UNIONES ATORNILLADAS, PERNOS

CUANDO SE DESEA QUE UNA UNION O JUNTA PUEDA SER DESENSAMBLADA SIN APLICARMETODOS DESTRUCTIVOS Y QUE SEA LO SUFICIENTEMENTE FUERTE PARA RESISTIRCARGAS EXTERNAS DE TENSIÓN , DE FLEXION O DE CORTANTE, O UNA COMBINACIÓN DEESTAS, ENTONCES LA JUNTA ATORNILLADA SIMPLE CON RONDANAS O ARANDELASTEMPLADAS EN EL PERNO ES UNA BUENA SOLUCION .

UNA VISTA EN CORTE DE UNA JUNTA ATORNILLADA CON CARGA A TENSIÓN SE MUESTRAEN LA FIGURA 8.12

FIGURA 8−12

Conexión atornillada cargada a tensión por las fuerzas P . Obsérvese el uso de dos arandelas . un métodoconvencional simplificado se aplica aquí para representar la rosca de un tornillo. Nótese también como laparte 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, NOTESETAMBIÉN COMO LA ROSCA DEL TORNILLO SE EXTIENDE HACIA ADENTRO DE UNA DE LASPLACAS DE LA CONEXIÓN, EL OBJETO DEL PERNO ES APLICAR Y MANTENER LA PRESIÓNENTRE LAS DOS O MAS PIEZAS UNIDAS. AL APRETAR LA TUERCA SE TENSIONA EL PERNO YEJERCE ASI LA FUERZA DE SUJECIÓN. TAL EFECTO SE LLAMA PRETENSADO O PRECARGADEL PERNO ,

EN LA FIGURA 8.13 SE MUESTRA OTRA JUNTA PARA CARGA DE TENSIÓN. ESTA JUNTAEMPLEA TORNILLOS DE MAQUINARIA QUE ENROSCAN O ENTRAN EN AGUJEROS ROSCADOSEN UNO DE LOS ELEMENTOS SUJETADOS, OTRO TIPO DE UNION ATORNILLADA ES LA QUEUTILIZA 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 cabezahexagonal 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 COMOUN PERNO ES LA RELACION ENTRE LA FUERZA APLICADA AL ELEMENTO Y LADEFORMACIÓN PRODUCIDA POR DICHA FUERZA.

EN LA SIGUIENTE ECUACIÓN LA RIGIDEZ DE LAS PORCIONES NO ROSCADA Y ROSCADA DELPERNO 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 MAQUINARIAEN 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 CASODE 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 ELDISPOSITIVO DE CONEXIÓN ENSAMBLADO SE SOMETE A UNA CARGA DE TENSIÓNEXTERNA.

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, LACONSTANTE 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 ELSEMIANGULO � DEL CONO. SE HA USADO UN ÁNGULO DE � = 45' , PERO ESTO SOBREESTIMALA RIGIDEZ DE SUJECIÓN . CUANDO LA CARGA ESTA RESTRINGIDA A UNA ZONA ANULARDE LA CARA DE ARANDELA (DE ACERO TEMPLADO ,HIERRO FUNDIDO O ALUMINIO ),

EL ÁNGULO APROPIADO ES MAS PEQUEÑO. EL INVESTIGADOR OSGOOD INFORMA DE UNINTERVALO DE 25 " � " 33° PARA LA MAYOR PARTE DE LAS COMBINACIONES. ENTONCES SEUSARA � = 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 CONODE 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 PORCIONTRONCOCÓNICA DE LA JUNTA. LUEGO LAS RIGIDECES INDIVIDUALES SE SUMAN PARAOBTENER KM .

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EL DIÁMETRO DE LA CARA DE ARANDELA ES APROXIMADAMENTE 50% MAYOR QUE ELDIÁMETRO DE LA ESPIGA DEL SUJETADOR EN EL CASO DE TORNILLOS DE MAQUINARIA YPERNOS CON CABEZA EXAGONAL DE TIPO ESTANDAR, SI SE USA � =30, ENTONCES LAECUACIÓN PUEDE ESCRIBIRSE:

RESISTENCIA DE PERNO

LA RESISTENCIA DE PERNO ES EL FACTOR CLAVE EN EL DISEÑO O ANÁLISIS DE UNIONESATORNILLADAS CON TALES SUJETADORES. LA RESISTENCIA SE EXPRESA ENUNCIANDO LARESISTENCIA MINIMA A LA TENSIÓN O CARGA , O RESISTENCIAS LIMITE MINIMAS.

LA CARGA LIMITE ES LA FUERZA MÁXIMA QUE UN PERNO PUEDE RESISTIR SINEXPERIMENTAR UNA DEFORMACIÓN PERMANENTE. LA RESISTENCIA LIMITE ES ELCOCIENTE DE LA CARGA LIMITE Y EL AREA DE ESFUERZO DE TENSIÓN. LA RESISTENCIALIMITE POR LO TANTO CORRESPONDE APROXIMADAMENTE A LA RESISTENCIA DEFLUENCIA Y VALE EN FORMA APROXIMADA 90% DE LA RESISTENCIA DE FLUENCIAESTIMADA CON DESPLAZAMIENTO DE 0. 2% .

LOS VALORES DE RESISTENCIA LIMITE MEDIA, RESISTENCIA ULTIMA MEDIA Y LASDESVIACIONES ESTANDARES CORRESPONDIENTES NO FORMAN PARTE DE LOS CODIGOS DEESPECIFICACIÓN, DE MODO QUE EL DISE3ÑO DEBE OBTENER ESTOS VALORES, QUIZA PORPRUEBAS DE LABORATORIO, ANTES DE DISEÑAR SEGÚN UNA ESPECIFICACIÓN DECONFIABILIDAD.

LAS ESPECIFICACIONES SAE SE TIENEN EN LA TABLA 8.4 Y 8.6 . LAS CLASES O GRADOS DELOS PERNOS SE ENUMERAN CON ENTEROS DE ACUERDO CON LAS RESISTENCIAS ULTIMASA LA TENSIÓN Y CON DECIMALES PARA EVALUAR LAS VARIACIONES AL MISMO NIVEL DERESISTENCIA. 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 Y8.1 EL GRADO 8.1 NO APARECE EN LA TABLA.

LAS ESPECIFICACIONES ASTM SE TIENEN EN LA TABLA 8.5. LAS ROSCAS ASTM SON MASCORTAS DEBIDO A QUE LA ASTM CONSIDERA BÁSICAMENTE ESTRUCTURAS; LASCONEXIONES ESTRUCTURALES POR LO GENERAL TRABAJAN AL CORTANTE, Y UNA MEJORLONGITUD DE CUERDA PROPORCIONA UNA AREA DE ESPIGA MAYOR EN LOS PERNOS,

LAS ESPECIFICACIONES PARA SUJETADORES METRICOS SE DAN EN LA TABLA 8.6, TODOSLOS PERNOS CON ESPECIFICACIÓN DE GRADO MANUFACTURADOS EN E.U., MUESTRAN LAMARCA O LOGOTIPO DEL FABRICANTE, MARCA DE GRADO, EN LA CABEZA DEL PERNO.ESTAS MARCAS SEÑALAN QUE EL PERNO CUMPLE O EXCEDE LAS ESPECIFICACIONES, SIDICHAS 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, DESDELUEGO 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 APLIQUEP . 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 ELEMENTOSABSORVAN UN MAYOR PORCENTAJE DE LA CARGA EXTERNA

MOMENTO DE TORSIÓN Y DE APRIETE

DESPUÉS DE HABER CONSIDERADO QUE UNA PRECARGA ELEVADA ES MUY DESEABLE ENUNIONES CON PERNOS, QUE SON DE IMPORTANCIA, SE CONSIDERARAN AHORA LOS MEDIOSQUE SIRVEN PARA ASEGURAR QUE SE DESARROLLE EFICAZMENTE TAL PRECARGACUANDO SE ENSAMBLAN O UNEN LAS PIEZAS. PUEDE UTILIZARSE UNA LLAVETORCIOMETRICA , UN DISPOSITIVO NEUMÁTICO DE IMPACTO O EL METODO SIMPLE DEGIRO DE TUERCA.

LA LLAVE TORCIOMETRICA TIENE UN INDICADOR QUE SEÑALA EL MOMENTO DE TORSIONCORRESPONDIENTE. EN LAS LLAVES DE IMPACTO, SE AJUSTA LA PRESIÓN DEL AIRE DEMODO QUE LA LLAVE SE DETENGA CUANDO SE LLEGA AL EFECTO

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