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Teoría sobre diseño de un sujetador
Tipo: Apuntes
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Diseño de elementos mecánicos
Las tuercas y los tornillos son elementos de fijación que se utilizan para unir piezas ya sea de forma permanente o temporal. La mayoría de las estructuras se unen sus piezas mediante tornillos y tuercas, por eso son elementos de vital importancia dentro de la tecnología. La gran ventaja de utilizar este sistema de unión es que la unión puede ser desmontable en cualquier momento.
El tornillo es un elemento de fijación metálico usado para unir piezas de madera, metálicas u otro tipo de materiales, que consiste en una varilla cilíndrica roscada en espiral que se acopla dentro del material a unir roscando de manera similar
Diseño de elementos mecánicos
En un comienzo, la construcción de las roscas dependía en gran medida de la habilidad y el buen ojo del artesano. No obstante, en el siglo XVIII se introdujeron los primeros avances hacia la estandarización de ciertos parámetros, ya que la producción de tornillos había dejado de ser un oficio para convertirse en un proceso industrial, por lo que a mediados del siglo siguiente se adoptaron definitivamente los estándares para roscas que rigen hasta la actualidad.
Sin embargo, para bien o para mal, resultó casi una coincidencia que dos inventores, uno en Gran Bretaña (J. Whitworth) y el otro en Estados Unidos (W. Sellers) propusieran independientemente y casi simultáneamente estandarizaciones diferentes basadas en el sistema imperial de medición, que fueron adoptadas en cada uno de esos países. Para no quedar atrás, la Europa métrica contraatacó con su aporte correspondiente, adoptado de estándares franceses y alemanes, y esta es básicamente la razón por la cual hoy existen tantos tipos distintos de rosca usados en todo el mundo y que es útil conocer.
Aunque las aplicaciones son numerosas, las funciones principales de una rosca son tres:
-Formar un acoplamiento mecánico para mantener piezas unidas (por ejemplo, con un perno y una tuerca).
-Transmitir fuerza o movimiento mediante la conversión de un movimiento de rotación en un movimiento lineal o viceversa (por ejemplo, el tornillo de una prensa).
-Aportar ventajas mecánicas al hacer uso de una fuerza pequeña para crear una fuerza de mayor magnitud.
Partes que conforman una rosca
Filete o hilo : superficie prismática en forma de hélice que es constitutiva de la rosca.
Flanco: cara lateral del filete.
Cresta : parte más externa de la rosca, o bien, unión de los flancos por la parte exterior.
Valle: parte más interna de la rosca, o bien, unión de los flancos por la parte interior.
Diámetro nominal o exterior : diámetro mayor de la rosca. En un tornillo, es el diámetro medido entre las crestas de los filetes, mientras que en una tuerca es el diámetro medido entre los valles.
Diseño de elementos mecánicos
Diámetro interior : diámetro menor de la rosca. En un tornillo, corresponde al diámetro medido entre los valles, mientras que en una tuerca es el diámetro medido entre las crestas.
Ángulo de rosca o de flancos : ángulo medido en grados sexagesimales, que forman los flancos de un filete según un plano axial.
Paso (P): distancia entre dos crestas consecutivas, que representa la longitud que avanza un tornillo en un giro de 360º. El paso de una rosca puede ser fino (F), grueso o normal (C) y, en algunos pocos casos, extra fino (EF). La tendencia general de los últimos 20 años, apunta al uso generalizado del paso grueso, dejando los pasos finos para casos particulares, por ejemplo, reglajes, tornillos de motores, etc. Estos casos son menos numerosos y los elementos de sujeción de paso fino se transforman de a poco en elementos especiales con sus consiguientes inconvenientes económicos, de disponibilidad y plazo.
Figura 1. Diagrama de una rosca
Diseño de elementos mecánicos
Diseño de elementos mecánicos
Tipos de roscas más comunes
-Roscas de unión para uso general
Rosca métrica ISO
Es de diseño cilíndrico (o paralelo o recto) y está formada por un filete helicoidal en forma de triángulo equilátero con crestas truncadas y valles redondeados. El ángulo que forman los flancos del filete es de 60º y el paso, medido en milímetros, es igual a la distancia entre los vértices de dos crestas consecutivas.
Rosca nacional unificada ISO de paso grueso (UNC)
Es idéntica a la rosca métrica ISO en cuanto a diseño y ángulo de flancos, con la diferencia que sus dimensiones responden al sistema imperial.
Se usa generalmente para la producción en serie de tornillos, pernos y tuercas, y otras aplicaciones industriales, especialmente el roscado en materiales de baja resistencia a la tracción, tales como fundiciones, acero dulce y materiales blandos, para obtener la máxima resistencia al desgarre de la rosca. Puede aplicarse donde se requiere un montaje y desmontaje rápido o cuando hay posibilidad de que exista corrosión o deterioro ligero.
Rosca nacional unificada ISO de paso fino (UNF)
Difiere de la anterior únicamente por el paso y por la denominación, donde solo se reemplazan las letras UNC por UNF. Tiene uso general, aunque es más resistente a la tracción y torsión que la UNC e incluso resiste el aflojamiento por vibración.
Diseño de elementos mecánicos
Nomenclatura de tornillo
p- Paso, distancia entre dos puntos homólogos del perfil α-Angulo de rosca d2- Diámetro de flancos del tornillo d- Diámetro mayor de la rosca del tornillo d1- Diámetro menor de la rosca del tornillo D2- Diámetro de flancos de la tuerca D- Diámetro mayor de la rosca de la tuerca D1- Diámetro menor de la rosca de la tuerca t- Altura del perfil teórico en la punta t1- Profundidad de la rosca t2- Profanidad portante- Recubrimiento en los flancos
Tornillos Ordinarios
- Designación Los tornillos ordinarios se designan de la siguiente manera: En primer lugar, la sigla T (correspondiente a tornillo), el diámetro ( d ) de la caña, el signo x , la longitud ( l ) del vástago, el tipo de acero y la referencia a la norma.
Diseño de elementos mecánicos
Tornillos Calibrados
- Designación Los tornillos calibrados se designan de la siguiente manera: En primer lugar, la sigla TC (correspondiente a tornillo calibrado), el diámetro ( d ) de la caña o espiga, el signo x , la longitud ( l ) del vástago, el tipo de acero y la referencia a la norma.
Tornillos de Alta Resistencia
Diseño de elementos mecánicos
Diseño de elementos mecánicos
Un parámetro determinante en las fuerzas, pares y resistencias de los tornillos es el tipo de rosca que el tornillo presenta, generalmente son utilizados dos estándares generales de roscados, Unificado y Métrico, que a su vez se subdividen según los tipos de rosa que se requieren
Si un elemento está diseñado para quedar instalada en un agujero roscado se denomina tornillo, Se aprieta par a la cabeza
Si está diseñado para instalarse con tuerca se denomina perno, y se aprietan con par de torsión a la tuerca
Las roscas de los tornillos son hélices que permiten el desplazamiento longitudinal de un tornillo, cuando es girado
Las roscas UNS- unificado o estándar tienen tres series estándar de familias de paso de rosca
-Rosca basta
Son de paso grande y se usan en aplicaciones ordinarias, en las cuales se requiere un montaje y desmonte fácil o frecuente.
-Roscas finas
Estas roscas son adecuadas cuando existe vibración, por ejemplo, en automóviles y aeronaves, ya que al tener menor pasó poseen un menor ángulo de hélice
-Roscas extrafinas
Están tienen unos pasos muy pequeños. Son particularmente útiles en equipos aeronáuticos, debido a las altas vibraciones involucradas, para roscas en piezas de pared delgada
Diseño de elementos mecánicos
Para tornillos métricos
Par
Con el fin de lograr que el tronillo adquiera determinada fuerza inicial, debe calcularse un par de apriete
El coeficiente de par de torsión depende del coeficiente de fricción entre la tuerca y el tornillo, por lo tanto depende de si el tornillo está lubricado o no. Es conveniente que el tornillo este lubricado en el momento del apriete, con el fin de reducir el par de torsión requerido, así como el esfuerzo cortante que se genera por la torsión
Esfuerzo de apriete
El esfuerzo de tracción que se obtiene en el apriete es muy cercano a la resistencia límite del material, Ps. Una de las razones de esto es que al efectuar una gran precarga del perno o tornillo, la fuerza externa no logra aumentar mucho el esfuerzo en este, esto implica que si el esfuerzo es variable, la fluctuación de este sea pequeña, además si el tornillo no falla durante el apriete es poco probable que falle en servicio
Resistencia del tornillo
Si el tornillo está sometido a tracción estática solamente con una fuerza máxima debe verificar que el factor de seguridad sea lo suficientemente grande
Diseño de elementos mecánicos
El factor de seguridad para tornillos debe calcularse de la forma siguiente ya que el esfuerzo en el tornillo no es proporcional a la carga externa aplicada no es suficiente con la simple reacción de esfuerzos
Los elementos roscados usados para la unión de piezas diversas, se encuentran sometidos a distintos esfuerzos de acuerdo a la aplicación particular de las cargas
-Cargas axiales de tracción estática sin existencia de precarga -Cargas axiales de tracción y cargas transversales estáticas, actuando separadamente o simultáneamente sobre elementos precargados -Cargas axiales de tracción estática y/o fluctuante y cargas transversales estáticas y/o fluctuantes, actuado en forma separada o simultáneamente en elementos roscados precargados
Carga axial
En tales condiciones de carga, los elementos roscados pueden fallar por fallas como:
-Falla por rotura del vástago a través de la rosca o debajo de la cabeza del tronillo -Falla por aplastamiento en los filetes del torillo y de la tuerca -Falla por corte en la cabeza del tronillo
Diseño de elementos mecánicos
Una vez se obtienen los datos, se busca en la tabla, cuál será la mejor tierca dada las características requeridas
Tuercas métricas de paso fino y basto
Tuercas unificadas de paso fino y basto
Diseño de elementos mecánicos
Selección de tuercas
Las cabezas de los tornillos de diferentes tamaños se encuentran a manudo en los pernos de un diámetro determinado. Para hacer las cosas más complicadas, una selección aún mayor de tiercas requieren diferentes tamaños de llave para el diámetro del perno mismo. Conocer el tamaño correcto de una tuerca o tornillo es especialmente importante cuando las piezas se desgastan y deben ser reemplazadas
Instrucciones:
A-Determina el diámetro del eje del perno para identificar correctamente el tamaño de los pernos. La manera más fácil de hacer esto es colocar un calibre de nonio sobre el diámetro del perno y leer el tamaño de la escala vernier. Si una pinza vernier no está disponible, continúa con el siguiente paso B-Retira la tuerca del perno e inserta el extremo roscado del tronillo en un calibrador de punta broca. Un perno de 3/8 pulgada cabe en un medidor de perforación de 3/8. Si un medidor de perforación no está disponible continua con el siguiente paso
C- Coloca una regla de acero o cinta métrica a través del centro de las roscas de los tornillos. Determina el tamaño del diámetro del perno de la medición en la regla de acero
Tuerca hexagonal Son las más empleadas en sistemas de fijación, siendo su forma exterior analógica a la del tornillo hexagonal. Se construye principalmente en acero cincado, inoxidable y latón
Tuerca hexagonal con brida En esta parte que hace contacto con la superficie de la pieza incorpora una forma solidaria que hace las funciones de arandela
Tuercas almenadas Caso de precisarse una unión segura se puede optar por utilizar una tierca hexagonal almenada, esta precisará de un pasador de aleta para hacer solidario su anclaje al tornillo, impidiendo el montaje que las vibraciones o golpes puedan afectarle
