergara ICM2312
  58. 58. UNIONES CON PERNOS Formas típicas de usar pernos. P P P P l l l P P P P Con Pieza Roscada Perno prisionero Con Tuerca y Golilla y Golilla con Tuerca y Golilla (y contratuerca) J.Vergara ICM2312
  59. 59. UNIONES CON PERNOS Pretensión de las juntas roscadas. Los conjuntos anteriores resisten tensión, corte y momento si están ajustados. La tuerca, o cuerpo, estira el perno y produce una (pre)carga P P comprimiendo el resto de la junta. Varios componentes de la junta con- l tribuyen a la deflexión en el tramo l, que es menor al largo total del perno. Recordemos que en una barra es: P P F u F·l F A·E s= = E  u=  k= = (rigidez) A l A·E u l J.Vergara ICM2312
  60. 60. UNIONES CON PERNOS Pretensión de las juntas roscadas. La rigidez de un perno se puede dividir en un tramo con hilo y otro sin hilo: P P A ·E kt = t 1 1 1 lt = + kp kt kn A ·E ln kn = n l ln lt An·At·E kp = An·lt+ At·ln P P pd2·E En forma aproximada, ésta será:  kp = 4·l J.Vergara ICM2312
  61. 61. UNIONES CON PERNOS Pretensión de las juntas roscadas. La rigidez de los miembros, asumiendo que puede haber golillas y contratuercas, será: P P 1 1 1 1 … 1 = + + km k1 k2 k3 kn ln l En algunos casos no se conoce la lt geometría de la junta, y se asume un cilindro hueco (con do ≈ 3·d): P P A·E p(do2 - d2) 2p·d2·E km = A=  km = l 4 l J.Vergara ICM2312
  62. 62. UNIONES CON PERNOS Pretensión de las juntas roscadas. Otra forma es suponer que se configura un cono. Rotscher definió ésta geometría: P P ln l lt Uno de los desarrollos lleva a: P P 0.577p Ed 0.577p Ed km = = (1.115 t + D - d)(D + d) 0.577·LJ + 0.5·d ln 2 ln 5 (1.115 t + D + d)(D + d) 0.577·LJ + 2.5·d J.Vergara ICM2312
  63. 63. UNIONES CON PERNOS Pretensión de las juntas roscadas. La junta apernada puede fallar por: Fluencia del perno. P P Separación de la junta. ln l Para evitar la separación de la junta, lt es conveniente pretensionar el perno. Si este resulta excesivo, puede fallar P P el perno por fluencia. No obstante, en general, si el perno no se corta al pre- tensar, ésta sobrevivirá en buen pie. J.Vergara ICM2312
  64. 64. UNIONES CON PERNOS Pretensión de las juntas roscadas. 1) Aplico Fi Fi = Pre-tensión inicial (antes de carga externa P) Fi deja “p” en tensión y “m” en compresión F km kp Fi - + um up m = miembros p = perno J.Vergara ICM2312
  65. 65. UNIONES CON PERNOS Pretensión de las juntas roscadas. 2) Aplico P Fi = Pre-tensión inicial (antes de carga externa P) P = Carga externa (Pm= parte tomada por miembros). F P = Pp + Pm (Pp= parte tomada por el perno). P km kp Pp Fi P = Pp + Pm Pm P Pm Pp Dum = Dup = km kp - + um up J.Vergara ICM2312
  66. 66. UNIONES CON PERNOS Pretensión de las juntas roscadas. kp·P 3) Produce Du Dum = Dup Pp = = C·P C = constante kp + km Pm Pp de la junta F km = kp Pm = P - Pp = (1 - C)·P P km kp Pp Fi P = Pp + Pm Pm P Pm Pp Dum = Dup = km kp - + um up J.Vergara ICM2312
  67. 67. UNIONES CON PERNOS Pretensión de las juntas roscadas. 4) Carga resultante Fp = Pp + Fi = C·P + Fi Fm = Pm - Fi = (1 - C)·P + Fi Fm < 0 F P Fp km Pp kp Fi P = Pp + Pm Pm Fm P Pm Pp Dum = Dup = km kp - + um up J.Vergara ICM2312
  68. 68. UNIONES CON PERNOS Pretensión de las juntas roscadas. 5) Esfuerzo resultante Revisión del perno que está en tensión (acá los miem- bros en compresión tienen menor solicitación) P Fp = Pp + Fi = C·P + Fi Pp + Fi C·P + Fi sp = = < stp At At su Definiremos n, C·n·P + Fi s P = stp sy factor de carga: At stp Si n > 1, el esfuer- stp·At - Fi n= E zo será aceptable. C·P e J.Vergara ICM2312
  69. 69. UNIONES CON PERNOS Pretensión de las juntas roscadas. 6) Revisión de la separación Si la carga P produce separación, ésta recaerá entera- mente en el perno. En separación, Fm = 0. P Fm = Pmo - Fi = (1 - C)·P + Fi = 0 Definimos no, fac- Po tor de seguridad no = P su ante separación: s P sy La pretensión del perno es stp el “seguro” de la unión. Por Fi no = ende, deberá usarse toda la (1 - C)·P E capacidad del perno. e J.Vergara ICM2312
  70. 70. UNIONES CON PERNOS Requerimientos de torque. Si se pudiera estimar la elongación del perno antes de aplicar la carga se podría precargar el perno con el valor necesario. En la práctica, es difícil medir la elongación de un perno (no se ve totalmente). Se puede realizar por etapas de apriete. El torque será: l + f pdmseca dm Fifcdc T = Fi + pdm - f lseca 2 2 J.Vergara ICM2312
  71. 71. UNIONES CON PERNOS Requerimientos de torque. Podemos reescribir la ecuación dividiendo por pdm y usando tan l = l / pdm. Como se conoce el diámetro de collar (la cara de la tuerca hacia la golilla igual a 1.5 veces el diámetro nominal), se obtiene: tanl + f seca dm T= + 0.625·fc ·Fi·d 1 - f tanlseca 2d K Coeficiente de Torque Llave de torque J.Vergara ICM2312
  72. 72. UNIONES CON PERNOS Requerimientos de torque. Coeficientes de Torque (K): Condición K del Perno No enchapado, terminado negro. 0.30 Bañado en zinc 0.20 Lubricado 0.18 Bañado en cadmio 0.16 Juntas antideslizamiento 0.12 Juntas de aprete 0.09 T = K·Fi·d Para f = 0.15, K ≈ 0.2 T = 0.2 Fi·d J.Vergara ICM2312
  73. 73. UNIONES CON PERNOS Ejemplo de carga y torque. P P Evaluar los esfuerzos de precarga y ser- ln vicio y torque para precarga de un perno l M 20 x 1.5 de 65 mm, clase 8.8, con una ten- lt sión inicial de Fi = 111 kN. La junta se some- P P te a P = 26.7 kN. La rigidez del perno es 1140 MN/m y la de miembros es 2420 MN/m. su Por tabla: s sy At (M 20 x 1.5) = 271 mm2 stp = 600 MPa stp Ar (M 20 x 1.5) = 245 mm2 E e J.Vergara ICM2312
  74. 74. UNIONES CON PERNOS Ejemplo de carga y torque. P P Evaluar los esfuerzos de precarga… ln l km = 1140 MN/m kp = 2420 MN/m. lt F km Fp kp Pp Fi P P P = Pp + Pm Fi = 111.0 kN. Pm f = 0.15 P = 26.7 kN. Fm - + 60° um up M 20 x 1.5 de 65 mm. Clase 8.8. d = 20 mm, l = p = 1.5mm. a = 30° J.Vergara ICM2312
  75. 75. UNIONES CON PERNOS Ejemplo de carga y torque. P P Evaluar los esfuerzos de precarga… ln F 0.111 MN l Esfuerzo de precarga: si = i = lt At 271·10-6m2 si = 409 MPa P P kp 1140 Rigidez unión: C = = = 0.32 = 32% kp + km 1140 +2420 F C·P + Fi Esfuerzo postcarga: sp = p = At At 0.32·0.0267 + 0.111 sp = = 441 MPa 271·10-6m2 J.Vergara ICM2312
  76. 76. UNIONES CON PERNOS Ejemplo de carga y torque. P P Evaluar los esfuerzos de precarga… ln l Torque necesario: lt tanl + f seca dm T= + 0.625ft Fi·d P P 1 - f tanlseca 2d l dr= (4Ar/p)0.5 dm= 0.5 (dm + dr) l = tan-1 pdm dr= (4·245·10-6m2/p)0.5 dm= 0.5 (20+ 17.66) l = tan-1 1.5 p18.83 dr= 17.66 mm dm= 18.83 mm l = 1.45° J.Vergara ICM2312
  77. 77. UNIONES CON PERNOS Ejemplo de carga y torque. P P Evaluar los esfuerzos de precarga… ln l Torque necesario: a= 30°, f = ft = 0.15 lt 0.025 + 0.15·1.154 18.83 T= + 0.625·0.15 ·111·0.02 P P 1-0.15·0.025·1.154 2·20 0.012 + 0.082 + 0.094 6% + 44% + 50% Tensión Fricción Fricción K en perno en rosca en tuerca T = 0.187·111·0.02 = 415 Nm Error ~ 7% T ≈ 0.2·Fi·d = 0.2·111·0.02 = 444 Nm J.Vergara ICM2312
  78. 78. UNIONES CON PERNOS Efecto de pretensar juntas roscadas P P Hemos visto la función de la pretensión, ln que asigna entre 70 y 80% de la carga P l lt externa sobre la junta a los miembros en compresión. Mientras más largo sea el P P ajuste, mayor porción toma. La capacidad de la unión está definida por la pre- tensión del perno, que cuenta con margen de res- paldo por el rango plástico. Sin embargo, debe considerarse la torsión por fricción en el apriete. J.Vergara ICM2312
  79. 79. UNIONES CON PERNOS Diseño de juntas apernadas M 16 x 2 L= 57 mm Encontrar la rigidez del perno y miem- bros de esta junta de largo 3.8 cm y el ld N° de pernos para una fuerza de se- lt paración de 160 kN, con un factor de L LJ carga = 2, con pernos reutilizables, LT L = 38 mm + 10.75 mm (H tuerca) + 2·2 mm = 52.75 mm (por Series-R se elige 60 mm) LT = 2·d + (6, 12 ó 25 mm) = 2·16 + 6 = 38 mm ld = L - LT = 60 - 38 = 22 mm lt = LJ - Ld = 38 - 22 = 16 mm J.Vergara ICM2312
  80. 80. UNIONES CON PERNOS Diseño de juntas apernadas M 16 x 2 L= 57 mm Encontrar la rigidez del ... Ep = 207 MPa Buscamos: k y k Em = 95 MPa ld p m lt An = p162/4= 201 mm2 ld = 22 mm L LJ At = 157 mm2 lt = 16 mm LT An·At·E 201·157·207 N kp = = = 979 An·lt+ At·ln 201·16+ 157·22 mm 0.577p Ed 0.577p 95·16 N km = = = 1561 0.577·LJ + 0.5·d 0.577·38+0.5·16 mm 2 ln 5 2 ln 5 0.577·LJ + 2.5·d 0.577·38+2.5·16 J.Vergara ICM2312
  81. 81. UNIONES CON PERNOS Diseño de juntas apernadas M 16 x 2 L= 57 mm Encontrar la rigidez del ... Ep = 207 MPa Constante de rigidez: Em = 95 MPa ld kp 979 lt C= = = 0.38 = 38% L LJ kp + km 979+1561 stp·At - Fi LT Nº de pernos para P = 160 kN: n = C·P/N Fi = 0.8·At·stp= 0.8·157·585 = 73 kN. C·n·P 0.38·2·160000 N= = =6,5 N = 8 pernos stp·At - Fi 585·157 - 73000 (simetría) J.Vergara ICM2312
  82. 82. UNIONES CON PERNOS Diseño de juntas apernadas Uniones Confinadas y No Confinadas Junta Confinada Junta No Confinadas J.Vergara ICM2312
  83. 83. UNIONES CON PERNOS Retenes, golillas y arandelas comunes Arandela Arandela Arandela Arandela Arandela con- Arandela estándar partida curvada cónica tacto cónica biselada Arandela Tuerca sobre- Tuerca sobre- Arandela Arandela Arandela de endurecida puesta interna puesta externa ondulada de contacto dos puntas J.Vergara ICM2312
  84. 84. DISEÑO DE UNIONES Fallas de la Junta. Una junta de pernos o de remaches sometidos a cargas estáticas cortantes puede fallar por: Fluencia del perno o del remache por tracción, cizalle o flexión. Fluencia de los miembros o placas. Aplastamiento. Desgarre o rajadura. La junta puede estar sometida a cargas cíclicas, de diferente amplitud media. J.Vergara ICM2312
  85. 85. DISEÑO DE UNIONES Fallas de la Junta. Falla por fluencia en tracción: En este caso: P=F/# P stp sZp = = A n J.Vergara ICM2312
  86. 86. DISEÑO DE UNIONES Fallas de la Junta. Falla por fluencia en flexión: Se podría estimar el momento de flexión, como M = F·d / 2 y estimar el esfuerzo s = M·c / I En la práctica es difícil conocer como se distribuye la carga entre los miembros, por lo tanto sólo se puede describir conceptualmente. J.Vergara ICM2312
  87. 87. DISEÑO DE UNIONES Fallas de la Junta. Falla por fluencia en cizalle: En este caso: V=F/# V syr tZr = = At 2·n J.Vergara ICM2312
  88. 88. DISEÑO DE UNIONES Fallas de la Junta. Falla por fluencia de la placa: En este caso: V=F/# s sZpl = V = ypl (l -d)t n l J.Vergara ICM2312
  89. 89. DISEÑO DE UNIONES Fallas de la Junta. Falla por aplastamiento de la placa: En este caso: V=F/# V s sZpl = = cpl (d)t n d J.Vergara ICM2312
  90. 90. DISEÑO DE UNIONES Fallas de la Junta. Falla por desgarre de la placa (corte y tracción): En este caso: V=F/# P=F/# V s P s tZpl = = ypl sXpl = = ypl 2·e·t 2·n At 2·n e J.Vergara ICM2312
  91. 91. DISEÑO DE UNIONES Fallas en Juntas cargadas excéntricamente. Falla por corte, combinación de cizalle y torsión: F´ E “ FE w rE w J.Vergara ICM2312
  92. 92. DISEÑO DE UNIONES Fallas en Juntas cargadas excéntricamente. Falla por corte, combinación de cizalle y torsión: F´ E Carga de cizalle (corte primario): “ F0 n = # de pernos F’ = FE rE n Carga de torsión (corte secundario): F”·d = FA”rA + FB”rB + FC”rC + …+ Fn”rn  FA” FB” FC” … Fn” = = = =  rA rB rC rn J.Vergara ICM2312
  93. 93. DISEÑO DE UNIONES Fallas en Juntas cargadas excéntricamente. Falla por corte, combinación de cizalle y torsión: F´ E Combinando  y : “ FE F0·d·rn F0·d·rn rE Fn” = 2 = rA + r B2 + r C2 + … + r n 2 ∑ ri2 Si los pernos son de diferente área, los esfuerzos cortantes (en vez de F) serán proporcionales a la distancia. J.Vergara ICM2312
  94. 94. DISEÑO DE UNIONES Ubicación del centroide. Falla por corte, combinación de cizalle y torsión, se necesita encontrar el centroide (G) de área de los remaches o pernos : A ·x + A ·x + A ·x + A ·x + A ·x x= 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 A1 + A2 + A3 + A4+ A5 A1·y1 + A2·y2 + A3·y3 + A4·y4 + A5·y5 y= A1 + A2 + A3 + A4+ A5 ∑ Ai·xi ∑ Ai·yi x= y= ∑ Ai ∑ Ai J.Vergara ICM2312
  95. 95. DISEÑO DE UNIONES Sensibilidad en las Uniones Las uniones clásicas para el Ingeniero Mecánico son las asociadas a la unión de metales, ya sea a través de sistemas mecánicos o de dispositivos de unión como pernos, remaches y soldaduras. Las uniones son puntos sensibles en ingeniería, pues, a raíz de las discontinuidades geométricas y de los materiales. Son lugares propicios para la ocurrencia de fallas y por ende requieren más atención que el resto de las estructuras. Hemos visto varios ejemplos de fallas. J.Vergara ICM2312
  96. 96. DISEÑO DE UNIONES Sensibilidad en las Uniones En ciertas circunstancias se hace necesario dis- poner de uniones más complejas. Restricciones de peso, requisitos de expansión térmica, flexibi- lidad de montaje, temperatura, materiales disími- les, costos y otras razones obligan al diseño de juntas complejas no convencionales. Una de estas soluciones complejas es la utilizada en los SRB del orbitador Space Shuttle. Excesiva deflexión y baja temperatura facilitó el escape de flama que hizo explosar el estanque central. J.Vergara ICM2312
  97. 97. DISEÑO DE UNIONES Sensibilidad en las Uniones El accidente obligó al rediseño de la unión del SBR. Propelente Propelente 6.9 MPa 6.9 MPa Masilla Masilla ZnCrO4 ZnCrO4 O-Ring Espiga Horquilla Nueva Espiga Horquilla Pasadores (177) Pasadores (177) Recubrimiento M M J.Vergara ICM2312
  98. 98. CONCLUSIONES Los elementos mecánicos pertenecen a sistemas de mayor jerarquía que deben operar integrada y confiablemente, por un tiempo especificado por el diseñador acorde a normas y buenas prácticas. Los dispositivos asociados a estos sistemas se integran de varias maneras. La forma más sofis- ticada es a partir de una fundición y mecanizado que configura una pieza única. Los más simples se unen provisoriamente, mediante pernos, re- maches y chavetas, hasta otros más permanen- tes que veremos en otra clase. J.Vergara ICM2312
  99. 99. CONCLUSIONES Revisamos el diseño de roscas, tanto para trans- misión de potencia como para la unión de partes con atribuciones de autobloqueo. Vimos los es- fuerzos de uniones y deducimos el efecto de la pretensión de uniones, que la hacen más robusta como método de unión. Revisamos el diseño de remaches y pernos en diferentes modos de carga, en corte y tracción y por cargas axiales y torsionales, que según los materiales utilizados, nos permiten dimensionar juntas seguras y confiables. J.Vergara ICM2312

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