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jueves, 7 de julio de 2011

TORNILLOS Y UNIONES ATORNILLADAS

8.1 Introducción

Se suele utilizar la siguiente terminología para las roscas de tornillos:

  • p, paso: distancia entre dos hilos adyacentes.
  • l, avance: distancia que avanza una tuerca cuando se le da una vuelta. Hay roscas dobles y triples, con las cuales se avanza dos o tres veces el paso respectivamente.

En la figura 8.1 se indica la nomenclatura de roscas. En las figuras 8.2 y 8.3 se representan esquemáticamente tres tipos de roscas: Métrica ISO, Rosca cuadrada, Rosca Acme.
Figura 8.1. Nomenclatura para rosca de tornillo.


Figura 8.2. Perfil básico de roscas métricas internas y externas.
p, paso de rosca. H=0.5.(3)1/2 p




Figura 8.3. Rosca cuadrada y ACME
Para especificar roscas métricas se expresa diámetro y paso en milímetros M12 x 1.75 = rosca con diámetro nominal 12mm. y paso 1.75 mm.
Las roscas de perfil cuadrado y Acme se utilizan para la transmisión de potencia; suelen hacerse modificaciones según las necesidades.



8.2 Mecánica de los tornillos de fuerza o potencia.
Este tipo de tornillos se utilizan para transformar un movimiento angular en lineal, transmitiendo fuerza (prensas, gatos, husillos de avance de tornos, etc...).

Sea el tornillo de potencia de la figura 8.4, en la que.
- dm= diámetro medio.
- p = paso.
- λ = ángulo de hélice, o de avance.

Se quiere calcular la relación entre el par T necesario para bajar y subir la carga y la fuerza F.

El filete de la rosca del tornillo se desarrolla sobre un plano una longitud equivalente a una vuelta. Se hace un análisis de las fuerzas actuantes para subir la carga figura 8.5 a) y para bajarla figura 8.5 b).

Figura 8.5 Desarrollo de una vuelta del tornillo de potencia de la figura 8.4



Se hallan las expresiones que ligan la carga, F, y el para a realizar, T, según se trate de subir o bajar:


En el caso b) estamos calculando el momento necesario para vencer parte de la fricción para que la carga baje. Se pueden distinguir dos casos diferentes:

Para calcular la eficiencia, e, de un tornillo comparamos el par, T, que hay que realizar con el par, To, que habría que realizar si el rozamiento fuera nulo. To puede calcularse a partir del caso a) haciendo μ = 0:




Las ecuaciones anteriores son para roscas cuadradas. En el caso de roscas Acme la carga normal queda inclinada respecto al eje (Figura 8.6)
Figura 8.6.Tornillo de potencia con rosca Acme

El par necesario para subir la carga puede aproximarse por la siguiente expresión, en la que el ángulo α queda definido en la figura 8.6.


De la expresión anterior se deduce que, en el caso de tornillos de fuerza, la rosca Acme no es tan eficiente como la cuadrada, sin embargo suele preferirse porque es más fácil de formar a máquina.


8.3 Esfuerzos en la rosca.
En los cálculos que siguen se realiza la hipótesis de que todos los hilos de rosca en contacto con la tuerca comparten la carga; esta hipótesis es sólo parcialmente válida y por ello hay que utilizar en los cálculos coeficientes de seguridad amplios.

Con las limitaciones de la hipótesis realizada, se pueden deducir las siguientes expresiones:

Presión contacto.


n: nº de hilos en contacto

Tensión debida a la flexión.

- Se supone la carga F uniformemente distribuida en la rosca a lo largo de todo el diámetro


Figura 8.7 Esfuerzos sobre un hilo de rosca.


Tensión cortante

- Para deducir estas expresiones recuérdese que en el caso de una sección rectangular A, la tensión cortante máxima es:




Donde dr es el diámetro interior y do es el mayor.


En algunos casos puede ser necesario considerar las propias tensiones en el tornillo debido a compresión/tracción, con combinación de cortante debido al efecto del par de torsión T.
En el caso de tener una longitud de tornillo superior a 8 veces el diámetro es necesario considerar el pandeo.
Cuando se necesita un rendimiento muy alto hay que utilizar husillos a bolas. (los propios fabricantes en los catálogos ofrecen criterios de selección).

8.4 Tornillos y pernos.
Si un elemento está diseñado para quedar instalado en un agujero roscado se denomina tornillo. Se aprieta aplicando par a la cabeza.
Si está diseñado para instalarse con tuerca se denomina perno, y se aprietan con par de torsión a la tuerca.
Un espárrago es un perno con rosca en los dos extremos.

8.4.1 Tensión en juntas atornilladas.

El análisis de la tensión en juntas atornilladas se hará a partir de la figura 8.8 4.1, además se definen las siguientes variables:
- Fi = precarga inicial
- kp= rigidez del perno
- km = rigidez de las piezas sujetadas
                  - P = carga que se aplica


Figura 8.8 Junta atornillada


Se supone que el perno tiene una precarga inicial y se aplica una carga P (tal como se esquematiza en la Figura 8.8). Esta carga P se reparte entre el perno y las piezas unidas: Pp y Pm respectivamente. El reparto depende de la relación entre las rigideces de ambos elementos (siempre que se mantenga el contacto). Efectivamente deben cumplirse las siguientes ecuaciones:



por lo tanto,




La figura 8.9 esquematiza gráficamente cómo se reparte la carga P en un perno ya precargado, obsérvese que el perno es menos rígido que las piezas que sujeta.




Figura 8.9. Esquema del reparto de P entre perno y piezas.

Es importante resaltar que las ecuaciones deducidas hasta ahora para el reparto de la carga entre perno y piezas (con precarga) son válidas en tanto que se mantenga algo de la compresión inicial de las piezas. Si la fuerza P es suficientemente grande para eliminarla, el perno soportaría toda la carga.

Del estudio realizado se deduce que es importante precargar los pernos:
- desde el punto de vista de fatiga (fluctuación menor de la carga).
- para mejorar el efecto de aseguramiento.

Para conocer la precarga a aplicar en un perno se mide el par de torsión de apriete (llave torsiométrica).




Figura 8.10. Algunos tipos de empaquetaduras utilizados para evitar fugas en juntas.

a)    empaque no colocado en ranura..
b) anillo en "O" en el que el sellado se realiza por la presión p.
c) empaque en ranuras en el que el sellado se efectúa por compresión.
    
8.    En la mayoría de los casos los valores de E de estas juntas son muy pequeños en comparación con los de los metales: esto significa que se pueden suponer rigideces ∞ de las partes del metal y sólo se utiliza la del empaque para km.



 8.5 Precarga de pernos: carga estática y carga de fatiga.
 8.5.1 Carga estática.
Anteriormente se halló la carga a la que está sometido un perno precargado con Fi y con una carga externa actuando, P:

La condición para la separación de la junta es Fm = 0 (desaparece la compresión en las piezas unidas y el perno soporta toda la carga). Luego la precarga, Fi, debe ser mayor que (1-C)P. Pero además no debe producir fluencia en el material:


Esto es para cargas estáticas, a fatiga podemos encontrar otras restricciones.




8.5.2 Carga de fatiga.

Para este análisis es necesario determinar la carga media y alternante. Empleando la notación anterior, conociendo la variación de P se pueden deducir. Suponiendo por ejemplo que P varía entre 0 y P:



 
De las dos expresiones anteriores se puede deducir la componente alternante y media de la carga, suponiendo que el área efectiva del perno es At:





8.6 Husillos A Bolas
8.6.1 Introducción.
Los husillos a bolas (ball screw en inglés) se encargan de convertir un movimiento de rotación en otro lineal (operación normal) y viceversa (operación back-drive). También pueden ser utilizados como reductores de velocidad, convirtiendo un desplazamiento lineal en otro menor, como alternativa a motores lineales o cilindros hidráulicos o neumáticos. Un par pequeño es convertido en una gran fuerza de empuje con mayor eficiencia y precisión que la conseguida con un tornillo de potencia. El husillo consta básicamente del eje o husillo propiamente dicho, tuerca, bolas y un sistema de recirculación para éstas últimas. Las bolas giran entre el eje y la tuerca para reducir el rozamiento y elevar el rendimiento de la transferencia de movimiento. Al llegar al final de la carrera vuelven al punto de partida gracias a diversos sistemas de recirculación.





Figura 8.12. Husillo (ball.screw) vs. Tornillo de potencia (Acme screw).




8.6.2 Tipos de recirculación de bolas
Por tubo exterior:



Por deflectores y End-Cap:








8.6.3 Factores limitantes en la velocidad
La velocidad de rotación del husillo viene limitada por:

− Velocidad de rotación máxima admisible de las bolas.
− Velocidad límite de rotación del eje.
− Ruido y vibraciones.
− Temperatura y deformación térmica creadas.
− Cargas causadas por la velocidad y aceleraciones.




8.6.4 Tipos de acoplamiento:








Square Rail Linear Tables














Round Rail Linear Tables






1 comentario:

  1. HOLA, MI NOMBRE ES MARIO Y POR LO QUE VEO ESTA MUY BIEN EXPLICADO, ES DIDACTICO, LOS VOLVERE A VISITAR. GRACIAS.

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