Uniones atornilladas

UNIONES ATORNILLADAS, PERNOS
CUANDO SE DESEA QUE UNA UNION O JUNTA PUEDA SER DESENSAMBLADA SIN APLICAR
METODOS DESTRUCTIVOS Y QUE SEA LO SUFICIENTEMENTE FUERTE PARA RESISTIR
CARGAS EXTERNAS DE TENSIÓN , DE FLEXION O DE CORTANTE, O UNA COMBINACIÓN DE
ESTAS, ENTONCES LA JUNTA ATORNILLADA SIMPLE CON RONDANAS O ARANDELAS
TEMPLADAS EN EL PERNO ES UNA BUENA SOLUCION .
UNA VISTA EN CORTE DE UNA JUNTA ATORNILLADA CON CARGA A TENSIÓN SE MUESTRA
EN LA FIGURA 8.12
FIGURA 8−12
Conexión atornillada cargada a tensión por las fuerzas P . Obsérvese el uso de dos arandelas . un método
convencional simplificado se aplica aquí para representar la rosca de un tornillo. Nótese también como la
parte roscada o cuerda se adentra en el cuerpo de la unión. Esto es usual y deseable.
OBSERVESE EL ESPACIO LIBRE ENTRE EL PERNO Y SU AHUJERO DE ALOJAMIENTO, NOTESE
TAMBIÉN COMO LA ROSCA DEL TORNILLO SE EXTIENDE HACIA ADENTRO DE UNA DE LAS
PLACAS DE LA CONEXIÓN, EL OBJETO DEL PERNO ES APLICAR Y MANTENER LA PRESIÓN
ENTRE LAS DOS O MAS PIEZAS UNIDAS. AL APRETAR LA TUERCA SE TENSIONA EL PERNO Y
EJERCE ASI LA FUERZA DE SUJECIÓN. TAL EFECTO SE LLAMA PRETENSADO O PRECARGA
DEL PERNO ,
EN LA FIGURA 8.13 SE MUESTRA OTRA JUNTA PARA CARGA DE TENSIÓN. ESTA JUNTA
EMPLEA TORNILLOS DE MAQUINARIA QUE ENROSCAN O ENTRAN EN AGUJEROS ROSCADOS
EN UNO DE LOS ELEMENTOS SUJETADOS, OTRO TIPO DE UNION ATORNILLADA ES LA QUE
UTILIZA PERNOS PRISIONEROS.
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FIGURA 8−13
Vista en sección de un extremo de un recipiente de presión cilíndrico. Los tornillos de maquinaria con cabeza
hexagonal se usan para fijar la tapa al cilindro. Obsérvese el uso del selio o empaque de anillo O .
LA CONSTANTE DE RIGIDEZ (O CONSTANTE ELASTICA) DE UN ELEMENTO ELÁSTICO COMO
UN PERNO ES LA RELACION ENTRE LA FUERZA APLICADA AL ELEMENTO Y LA
DEFORMACIÓN PRODUCIDA POR DICHA FUERZA.
EN LA SIGUIENTE ECUACIÓN LA RIGIDEZ DE LAS PORCIONES NO ROSCADA Y ROSCADA DEL
PERNO EN LA ZONA DE SUJECIÓN SON RESPECTIVAMENTE:
DONDE:
At = AREA TRANSVERSAL DE ESFUERZO DE TENSIÓN
LT = LONGITUD DE LA PORCION ROSCADA DE AGARRE
Ad = AREA TRANSVERSAL DE DIAMETRO MAYOR DEL SUJETADOR
Ld = LONGITUD DE LA PORCION NO ROSCADA DEL SUJETADOR
SUSTITUYENDO ESTAS RIGIDECES EN LA CONSTANTE DE RIGIDEZ DEL PERNO (K= K1 K2 / K1
+ K2 ) SE OBTIENE :
DONDE KB ES LA RIGIDEZ EFECTIVA ESTIMADA DEL PERNO O TORNILLO DE MAQUINARIA
EN LA ZONA DE SUJECIÓN. EN EL CASO DE SUJETADORES CORTOS (EL DE LA FIGURA 8.13)
EL AREA NO ROSCADA ES PEQUEÑA Y SE PUEDE USAR PARA OBTENER KB : Y EN EL CASO
DE SUJETADORES LARGOS, EL AREA ROSCAD ES RELATIVAMENTE PEQUEÑA.
UNIONES ATORNILLADAS . ELEMENTOS SUJETADOS
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AMBAS RIGIDECES DEBEN SER CONOCIDAS PARA CAPTAR LO QUE SUCEDE CUANDO EL
DISPOSITIVO DE CONEXIÓN ENSAMBLADO SE SOMETE A UNA CARGA DE TENSIÓN
EXTERNA.
PUEDE HABER MAS DE DOS ELEMENTOS ABARCADOS POR EL AGARRE DEL SUJETADOR.
TODOS ELLOS ACTUAN COMO RESORTES DE COMPRESIÓN EN SERIE Y POR LO TANTO, LA
CONSTANTE ELASTICA TOTAL DE LOS ELEMENTOS DE LA UNION ES :
1/KM = 1/K1 + 1/K2 + 1/K3 + . + 1/Ki
LA FIGURA 8.14−B MUESTRA LA SUPERFICIE GENERAL DEL CONO UTILIZANDO EL
SEMIANGULO DEL CONO. SE HA USADO UN ÁNGULO DE = 45' , PERO ESTO SOBREESTIMA
LA RIGIDEZ DE SUJECIÓN . CUANDO LA CARGA ESTA RESTRINGIDA A UNA ZONA ANULAR
DE LA CARA DE ARANDELA (DE ACERO TEMPLADO ,HIERRO FUNDIDO O ALUMINIO ),
EL ÁNGULO APROPIADO ES MAS PEQUEÑO. EL INVESTIGADOR OSGOOD INFORMA DE UN
INTERVALO DE 25 " " 33° PARA LA MAYOR PARTE DE LAS COMBINACIONES. ENTONCES SE
USARA = 30°, EXCEPTO EN LOS CASOS EN LOS QUE EL MATERIAL ES INSUFICIENTE .
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FIGURA 8−14
Compresión de un elemento de una junta que se supone que esta confinado en un tronco
AHORA CON RELACION A LA FIGURA 8−14 EL ALARGAMIENTO DE UN ELEMENTO DEL CONO
DE ESPESOR dx SOMETIDO A UNA FUERZA DE TENSIÓN DE P ES :
LA ECUACIÓN 8.14 O LA 8.13 DEBE RESOLVERSE POR SEPARADO PARA CADA PORCION
TRONCOCÓNICA DE LA JUNTA. LUEGO LAS RIGIDECES INDIVIDUALES SE SUMAN PARA
OBTENER KM .
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EL DIÁMETRO DE LA CARA DE ARANDELA ES APROXIMADAMENTE 50% MAYOR QUE EL
DIÁMETRO DE LA ESPIGA DEL SUJETADOR EN EL CASO DE TORNILLOS DE MAQUINARIA Y
PERNOS CON CABEZA EXAGONAL DE TIPO ESTANDAR, SI SE USA =30, ENTONCES LA
ECUACIÓN PUEDE ESCRIBIRSE:
RESISTENCIA DE PERNO
LA RESISTENCIA DE PERNO ES EL FACTOR CLAVE EN EL DISEÑO O ANÁLISIS DE UNIONES
ATORNILLADAS CON TALES SUJETADORES. LA RESISTENCIA SE EXPRESA ENUNCIANDO LA
RESISTENCIA MINIMA A LA TENSIÓN O CARGA , O RESISTENCIAS LIMITE MINIMAS.
LA CARGA LIMITE ES LA FUERZA MÁXIMA QUE UN PERNO PUEDE RESISTIR SIN
EXPERIMENTAR UNA DEFORMACIÓN PERMANENTE. LA RESISTENCIA LIMITE ES EL
COCIENTE DE LA CARGA LIMITE Y EL AREA DE ESFUERZO DE TENSIÓN. LA RESISTENCIA
LIMITE POR LO TANTO CORRESPONDE APROXIMADAMENTE A LA RESISTENCIA DE
FLUENCIA Y VALE EN FORMA APROXIMADA 90% DE LA RESISTENCIA DE FLUENCIA
ESTIMADA CON DESPLAZAMIENTO DE 0. 2% .
LOS VALORES DE RESISTENCIA LIMITE MEDIA, RESISTENCIA ULTIMA MEDIA Y LAS
DESVIACIONES ESTANDARES CORRESPONDIENTES NO FORMAN PARTE DE LOS CODIGOS DE
ESPECIFICACIÓN, DE MODO QUE EL DISE3ÑO DEBE OBTENER ESTOS VALORES, QUIZA POR
PRUEBAS DE LABORATORIO, ANTES DE DISEÑAR SEGÚN UNA ESPECIFICACIÓN DE
CONFIABILIDAD.
LAS ESPECIFICACIONES SAE SE TIENEN EN LA TABLA 8.4 Y 8.6 . LAS CLASES O GRADOS DE
LOS PERNOS SE ENUMERAN CON ENTEROS DE ACUERDO CON LAS RESISTENCIAS ULTIMAS
A LA TENSIÓN Y CON DECIMALES PARA EVALUAR LAS VARIACIONES AL MISMO NIVEL DE
RESISTENCIA. SE DISPONE DE PERNOS Y TORNILLOS EN TODOS LOS GRADOS EN LISTADOS.
LOS ESPÁRRAGOS O PERNOS PRISIONEROS PUEDEN OBTENERSE EN LOS GRADOS 1,2,4,5,8 Y
8.1 EL GRADO 8.1 NO APARECE EN LA TABLA.
LAS ESPECIFICACIONES ASTM SE TIENEN EN LA TABLA 8.5. LAS ROSCAS ASTM SON MAS
CORTAS DEBIDO A QUE LA ASTM CONSIDERA BÁSICAMENTE ESTRUCTURAS; LAS
CONEXIONES ESTRUCTURALES POR LO GENERAL TRABAJAN AL CORTANTE, Y UNA MEJOR
LONGITUD DE CUERDA PROPORCIONA UNA AREA DE ESPIGA MAYOR EN LOS PERNOS,
LAS ESPECIFICACIONES PARA SUJETADORES METRICOS SE DAN EN LA TABLA 8.6, TODOS
LOS PERNOS CON ESPECIFICACIÓN DE GRADO MANUFACTURADOS EN E.U., MUESTRAN LA
MARCA O LOGOTIPO DEL FABRICANTE, MARCA DE GRADO, EN LA CABEZA DEL PERNO.
ESTAS MARCAS SEÑALAN QUE EL PERNO CUMPLE O EXCEDE LAS ESPECIFICACIONES, SI
DICHAS MARCAS NO APARECEN EN UN PERNO, ES POSIBLE QUE SEAN DE IMPORTACIÓN.
UNIONES ATORNILLADAS. CARGA EXTERNA
AHORA CONSIDEREMOS LO QUE SUCEDE CUANDO UNA CARGA DE TENSIÓN EXTERNA P ,
COMO EN LA FIGURA 8.12 SE APLICA A UNA JUNTA ATORNILLADA. SE SUPONE, DESDE
LUEGO QUE LA FUERZA DE SUJECIÓN QUE SE DENOMINA PRECARGA FI , HA SIDO
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ESTABLECIDA CORRECTAMENTE EN EL APLIETE DE LA TUERCA ANTES DE QUE SE APLIQUE
P . LA NOMENCLATURA ES :
FI = PRECARGA O FUERZA DE SUJECIÓN
P = CARGA DE TENSIÓN EXTERNA
Pb = PARTE DE P TOMADA DEL PERNO
PM = PARTE DE P TOMADA POR LOS ELEMENTOS DE LA JUNTA
Fb = Pb + FI = CARGA TOTAL EN EL PERNO.
FM = PM − FI = CARGA TOTAL EN LOS ELEMENTOS
EN CONSECUENCIA LA CARGA DEL PERNO RESULTANTE ES :
Fb = Pb + FI = (Kb P / Kb + Km) + FI Fm< 0
Y LA CARGA RESULTANTE EN LOS ELEMENTOS UNIDOS O CONECTADOS ES:
Fm= Pb − FI = ( Km P / Kb + Km ) − FI Fm < 0
EN TODOS LOS CASOS, LAS PIEZAS CONECTADAS TOMAN 80% DE DICHA CARGA EXTERNA.
CONSIDERESE LA IMPORTANCIA DE ESTO CUANDO SE CONSIDERA CARGA POR FATIGA.
OBSERVESE TAMBIÉN QUE CON AGARRE MAS LARGO SE ORIGINA QUE LOS ELEMENTOS
ABSORVAN UN MAYOR PORCENTAJE DE LA CARGA EXTERNA
MOMENTO DE TORSIÓN Y DE APRIETE
DESPUÉS DE HABER CONSIDERADO QUE UNA PRECARGA ELEVADA ES MUY DESEABLE EN
UNIONES CON PERNOS, QUE SON DE IMPORTANCIA, SE CONSIDERARAN AHORA LOS MEDIOS
QUE SIRVEN PARA ASEGURAR QUE SE DESARROLLE EFICAZMENTE TAL PRECARGA
CUANDO SE ENSAMBLAN O UNEN LAS PIEZAS. PUEDE UTILIZARSE UNA LLAVE
TORCIOMETRICA , UN DISPOSITIVO NEUMÁTICO DE IMPACTO O EL METODO SIMPLE DE
GIRO DE TUERCA.
LA LLAVE TORCIOMETRICA TIENE UN INDICADOR QUE SEÑALA EL MOMENTO DE TORSION
CORRESPONDIENTE. EN LAS LLAVES DE IMPACTO, SE AJUSTA LA PRESIÓN DEL AIRE DE
MODO QUE LA LLAVE SE DETENGA CUANDO SE LLEGA AL EFECTO
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