tema 4 diseÑo de sujetadores roscados
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL“FRANCISCO DE MIRANDA”
ÁREA DE TECNOLOGÍAPROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
ELEMENTOS DE MAQUINAS I
ING. JULIO CHIRINOS
JULIO DE 2005
ING. JULIO CHIRINOS 2
ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
CONTENIDOCONTENIDOTORNILLOS Y SUJETADORES ROSCADOSNOMENCLATURA DE LA ROSCATIPOS DE ROSCASCLASIFICACIÓN DE LOS SUJETADORES ROSCADOS
POR SU USOPOR EL TIPO DE ROSCAPOR EL TIPO DE CABEZATUERCAS Y ARANDELAS
TORNILLOS DE POTENCIAROSCAS CUADRADAS, ACME, TRAPEZOIDALANÁLISIS DE FUERZASEFICIENCIA DEL TORNILLO
ESFUERZOS EN LAS ROCASESFUERZO AXIALESFUERZO CORTANTEESFUERZO DE TORSIÓN
UNIONES ATORNILLADASPERNOSELEMENTOS SUJETADOSCARGA EXTERNA
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
NOMENCLATURA DEL ROSCADONOMENCLATURA DEL ROSCADO
Diámetro mayor
Diámetro medio
Diámetro menor
Paso p
45° bisel
CrestaRaíz Ángulo de la rosca 2
SUJETADORCualquier dispositivo que se utilice
para conectar dos o más componentes
SUJETADORCualquier dispositivo que se utilice
para conectar dos o más componentes
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
TIPOS DE ROSCASTIPOS DE ROSCASROSCA
Corte en hélice que al ser girada hace que el tornillo avance en la
pieza de unión o en la tuerca
ROSCA Corte en hélice que al ser girada hace que el tornillo avance en la
pieza de unión o en la tuerca
Tipos de Roscas
Roscas Internas Roscas Externas
Estándares de Roscas
UNS (pulgadas)
ISO(métricas)
Paso Grueso (UNC)
Paso Extrafino (UNEF)
Paso Fino (UNF)
Serie Fina (MF)
Serie Basta (MC)
Tolerancias: Clase 1 Clase 2 Clase 3
MF 8×2–G6
Ejemplos
UNC 2×8–1B
UNF ½×16–1A A: Rosca exterior
B: Rosca Interior
Tolerancia: 3 – 9Roscas Internas: G, HRoscas Externas: e, f, g, h
Detalles de los perfiles
de roscas M, UN
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
CLASIFICACIÓN DE LOS SUJETADORES ROSCADOSCLASIFICACIÓN DE LOS SUJETADORES ROSCADOS
POR SU USO:Tornillos y pernos de máquinaBirlo o Esparragos
POR SU TIPO DE ROSCA:Tornillos Autorroscantes
POR SU TIPO DE CABEZA:Tornillos ranurados
Ranura rectaDe cruzHexagonalHexagonal de caja
Tornillos con cabeza para dado
TUERCAS Y ARANDELAS:TuercasTuercas de cierreArandelasArandelas de cierre
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
CLASIFICACIÓN DE LOS SUJETADORES ROSCADOSCLASIFICACIÓN DE LOS SUJETADORES ROSCADOS
Tornillo: Sujetador que se diseña para ser insertado a través de un orificio provisto de una cuerda en una pieza que se va a enlazar con otra
Perno: Sujetador provisto de cuerda que se diseña de manera que pase a través de orificios en las piezas que se enlazan y se asegure al apretar una tuerca desde el extremo opuesto a la cabeza del perno
Birlo/esparrago: Es un sujetador sin cabeza, roscado en ambos extremos, y cuyo uso es quedar atornillado de manera semi-permanente en una de las mitades de un ensamble.
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
UNIONES ATORNILLADASUNIONES ATORNILLADAS
21 K1
K1
K1
T
tT L
EAK
d
dd L
EAK
dTTd
Tdb LALA
EAAK
At = área transversal de esfuerzo de tensión
(Tabulada)
LT = longitud de la porción roscada de agarre
Ad = área transversal de diámetro mayor del
sujetador
Ld = longitud de la porción no roscada del sujetador.
Rigidez de la porción roscada del perno en la zona de sujeción
Rigidez de la porción no roscada del perno en la zona de sujeción
Rigidez efectiva estimada del perno o tornillo de maquinaria en la zona de sujeción
Rigidez de la porción de un perno o tornillo que está dentro de la zona de sujeción
PERNOSPERNOS
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
UNIONES ATORNILLADASUNIONES ATORNILLADASELEMENTOS SUJETADOSELEMENTOS SUJETADOS
i321m K1
K1
K1
K1
K1
Constante elástica total de los elementos de la unión
d
D
tdx
xy
x
Superficie general de cono para evaluar la
distribución de presión en una junta
AEdxP
d
Alargamiento de un elemento del cono de espesor dx
sometido a una fuerza de tensión P
Rigidez de los elementos de la unión total
)dd)(ddtanL()dd)(ddtanL(
Ln2
tanEdK
ww
wwm
d5.2L577.0d5.0L577.0
5Ln2
Ed577.0Km
= 30
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
UNIONES ATORNILLADASUNIONES ATORNILLADASCARGA EXTERNACARGA EXTERNA
Fi Precarga o fuerza de sujeción
P Carga de tensión externa
PbParte de P tomada por el perno
Pm
Parte de P tomada por los elementos de la junta
Fb=Pb + Fi
Carga total del perno
Fm=Pm – Fi
Carga total en los elementos
b
b
K
P
m
m
K
P
m
bmb K
KPP
mb
bb KK
PKP
imb
bibb F
KK
PKFPF
imb
mimm F
KK
PKFPF
Carga sobre el perno
Carga sobre los elementos unidos
PRECARGA DE PERNOS
p
p
i F9.0
F75.0F
Conexiones reutilizablesConexiones
permanentes
yp
ptp
S85.0S
SAF
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
FACTORES DE CARGAFACTORES DE CARGA
fut
m
e
a
nSS
1
CARGA ESTÁTICACARGA ESTÁTICA CARGAS DE FATIGACARGAS DE FATIGA
Esfuerzo de tensión en el perno
t
i
tb A
F
APC
Factor de carga que asegura que el esfuerzo del perno
sea menor que la resistencia límite
PC
FASn itps
Factor de carga contra la separación de la
junta
)1('
CP
Fn i
tt
iba A
PC
A
FP
22
Componente alternante del esfuerzo del perno
Componente medio del esfuerzo del perno
t
iam A
F
Ecuación de Goodman
Despejando Fi se tiene
1
2 e
utfutti S
SCPnSAF
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
ESFUERZOS EN LAS ROSCASESFUERZOS EN LAS ROSCAS
Esfuerzo Axial
Área del esfuerzo a tensión
UNS
ISO
2rp
t 2
dd
4A
N649519,0
ddp
N299038,1
ddr
p649519,0ddp
p226869,1ddr
tAF
Esfuerzo Cortante
SAF
pwdA irS
Tuerca
Tornillo
pdwA oS
Esfuerzos a Torsión 3dT32
JTr
Longitud Mínima de la Tuerca
L= 0.5d
L≥ 0.6d
Para d≤1pulg
Para d>1pulg
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
UNIONES ATORNILLADASUNIONES ATORNILLADASESFUERZO CORTANTEESFUERZO CORTANTE
MODOS DE FALLA POR CARGA CORTANTE
a: Flexión del remache (σ=Mc/I)
b: Corte del remache (=F/A)
c: Falla por tensión del miembro (σ=F/A)
d: Aplastamiento del remache en el miembro (σ=F/A)
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
TORNILLOS DE POTENCIATORNILLOS DE POTENCIA
UTILIDAD:Obtener una ventaja mecánica mayor con objeto de levantar pesos. Ejercer fuerzas de gran magnitud. Para obtener un posicionamiento preciso de un movimiento axial.
DEFINICIÓNUn tornillo para la aplicación de fuerza o potencia mecánica es un dispositivo en la maquinaria para
convertir un giro en un desplazamiento rectilíneo, y trasmitir así, generalmente, la acción de una fuerza o
potencia mecánica
DEFINICIÓNUn tornillo para la aplicación de fuerza o potencia mecánica es un dispositivo en la maquinaria para
convertir un giro en un desplazamiento rectilíneo, y trasmitir así, generalmente, la acción de una fuerza o
potencia mecánica
Rosca Cuadrada
Rosca TrapezoidalRosca ACME
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
ANÁLISIS DE FUERZA EN LOS TORNILLOS DE POTENCIAANÁLISIS DE FUERZA EN LOS TORNILLOS DE POTENCIA
ROSCAS CUADRADAS
Elevando la carga hacia arriba del plano
Bajando la carga hacia abajo del plano
2
dP
Ld
Ld
2
PdTTT c
cp
ppcsu u
El par de torsión total para elevar la carga con una rosca cuadrada
El par de torsión total para bajar la carga con una rosca cuadrada:
2
dP
Ld
Ld
2
PdTTT c
cp
ppcsd d
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ELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS DE UNIÓN ROSCADOSELEMENTOS
DE
MÁQUINAS
I
ANÁLISIS DE FUERZA EN LOS TORNILLOS DE POTENCIAANÁLISIS DE FUERZA EN LOS TORNILLOS DE POTENCIA
ROSCAS ACMEEl par de torsión total para elevar la carga con una rosca ACME
El par de torsión total para bajar la carga con una rosca ACME:
2d
P)Lcosd(
)cosLd(
2
PdTTT c
cp
ppcsuu
2dc
P)Lcosd(
)cosLd(
2
PdTTT c
p
ppcsdd
EFICIENCIA DE UN TORNILLO DE POTENCIA
T2Win
PLWout
T2PL
WW
ein
out
cotcostancos
e
cot1tan1
e
Trabajo entregado
Eficiencia
Trabajo efectuado Rosca cuadrada
Rosca ACME