8/3/2019 TM leccion 8

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Barcelona, 2008

Enrique Zayas Figueras

Jordi Martnez Miralles

UNIVERSITAT POLITCNICA DE CATALUNYA

ETSEIBDEPARTAMENT DENGINYERIA MECNICA

TECNOLOGAS DE FABRICACIN Y TECNOLOGA DE MQUINAS

Tema 6

UNIONES ATORNILLADAS

PARTE DE TECNOLOGA DE MQUINAS

SUMARIO

Ttulo: Introduccin a las uniones atornilladas

SUMARIO:

2 Fases de trabajo de la unin atornillada. Fallo de la unin.Retencin y aflojamiento de la unin. Aseguramiento contrael aflojamiento de la unin.

3 Normalizacin y terminologa: parmetros y designacin.Elementos de una unin atornillada. Tablas de valoresnormalizados de roscas y clases de resistencias.

1 Introduccin a las uniones atornilladas. Tipos de unionesatornilladas. Fuerza de montaje y fuerza separadora.

Funcin de la unin atornillada.

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SUMARIO

Ttulo: Introduccin a las uniones atornilladas

SUMARIO:

4 Fallo del tornillo. Altura de la tuerca (valores estndares).

5 Montaje sin tensin previa y con fuerza axial separadoraposterior. Montaje con tensin previa sin fuerza separadora.

Conclusiones

Ejercicio de clculo de una unin atornillada mediante unprocedimiento de clculo simplificado.

6

7

OBJETIVOS

Explicar la funcin de una unin atornillada y como evitarel aflojamiento de la misma.

OBJETIVOS:

Identificar y caracterizar los tipos de uniones atornilladas

utilizadas en las mquinas.

Ttulo: Introduccin a las uniones atornilladas

Identificar y caracterizar los elementos que participan enuna unin atornillada.

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OBJETIVOS

OBJETIVOS:

Aplicar la normativa correspondiente a unionesatornilladas.

Explicar los fundamentos tericos para el clculo de unaunin atornillada.

Calcular una unin atornillada mediante unprocedimiento de clculo simplificado.

Ttulo: Introduccin a las uniones atornilladas

INTRODUCCIN A LAS UNIONES ATORNILLADAS

Biela de un motor decombustin interna

Seccin de unrecipiente a presin

Ejemplos de aplicacin de uniones atornilladas

Tornillo

Tuerca

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TIPOS DE UNIONES ATORNILLADAS

1 Tornillo

2 Tuerca

3 Arandela

5 y 6 piezas a unir

Unin ms econmica y segura

Puede unir piezas de poco grosor

Caracterstica de la unin:

Elementos de la uninatornillada:

Unin por tornillo-tuerca

Tornillo-tuerca

Unin por tornillo-tuerca

Fuente: NortonFuente: Fenollosa

TIPOS DE UNIONES ATORNILLADAS

Unin por tornillotaladro roscado

1 Tornillo

2 y 3 Piezas a unir (lapieza inferior tiene eltaladro roscado)

Elementos de la uninatornillada:

Caracterstica de la unin:

Ms cara que la unin por tornillo-tuerca ya que hay que roscarla pieza inferior.

Ms delicada, ya que si se hace mal la rosca, se inutiliza la pieza.

Necesaria cuando la pieza inferior es muy gruesa.

Unin por tornillo-taladroroscado

Tornillo

Fuente: Fenollosa Fuente: Norton

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TIPOS DE UNIONES ATORNILLADAS

Unin por esprrago

1 Esprrago

2 Tuerca

3 y 4 Piezas a unir (lapieza inferior tiene taladroroscado)

Elementos de la uninatornillada:

Unin por esprrago Esprrago

Caracterstica de la unin:

Se utiliza para unir piezas gruesas y delicadas que no admitendesmontaje frecuente.

Fuente: Fenollosa Fuente: Norton

ELEMENTOS DE UNA UNIN ATORNILLADA

Tipos de tornillos

Fuente: Fenollosa

a) Tornillo de cabeza hexagonal

e) Esprrago

c) Tornillo de cabeza cilndrica con ranura

b) Tornillo de cabeza cilndrica con hexgono interior (Allen)

d) Tornillo achaflanado con ranura

Denominacin:

Par de apriete limitadoPar de apriete alto

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ELEMENTOS DE UNA UNIN ATORNILLADA

Tipos de tuercas

a) Tuerca hexagonal (ms usual)

c) Tuerca de orificios cruzados

b) Tuerca redonda aplanada

d) Tuerca ranurada

Fuente: Fenollosa

Denominacin:

FUERZA DE MONTAJE

Fuerza de montaje

Aplanamiento de las superficiesde contacto de las piezas unidas.

Estiramiento del tornillo. Compresin de las piezas unidas.

Los efectos del montaje son:

FM - Fuerza de montaje

El tornillo se tracciona

Las piezas se comprimen

Fuente: Fenollosa

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FUERZA SEPARADORA Y FUNCIN DE LA UNIN ATORNILLADA

Fuerza separadora y funcin de la unin

La fuerza separadora puede ser:

b) Fuerza separadora transversal FT

a) Fuerza separadora axial

c) Fuerza separadora con compo-nentes axial y transversal

Fuerza separadora en una

unin atornillada

En la unin atornillada la funcin del sistema es:

b) Mantener las piezas unidas contra la accin de las fuerzasseparadoras.

a) Unir las piezas

FS

Ejemplos de aplicacin defuerzas separadoras axiales

(biela y recipiente a presin).

Fuente: Fenollosa

SFSF

SFSF

TF

TF

FUERZA SEPARADORA Y FUNCIN DE LA UNIN ATORNILLADA

Fuerza separadora transversal

Unin por friccin

Resistencia por friccin

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FUERZA SEPARADORA Y FUNCIN DE LA UNIN ATORNILLADA

Unin a cizallamiento. Pasadores

Resistencia a cizallamiento

Fuerza separadora transversal

FASES DE TRABAJO

Fases de trabajo en una unin atornillada

Fases en la unin atornillada

1. Fase de Montaje (se unen las piezascon el tornillo y la tuerca y se aprieta la

unin).

1 se coloca a mano hastaque no entre ms.

2 se aprieta haciendofuerza con una llave(aparece ).

2. Fase de servicio (en la cual se aplica lafuerza separadora a las piezas unidas).

SF

SF

FM

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9/25

FALLO DE LA UNIN

Fallo de una unin atornillada

El fallo de una unin atornillada se manifiesta por uno o ms delos siguientes efectos:

b) Destruccin de las piezas unidas

a) Ruptura del tornillo

c) Abertura de la unin (separacin de las superficie de contactoentre las piezas):

Por deformacin elstica

Por aflojamiento

RETENCIN Y AFLOJAMIENTO EN LA UNIN ATORNILLADA

Retencin y peligro de aflojamiento en una unin atornillada

Compresin depiezas unidas

Traccin del sistematornillo-tuerca

Fuerza de contactoentre filetes de rosca

Fuente: Fenollosa

Modelo de la unin

a)

b)

pM cM MF F F

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ASEGURAMIENTO CONTRA EL AFLOJAMIENTO DE LA UNIN

Aseguramiento contra el aflojamiento

Unin atornillada conarandela de presin

Dispositivos generadores de fuerza axial

Dispositivos generadores de fuerza radial

Tuerca con filetes autotensados

Dispositivos de seguridad absoluta

Los sistemas de aseguramiento que seutilizan se basan en los conceptossiguientes:

Fuente: Norton

ASEGURAMIENTO CONTRA EL AFLOJAMIENTO DE LA UNIN

Fuente: Fenollosa

Arandela elsticahelicoidal (Grower)

Arandelas generadoras de fuerza axial

Arandela elsticaondulada

Arandelas elsticasdentadas

Arandela elsticatroncocnica(Belleville)

Fuente: Norton

Fuente: Norton

Fuente: Fenollosa

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ASEGURAMIENTO CONTRA EL AFLOJAMIENTO DE LA UNIN

Tuercas con inserto de arandela elstica. Genera fuerza radial ypar de friccin

Arandelas generadora fuerza radial

Fuente: Norton Fuente: Internet

Anillo deplstico

ASEGURAMIENTO CONTRA EL AFLOJAMIENTO DE LA UNIN

Fuente: Fenollosa

Tuerca ycontratuerca

Tuerca con ranura ydeformada

Fuente: Fenollosa

Tuercas con filetes autotensados

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ASEGURAMIENTO CONTRA EL AFLOJAMIENTO DE LA UNIN

Tuerca de corona conpasador de aletas

Tuercas con dispositivos de cierre de seguridad absoluta

Tuerca con placade seguridad

Seguridad a travsde alambre

Fuente: FenollosaFuente: Fenollosa Fuente: Fenollosa

NORMALIZACIN

Terminologa de las uniones atornilladas

Parmetros de la rosca de tornillo

Fuente: Shigley

Avance de la rosca ( ): Distancia que la tuerca acoplada al tornilloavanzar axialmente con una revolucin de la tuerca. Es igual al paso p

de la rosca (distancia entre dos filetes contiguos).

L

2L p

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1

NORMALIZACIN

Rosca de Perfil ISO. Parmetros y designacin

: Dimetro exterior o nominal

: Dimetro de flancos

Parmetros:

,d D

2 2,d D

: Paso

: Dimetro de ncleo3d

p

2

3 34A d

: Seccin del ncleo

Perfil ISO

Fuente: Fenollosa

: Seccin resistentea la traccin

2 3T 4 2

d dA

NORMALIZACIN

Rosca de Perfil ISO. Parmetros y designacin

es gnac n:

Tipo de tornillo Norma clase resistenciaMD l

Rosca mtrica (mm) Longitud (mm)

Ejemplo:

Dimetro nominal (mm)

Dimensiones (mm) y clase de resistencia

Tornillo de cabeza hexagonal ISO 4014 M12 100 8,8

d k L b s

resist.

12 7,5 100 30 18 8,8

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VAL

ORESNORMALIZADO

S

No

ta:

Los

dimetros

indica

dosen

treparn

tes

isse

han

deu

tilizar

lom

nimoposib

le.

Dimens

ionesenmm

ymm

2

Sele

ccinderoscas

paratornillosy

tuercas

Tienee

lpas

o

gran

deyes

la

queseu

tiliza

ha

bitua

lmen

te

Ta

bla1

.V

alores

ISO

714:1

99

3(roscanorma

l)

Fuente:Fenollosa

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VAL

ORESNORMALIZADO

S

No

ta:

Los

dimetros

indica

dosen

treparn

tes

isse

han

deu

tilizar

lom

nimoposib

le.

Dimens

ionesenmm

ymm

2

Sele

ccinderoscas

paratornillosy

tuercas

Tienee

lpas

o

mspeque

o

yseemp

lea

parap

iezas

de

lga

das

Me

jor

au

tore

tenci

n

Ta

bla2

.V

alores

ISO

714:1

99

3(rosca

fina

)

Fuente:Fenollosa

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CL

ASESDERESISTENC

IA

Clasesderesistenc

iadetornillosy

tuercas

Tabl

a3

.Clases

deresis

tenc

iaspara

torn

illosy

tuercas

Enlaprctica

seutilizanmayoritariamentelascla

sessiguientes:

Clase5,6:paraso

lic

itac

iones

bajas

Clase8,8:

hab

itua

lcuan

dose

dise

anun

iones

de

bu

enaca

lida

d.

Clases10,9y

12,9:paragran

des

so

lic

itac

iones

Fuen

te:

Feno

llosa

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FALLO DEL TORNILLO

Montaje sin tensin previa y con fuerza separadora axial

posterior

El montaje sin tensin previa casi nunca se presenta en la prctica,pero se estudia como paso previo del estudio ms completo.

Se realiza elapriete a mano

Unin por tornillo-tuerca

Tornillosometidoa traccin

El fallo se puede producir por:

Ruptura del ncleo del tornillo

Aplastamiento de los filetes derosca

Cizallamiento de los filetes de

rosca Por flexin del filete de rosca

Tensin en el ncleo del torni llo:

admT

F

A

2

2 3T 4 2

d dA

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A

LTURA

DELA

TUERC

A

Alturadelatuerca

Aparejamiento

Alturam

nimam

Torn

illoy

tuerca

de

lm

ismoma

teria

l

0,8d

Torn

illodea

cero

8.8

rosca

doen

fun

dicingris

(1,0

1,2

)d

Torn

illodea

cero

10

.9rosca

doen

fun

dicingris

(1,2

1,4

)d

Torn

illodea

cerorosca

doena

lum

iniopuro

2,2d

Torn

illodea

cero

8.8

rosca

doena

leac

in

de

alum

inioAlCu

Mg

1F40

(1,1

1,4

)d

Torn

illodea

cero

8.8

rosca

doenacero

St37

(1,0

1,3

5)d

Torn

illodea

cero

10

.9rosca

doen

acero

St37

(1,2

5

1,4

)d

Ta

bla3

.Pro

fun

dida

dm

nima

d

erosca

oa

lturam

nima

de

latuerca

Fuente:Fenollosa

Fuen

te:

Norto

n

Dimens

ionan

do

adecua

damen

tela

altura

de

latuerca

y

en

consecuenc

ia,

logran

do

unn

mero

de

filetes

d

e

roscaencon

tac

toconven

ien

te,

se

lograque

falleante

s

eltorn

illoporsu

nc

leo

(en

lasec

cin

de

lprimer

filete

en

con

tac

to

co

n

la

tuerca

)y

no

fallen

los

filetes

d

e

roscapor:ap

las

tam

ien

to,

ciza

llamien

toy

flex

in.

0,8

m

d

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FALLO DEL TORNILLO

Puntos de ruptura en tornillos con solici tacin dinmica

Puntos de ruptura en tornillos con solicitacin dinmica: en la zona1, el 15% de todas las rupturas; en la zona 2, el 20%; en la zona 3el 65%.

Normalmente los tornillos fallan (ruptura del ncleo) en laseccin del primer filete de rosca en contacto con la tuerca.

MONTAJE CON TENSIN PREVIA

Montaje con tensin previa y con fuerza separadora axialposterior

Normalmente hace falta apretar el tornillo o la tuerca con un par demontaje MM por tal de originar la fuerza de montaje FM entre las piezasa unir antes de que la unin atornillada entre en servicio.

Para tornillos normalizados (considerando = 0,15 y rosca = 2,5).

El par de montaje crea una torsin en el tornillo que hace faltaconsiderar en el clculo de resistencia (estado biaxial de tensin detraccin-tensin de cizallamiento en el ncleo del tornillo). Paratornillos normalizados hay suficiente en considerar:

como si slo hubiese traccin.

2 2tracci3 1,35e

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Tabla 4. Dispersin del momento aplicado

MONTAJE CON TENSIN PREVIA

Dispersin de la fuerza de montaje FM

Procedimiento de apriete Dispersin

Llave dinamomtrica 20 % (10 %)

Llave neumtica 40 % +10 %

-30 %

Llave de mano

(eventualmente alargada) 200 %Fuente: Fenollosa

Dispersin que presenta el coeficiente defriccin ( ):

60% rosca no lubricada

20% rosca lubricada

La fuerza de montaje resulta con una dispersin:

M Mmin Mmax'M M M

M Mmin MmaxF F F

MM

MONTAJE CON TENSIN PREVIA

Dispersin de la fuerza de montaje

Llaves dinamomtricas Llave neumtica

FM

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Estadod

elassuperficies

Estadode

lalubricacin

Tornillo

Tuerca

No

lubricado

Lubricado

c

on

ac

eite

Pastade

MoS2

FosfatadoalMn

Sinrecubrimiento

0,1

4

0,1

8

0,14

0,1

5

0,1

0

0,1

1

FosfatadoalZn

Sinrecubrimiento

0,1

4

0,2

1

0,14

0,1

7

0,1

0

0,1

2

Zincadogalvnic

o

Sinrecubrimiento

0,1

2

0,1

8

0,12

0,1

5

-

Cadmiadogalvnico

Sinrecubrimiento

0,0

8

0,1

2

0,08

0,1

1

-

Zincadogalvnic

o

Zincadogalvnico

0,1

4

0,1

9

0,12

0,1

7

-

Cadmiadogalvnico

Cadmiadogalvnico

0,1

4

0,1

5

0,08

0,1

2

-

Tabla

6.Coeficiente

de

friccin

global

para

diversos

estados

de

sup

erficiesyestadosdelubricacinG

Dispersindelafuerzademontaje

MONTAJE

CON

TENSIN

PREV

IA

FM

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Procedimiento deapriete

Estado lubricacinde la rosca

Llave dinamomtrica Lubricada

No lubricada

1,4

1,8Llave neumtica Lubricada

No lubricada

1,6

2,0

Llave de mano

(eventualmentealargada)

Cualquier estado de

lubricacin 3,0

Tabla 6. Factor de apriete . Valores orientativos

Factor de apriete:

Dispersin de la fuerza de montaje

MONTAJE CON TENSIN PREVIA

Mmaxc

Mmin

F

F

FM

c

c

Montaje con tensin previa sin fuerza separadora

MONTAJE CON TENSIN PREVIA

Clculo simplificado (unin normalmente solicitada):

Se solicita el tornillo hasta un 0,7Re (Coeficiente de seguridadCs = 1,4).

Normalmente no hay peligro de que falle el tornillo pero s de que seabra la unin.

Material del tornillo: clase de resistencia 5,6 (y eventualmente 8,8).

Piezas unidas: no son rgidas, sino ms bien elsticas (presencia de juntas elsticas o plsticas intercaladas), superficies de las piezasunidas poco lisas, materiales con E bajo - aleaciones ligeras,plsticos.

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Montaje con tensin previa sin fuerza separadora

MONTAJE CON TENSIN PREVIA

c

a) FuerzasLa funcin de la unin requiere un valor mnimo, FMmin , de la fuerzade compresin entre las dos piezas unidas.

El factor de apriete, , determina el valor mximo de la fuerza demontaje, FMmax , que se puede llegar a producir:

b) Tensin

El tornillo queda sometido a traccin y a torsin.

En el caso de una rosca normalizada y con coeficiente de friccin

usual , es suficiente calcular el tornillo slo a traccin, y paratener en cuenta la torsin, se le aplica el factor .= 0,15

1,35

c) Seguridad

Mmax c MminF F

Mmax

T

F

A

adm adm adm1,35 1,35 0,75

Montaje con tensin previa sin fuerza separadora

MONTAJE CON TENSIN PREVIA

d) Tensin admisible

e) Momento de montaje

Clculo aproximado:

Momento que se ha de prescribir en el montaje (Momento nominal):

adm e adm

e e

0,7 ( 1,4) ; 0,75

0,75 0,7 0,52

sR C

R R

M Mmax' 0,2M F d

M M' / 1,1M M

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CLCULO DE UNA UNIN ATORNILLADA

Ejercicio de clculo simpli ficado de una unin de calidad normal,donde no se considera la accin de la fuerza separadora.

Determinar tornillos a emplear (nmero, mtrica y material)

Determinar el momento de montaje (momento para apretar lostornillos).

Datos:

La figura representa la tapa deuna caja de engranajes.

Para que sta sea estanca alaceite, se dispone de una juntaque ha de ser comprimida con

una presin de 3 N/m2.

Seccin de la unin

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES:

Las uniones atornilladas son simples, pero de gran importanciaen el diseo mecnico. Estn presente en casi toda mquina osistema mecnico. Estas son de tres tipos: por tornillo-tuerca,por tornillo -taladro roscado y por esprrago.

1

La funcin de la unin atornillada es unir piezas y evitar que laspiezas un idas se separen.

2

Las fases de trabajo de una unin atornillada son dos: la fasede montaje (donde aparece la fuerza de montaje FM) y la fase deservicio (donde se aplica la fuerza separadora FS).

3

La fuerza separadora que acta en una unin atornillada puedeser: axial, transversal y combinada.

4

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25/25

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES:

La unin atornillada puede fallar por tres causas: destruccinde tornillo, destruccin de las piezas unidas y abertura de launin. En esta ltima se ha hecho nfasis en el aflojamiento,exponindose sus causas y los sistemas de aseguramientocontra esta falla: arandelas generadoras de fuerza axial y defuerza radial, tuercas con filetes autotensado y dispositivosde cierra de seguridad absoluta.

4

Para unir piezas se utiliza el perfil triangular, en particular seha explicado el Perfil ISO, su designacin, parmetros yvalores normalizados de los tornillos, tuercas y roscas, ascomo las clases de resistencias siendo las ms comunes: 5,6;8.8; 10.9 y 12, 9.

5

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES:

El clculo de una unin atornillada poco solicitada es uncalculo simplificado.

Durante el montaje el tornillo se solicita hasta el 70% de su

lmite elsticoR

e .El momento de montaje MM se determina de maneraaproximada a partir del dimetro nominal del tornillo y delvalor de la fuerza de montaje mxima, la cual tiene en cuentael factor de apriete .

6

c