Tornillos De Potencia Clase 2012

UNIVERSIDAD DE COLIMA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Tema

“TORNILLOS DE SUJECIÓN Y DE POTENCIA” Catedrático

M.I. Norberto López Luiz

Manzanillo, Col.

Introducción. Los tornillos sirven tanto para sujetar cosas como para desplazar cargas, como en el caso de los tornillos de potencia o tornillos guía.

Los tornillos como sujetadores se disponen para absorber cargas a tensión, cargas al cortante o ambas.

Formas estándar de roscas. El elemento común entre sujetadores de tornillo es su rosca. La rosca es una hélice que, al ser girada, hace que el tornillo avance en la pieza de trabajo, o en la tuerca. Las roscas pueden ser externas (tornillos) o internas (tuerca o perforación roscada). Las roscas UNS e ISO son de uso generalizado, ambas normas manejan un ángulo de 60º y definen el tamaño de la rosca por el diámetro exterior nominal o principal.

Características de una rosca La figura 14-2 muestra las partes principales de una rosca de acuerdo a su geometría. Paso p de la rosca: distancia entre hilos adyacentes Crestas y raíces: Se definen como planos, para reducir la concentración de esfuerzos en contraste con las esquinas agudas, la especificación permite que estas superficies se vayan redondeando debido al desgaste. Diámetro de paso dp, diámetro de la raíz o de fondo dr se definen en función del paso de la rosca p. El avance L de la rosca es la distancia que avanza axialmente con una revolución. Si es rosca simple el avance será igual al paso. Si la rosca es doble o triple, avanzará el doble o tres veces el paso.

La ventaja de las roscas múltiples es una pequeña altura de rosca y un mayor avance. Ver figura 15.2

Las roscas UNS definen tres series estándar de familias de paso de rosca. 1. Paso grueso UNC 2. Paso fino UNF y 3. Paso extrafino UNEF

ISO también define roscas de serie basta y fina. La serie gruesa o basta es la más común y se recomienda para aplicaciones ordinarias (repetidas inserciones y retiros del tornillo, o donde se enrosque en un material más blando). Es menos probable que estas se barran o que barran el material blando a la inserción.

Las roscas finas resisten más el aflojamiento por vibraciones que las roscas bastas, debido a su menor ángulo de hélice y por esta razón se usan en autos, aviones y aplicaciones sujetas a vibración.

Las roscas de serie extrafina se aplican donde el espesor de la pared sea limitada y donde sus roscas muy cortas resultan ventajosas.

Las normas Unified National Standard e ISO definen rangos de tolerancia tanto para roscas internas como externas a fin de controlar su ajuste. UNS define tres clases de ajuste.

Clase 1. tolerancias más amplias, se aplica para sujetadores de calidad de herraje (bajo costo), utilizadas en el hogar. Clase 2. tolerancias más estrictas para un ajuste de mejor calidad entre roscas que se acoplan, es adecuada para aplicaciones de diseño de máquinas. Clase 3. precisión más elevada, empleadas para ajustes más precisos.

Una designación con letra (A) indica rosca externa o (B) interna.

Una rosca se especifica mediante un código que define su serie en diámetro, paso y clase de ajuste. El paso de las roscas UNS se define de manera recíproca al número de hilos por pulgada, en tanto que el paso de las roscas métricas ISO se define mediante la dimensión del paso en mm. Ejemplos: Roscas UNS

¼ - 20 UNC – 2A

0.250 in de diámetro, 20 hilos por pulgada, serie basta, ajuste clase 2, rosca externa Roscas ISO

M8 x 1.25 Diámetro 8 mm, rosca de paso 1.25 mm, serie basta De manera preestablecida todas las roscas estándar son derechas RH, al menos que se especifiquen como izquierdas, al agregar las letras LH a la especificación. Una rosca derecha hará que la tuerca o el tornillo avance “alejándose” de usted cuando se hace girar en sentido de las manecillas del reloj.

TIPOS DE ROSCAS Existen varios tipos de rosca, como por ejemplo las roscas métricas (M), la rosca unificada fina (UNF), la rosca unificada normal (corriente) (UNC), la rosca Witworth de paso fino (BSF), la rosca Witworth de paso normal (BSW o W), entre otras.

Las diferencias se basan en la forma de los filetes que los hacen más apropiados para una u otra tarea, las roscas indicadas son las más utilizadas en elementos de unión. En la figura se aprecian varias formas de roscas, los filetes triangulares son utilizados en pernos y tuercas, los filetes redondos son utilizados en uniones rápidas de tuberías, finalmente las roscas rectangulares en general se utilizan para ejercer fuerza en prensas.

Marcado de pernos de acero grado SAE

RESISTENCIA DE PERNOS Las normas de prueba de pernos indican cargarlo contra su propio hilo, sin utilizar una probeta representativa. Esto genera un valor llamado carga de prueba, la cual puede utilizarse para diseñar en reemplazo de la resistencia a la fluencia. Se adjuntan las marcas con que se indica el grado de resistencia de los pernos, para las normas SAE, ASTM y Métrica. Se adjunta también la tabla de marcas de los productos American Screw.

Número de grado SAE

Rango del diámetro [inch]

Carga de prueba [kpsi]

Esfuerzo de ruptura [kpsi]

12

¼ - 1½ ¼ - ¾ 7/8 1½

55 33

74 60

5

¼ - 1 11/8 - 1½

85 74

120 105

5.2

¼-1

85

120

Acero de bajo carbono martensítico, Templado y Revenido

7

¼ - 1½

105

133

Acero al carbono aleado, Templado y Revenido

8

¼ - 1½

120

150

Acero al carbono aleado, Templado y Revenido

¼-1

120

150

Acero de bajo carbono martensítico, Templado y Revenido

8.2 Propiedades mecánicas de elementos roscados de clase métrica Clase

Rango del diámetro

Carga de prueba [MPa]

Esfuerzo de ruptura [MPa]

4.6

M5 - M36

225

400

Acero de bajo carbono ó acero al carbono

4.8

M1.6 - M16

310

420

Acero de bajo carbono ó acero al carbono

5.8

M5 - M24

380

520

Acero de bajo carbono ó acero al carbono

8.8

M16 - M36

600

830

Acero al carbono, Templado y Revenido

9.8

M1.6 - M16

650

900

Acero al carbono, Templado y Revenido

10.9

M5 - M36

830

1040

Acero de bajo carbono martensítico, Templado y Revenido

12.9

M1.6 - M36

970

1220

Acero aleado, Templado y Revenido

Material

Marcado de la cabeza

Material

Acero de bajo carbono ó acero al carbono

Acero al carbono, Templado y Revenido

Marcado de la cabeza

TORNILLOS DE POTENCIA Los tornillos de potencia están diseñados para convertir el movimiento giratorio en movimiento lineal y ejercer la fuerza necesaria para mover una pieza de una máquina a lo largo de una trayectoria deseada (prensas, gatos, husillos de torno, etc).

La figura 18-2 muestra tres tipos de cuerdas de tornillos de potencia: la cuerda cuadrada, la cuerda Acme y la cuerda trapezoidal. De estas, la cuadrada y la trapezoidal son las más eficientes. Requieren de menos torque para desplazar una carga. La trapezoidal es recomendable para fuerzas transmitidas en un solo sentido.

TORNILLOS DE POTENCIA Al realizar análisis de tensiones en el tornillo, el método más seguro consiste en calcular el área que corresponde al diámetro menor para tensiones por esfuerzo de tracción o de compresión. Sin embargo, un cálculo más preciso de la tensión es resultado de utilizar el área de tensión por esfuerzo de tracción, la cual se calcula a partir de:

Esta es el área que corresponde al promedio del diámetro menor, o raíz, Dr y el diámetro de paso, Dp. Los datos reflejan los mínimos para tornillos disponibles en el mercado de acuerdo con las tolerancias que se sugieren.

TORNILLOS DE POTENCIA

TORQUE QUE SE REQUIERE PARA MOVER UNA CARGA

Cuando se utiliza un tornillo de potencia para ejercer una carga, como al levantar una carga con un gato, es necesario saber que tanto torque hay que aplicarle a la tuerca del tornillo para mover la carga. Los parámetros a considerar incluyen la fuerza que hay que mover, F; el tamaño del tornillo según lo indica su diámetro de paso, Dp; el desplazamiento del tornillo, L; y el coeficiente de fricción, f; el desplazamiento se define como la distancia axial a lo largo de la cual se moverá el tornillo en una revolución completa. Para el caso común de un tornillo de una sola cuerda, el desplazamiento o avance es igual al paso y se puede leer en la tabla 18-1, o se puede calcular a partir de L = p = 1 / n.

Donde:

n = hilos de cuerda por in

TORNILLOS DE POTENCIA

TORNILLOS DE POTENCIA Correspondiente al torque que se requiere para hacer girar el tornillo se emplea la figura 18-3 (a) que describe una carga que está siendo empujada sobre un plano inclinado.

Por lo tanto el torque que se necesita para mover una carga a lo largo de la cuerda es:

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FD p Tu  2

 L  fD p    D p  fL 

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TORNILLOS DE POTENCIA La ecuación corresponde a la fuerza que se necesita para compensar la fricción entre el tornillo y la cuerda además de la fuerza que se requiere para mover la carga. Este torque de fricción depende de los materiales que se utilicen y de la manera y en que se lubrique el tornillo. Para tornillos de acero bien lubricados que actúan sobre tuercas de acero, f = 0.15 debe resultar un valor conservador. Un factor importante en el análisis acerca del torque es el ángulo de inclinación del plano. En una cuerda de tomillo, al ángulo de inclinación se le denomina como ángulo de desplazamiento, λ, es el ángulo entre la tangente a la hélice de la cuerda y el plano transversal al eje del tornillo. A partir de la figura 18-3 es posible observar que:

donde πDp es la circunferencia de la línea de paso del tomillo.

TORNILLOS DE POTENCIA

Así, si la rotación o giro del tornillo tiende a levantar la carga, moverla hacia arriba de la inclinación, la fuerza de fricción se opone al movimiento y actúa hacia abajo del plano. Por el contrario, si el giro del tornillo tiende a bajar la carga la fuerza de fricción ejercerá su acción hacia arriba del plano, como se ilustra en la figura 18-3(b ). El análisis de torque cambia:

FD p  fD p  L  Td    2 D p  fL  Esta ecuación muestra el torque que se necesita, Td, para bajar una carga o moverla “hacia fuera de la cuerda”.

TORNILLOS DE POTENCIA Si la pendiente de la cuerda es muy pronunciada, es decir su ángulo de desplazamiento es alto, es probable que la fuerza de fricción no sea capaz de superar la tendencia de la carga a "deslizarse" hacia abajo del plano y la carga caerá a consecuencia de la fuerza de gravedad. Sin embargo, en casi todos los casos de tornillos de potencia con cuerdas únicas, el ángulo de desplazamiento es mas bien pequeño y la fuerza de fricción es lo suficiente grande para oponerse a la carga y evitar que se deslice hacia bajo del plano. Un tornillo de este tipo se denomina autoasegurador o autocerrador, una característica recomendable para gatos y dispositivos similares. En términos cuantitativos, la condición que debe ser satisfecha para que exista el autocerrado es :

f > tan λ El coeficiente de fricción tiene que ser mayor que la tangente del ángulo de desplazamiento. Para f = 0.15, el valor correspondiente del ángulo de desplazamiento es 8.5°. Para f = 0.1, para superficies muy lisas, bien lubricadas, el ángulo de desplazamiento del autoasegurado es 5.7°. Los ángulos de desplazamiento para los diseños de tornillo que se indican en la tabla 18-1 varia entre 1.94° y 5.57°. Por tanto, se espera que todos se autoasegurarán. Evitando en lo posible condiciones de vibración que provoquen que se mueva el tornillo.

TORNILLOS DE POTENCIA EFICIENCIA DE UN TORNILLO DE POTENCIA

La eficiencia para la transmisión de una fuerza mediante un tornillo de potencia se puede expresar como la relación del torque que se requiere para mover el tornillo sin fricción con la que se necesita para moverlo donde si existe fricción, La ecuación Tu proporciona el torque que se necesita con fricción, Tu. Si f = 0, el torque que se necesita sin fricción, T' , es:

FD p L FL T ´  2 D p 2 En consecuencia la eficiencia, e, es:

TORNILLOS DE POTENCIA FORMAS ALTERNAS DE LA ECUACIÓN DE TORQUE De las ecuaciones anteriores Tu y Td se pueden expresar en términos de ángulos de desplazamiento, en lugar de desplazamiento y el diámetro de paso, observando la relación de la ecuación tan λ = L/ (πDp). Con esta ecuación, el torque que se necesita para mover la carga será:

y el torque que se necesita para bajar la carga es:

TORNILLOS DE POTENCIA AJUSTES PARA CUERDAS ACME La diferencia entre las cuerdas Acme y las cuerdas cuadradas es la presencia del ángulo de cuerda. A partir de la figura 18- 4 se puede observar que 2 Φ(phi) = 29°, y por consiguiente Φ = 14,5°. Esto modifica el sentido en el que actúan las fuerzas en la cuerda respecto a lo que se describe en la figura 18-3. La figura 18-4 muestra que F tendrá que ser sustituida por F/cosΦ, aI extender esto al análisis relativo al torque se obtendrán formas modificadas de las ecuaciones de torques. El torque que se necesita para mover la carga a lo largo de la cuerda será:

Y el torque que se requiere para mover la carga hacia afuera de la cuerda es :

TORNILLOS DE POTENCIA

POTENCIA QUE SE NECESITA PARA INSERTAR O IMPULSAR UN TORNILLO DE POTENCIA

Si el torque que se necesita para hacer girar el tornillo se aplica a una velocidad de giro constante, n, entonces la potencia, en caballos de potencia, que se necesita para impulsar el tornillo es: