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.

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

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 .

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 .

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 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