Tornillos,pernos Y Arandelas

Pernos y Tornillos

Los tornillos son elementos que tienen filetes enrollados en forma de hélice sobre una superficie cilíndrica y son unos de los elementos más utilizados en las máquinas. Podemos clasificar los tornillos, de acuerdo con la función que cumplen, en tornillos de unión y tornillos de potencia. Los tornillos de unión son los que sirven para unir o asegurar dos o más partes estructurales o de maquinaria, como es el caso de los tornillos, pernos, espárragos y tornillos prisioneros o de fijación. Los tornillos de potencia son aquellos destinados a la transmisión de potencia y movimiento; generalmente convierten un movimiento de giro en un movimiento de traslación.

Los tornillos se usan en estructuras, máquinas herramientas, vehículos, prensas y elementos de elevación, entre otros. En muchos casos, los tornillos están sometidos a cargas variables combinadas, por lo que debe aplicarse una teoría de falla por fatiga. Un tornillo puede fallar en el núcleo o en los filetes; se debe tener en cuenta el diámetro del tornillo, así como el número de filetes en contacto con la tuerca.

Tornillos de unión

Métodos de unión

Los métodos de unión pueden ser permanentes, como la unión mediante remaches, soldadura y pegantes, o semipermanentes o desmontables, como los tornillos de unión (tornillos, prisioneros o tornillos de fijación, pernos y espárragos), chavetas y pasadores. Como su nombre lo dice, los métodos de unión permanentes son aquellos en los que las piezas quedan unidas de una forma “permanente” o difícil de desmontar; por ejemplo, para desunir dos piezas remachadas, es necesario destruir los remaches. En los métodos de unión semipermanentes, el elemento que une puede montarse y desmontarse fácil y repetidamente, sin necesidad de destruirlo. Los tornillos y pernos de unión son métodos semipermanentes, y en esto radica su gran ventaja. Estrictamente hablando, la diferencia entre tornillo y perno es que el primero se introduce en una pieza roscada, mientras que el segundo va acompañado de una tuerca. En la práctica se suele utilizar, tal vez, el término tornillo para ambos casos.

Aplicaciones de los pernos y tornillos

En algunos casos los tornillos y pernos tienden a ser reemplazados por otros métodos de unión que proporcionan mayor facilidad de manufactura y ensamble. Sin embargo, éstos son ampliamente usados en las máquinas, debido a sus ventajas: versatilidad, variedad, disponibilidad (gran comercialización), bajo costo, fácil montaje y desmontaje, están normalizados. Los tornillos se utilizan en la fijación de motores, bombas hidráulicas, tramos de tuberías, tapas en tanques (manholes, handholes), bastidores de máquinas, estructuras, chumaceras, piñones, poleas, tapones de tubería de calderas, entre otros.

Características de las roscas estándar para tornillos de unión

Las roscas de los tornillos son hélices que permiten el desplazamiento longitudinal de un tornillo, cuando éste es girado. Las roscas pueden ser externas, como en el caso de un tornillo, o internas como en las tuercas y piezas con agujeros roscados. Hay dos tipos de roscas normalizadas para tornillos de unión: la serie de roscas unificada (Unified National Standard, UNS) y la serie de roscas métricas, la cual ha sido definida por la ISO. La figura 8.5 muestra la forma y las dimensiones de las roscas UNS y métricas; las formas de estos tipos de roscas son similares, pero como las dimensiones son diferentes, éstas no son intercambiables.

Se muestran los tres diámetros de la rosca, el mayor, d, el menor, dr, y el de paso, dp, el cual es igual a:

Una rosca está constituida por hilos o filetes que “se enrollan” en forma de hélice. El paso, p, de la rosca es la distancia entre hilos adyacentes. El número de hilos por pulgada, Nh, es el número de filetes o pasos que hay contenidos en una longitud igual a una pulgada. El número de hilos por pulgada es el recíproco del paso, la cual también suministra algunas relaciones entre las dimensiones de las roscas.

Una rosca puede tener una o varias entradas (inicios). Un rosca de una entrada podría imaginarse como un cordón enrollado en forma de hélice sobre una varilla cilíndrica; una rosca de dos entradas sería equivalente a tomar dos cordones (imagíneselos de diferente color) y enrollarlos simultáneamente en forma de hélice. Podemos definir ahora el avance, l, de una rosca como la distancia recorrida por una tuerca cuando ésta se gira una vuelta; si la rosca es simple (de una entrada) el avance es igual al paso (l = p), mientras que si la rosca es múltiple, el avance es igual al número de entradas multiplicado por el paso. La ventaja de una rosca de varias entradas es que el montaje y desmontaje son más rápidos, pero tiene la gran desventaja de que se afloja mucho más fácilmente, ya que posee un mayor ángulo de la hélice1; debido a esto, rara vez se utilizan. La figura 8.6 muestra roscas de una y cinco entradas; se puede observar el mayor ángulo de la hélice de la rosca de cinco entradas.

Series de roscas estándar

• Roscas bastas. Se designan como UNC (Unificada Nacional Ordinaria). Estas roscas son de paso grande y se usan en aplicaciones ordinarias, en las cuales se requiera un montaje y desmontaje fácil o frecuente. También se usan en roscas de materiales blandos y frágiles, ya que en las roscas de menores pasos (y filetes más pequeños) podría producirse el barrido (cortadura) de los filetes. Estas roscas no son adecuadas cuando exista vibración considerable, ya que la vibración tiende a aflojar fácilmente la tuerca2.

• Roscas finas. UNF (Unificada Nacional Fina). Estas roscas son adecuadas cuando existe vibración, por ejemplo, en automóviles y aeronaves, ya que al tener menor paso3 poseen un menor ángulo de la hélice. Deben evitarse en agujeros roscados de materiales frágiles.

• Roscas extrafinas: UNFE (Unificada Nacional Extrafina). Comparadas con las roscas bastas y finas, éstas tienen unos pasos muy pequeños. Son particularmente útiles en equipos aeronáuticos, debido a las altas vibraciones involucradas, y para roscas en piezas de pared delgada.

Designación

Las roscas se designan mediante códigos. Cuando la rosca es izquierda, se indica LH en la designación4, de lo contrario no se indica la dirección de la rosca, ya que las roscas derechas son las preestablecidas.

Resistencia de los pernos

El diseño de pernos se basa en la resistencia límite a la tracción (proof strength), Sp, que es el máximo esfuerzo que puede soportar el perno sin experimentar deformación permanente. De acuerdo con los datos de la tabla 8.3, para la mayoría de los grados SAE la resistencia límite a la tracción es aproximadamente el 90% de la resistencia a la fluencia especificada al 0.2% de deformación permanente. Las resistencias y características del material (de acero) de los pernos se especifican de acuerdo con clases o grados, los cuales han sido definidos por la SAE, ASTM e ISO. La tabla 8.3 muestra información de los grados SAE para pernos: 1, 2, 4, 5, 5.2, 7, 8 y 8.2. De la tabla se puede observar que para grados mayores las resistencias tienden a ser mayores. Similarmente, la tabla 8.4 muestra información de las clases para pernos métricos.

Los grados y clases de los pernos se pueden distinguir de acuerdo con las marcas en la cabeza, tal como

se muestra en las figuras 8.11 y 8.12.

Cálculo de la constante elástica del perno, kb

Para el cálculo de kb, es necesario saber si el tornillo es roscado total o parcialmente a lo largo de la longitud de la junta L. La figura muestra tres casos: (a) el perno es totalmente roscado, (b) la parte entre arandelas del perno no es roscada y (c) la parte entre arandelas del perno es parcialmente roscada.

Para los casos (a) y (b), la constante elástica del perno se calcula como:

Para el caso (c):

Donde Ab, Eb y L son el área, el módulo de elasticidad y la longitud del perno entre arandelas, respectivamente. El área Ab es el área de la sección transversal de la parte del perno que queda entre arandelas, ya que como se dijo, ésta es la parte que está actuando como resorte. Si el perno es totalmente roscado Ab = At; si el perno no lleva rosca en la parte entre arandelas, Ab es el área de la sección transversal del perno en dicha parte .

Esfuerzo cortante en los filetes de una rosca

Las partes roscadas del perno y de la tuerca de una conexión están sometidas a cortante, ya que los filetes se encargan de transmitir la fuerza de tracción del perno. La falla ocurre dependiendo de las resistencias relativas del perno y de la tuerca. El caso más común es aquel en el que la tuerca es más débil que el tornillo; en estas condiciones los filetes de la tuerca podrían fallar a cortante, por la raíces, tal como se aprecia en la figura 8.21. Cuando el perno es más débil que la tuerca, los filetes del primero podrían fallar por sus raíces. Finalmente, cuando el perno y la tuerca tienen igual resistencia, el conjunto podría barrerse por el diámetro de paso.

Un problema que se tiene en las conexiones es que la falta de exactitud de los filetes hace que la carga no se distribuya uniformemente en todos

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