MECANISMOS Y SISTEMAS DE AERONAVES MECANISMOS Y ELEMENTOS DE MQUINAS

TORNILLO

2014 DEPARTAMENTO DE AERONUTICA FACULTAD DE INGENIERA UNLP

Pablo L. Ringegni

Tornillo

1

Introduccin En la prctica es normal encontrar una distincin entre tornillo (screw) y buln (bolt), esto se debe a las siguientes diferencias entre unos y otros: usualmente los tornillos estn hechos con materiales de baja resistencia, poseen un ajuste de la rosca ms holgado, la forma de la cabeza esta adecuada al destornillador y la espiga puede estar roscada en toda su longitud, sin una zona de fijacin determinada. Los tornillos pueden ser divididos en tres grupos bsicos: - Tornillos estructurales - Tornillos de mquina - Tornillos autoroscantes Sobre esta clasificacin volveremos hacia el final del apunte, y de aqu en adelante desarrollaremos los fundamentos y caractersticas de tornillos y bulones sin hacer diferencia entre ellos, refirindonos a ambos como tornillos. Segn normas IRAM tornillo es: El elemento roscado total o parcialmente que sirve para unir dos partes, una de las cuales hace las veces de tuerca. Consta de cabeza y espiga y segn su uso se distinguen principalmente dos tipos: para madera y para metales. El tornillo es el elemento ms frecuentemente empleado como: - Elemento de fijacin para uniones desmontables. - Tornillo de traccin para producir tensin previa (dispositivo tensor). - Tornillo de cierre para obturar orificios. - Tornillo de ajuste para ajustar o reajustar un juego o desgaste. - Tornillo de medicin para recorridos mnimos (micrmetro). - Transformador de fuerza para producir grandes esfuerzos longitudinales mediante pequeas

fuerzas perifricas (prensa de husillo, prensa de banco). - Transmisor de movimiento para la conversin del movimiento giratorio en longitudinal

(tornillo de banco) o para la transformacin de movimiento longitudinal en circular (helicoidal).

Rosca La forma fundamental de la rosca es la hlice, se engendra por el arrollamiento de una recta con un ngulo de inclinacin sobre un cilindro de radio r.

Tornillo

2

Figura 1

Puede ser construida por punto a partir de su desarrollo, ya que y/x=tg()=p/(2..r) siendo p el paso o altura del filete.

La hlice puede ser derecha (como la de la figura 1) o izquierda. En la rosca se presenta, en lugar de la seccin puntual de la lnea helicoidal, un perfil,

este perfil puede ser triangular, trapezoidal, rectangular o semicircular. Entre las roscas normalizadas que se emplean para tornillos de fijacin (mayor

rozamiento), la rosca triangular con filete de 60 de ngulo entre flancos (rosca mtrica) o derivadas, como la del tipo unificada 55 (Whitworth); las dems se emplean para tornillos de transmisin de movimiento (cuadrada o trapezoidal), siendo la ideal la cuadrada ya que transmite todas las fuerzas paralelas al eje del tornillo. El inconveniente de la rosca cuadrada es que al tener la mitad del nmero de filetes por paso que la rosca triangular, tiene la mitad de la resistencia de esta ltima.

Figura 2

Al final de este apunte se encuentran tablas con las caractersticas de diferentes roscas.

Tornillo

3

Tornillo como elemento transmisor de movimiento

Figura 3

Sean A y B los dos miembros de un par helicoidal, siendo A el tornillo y B la tuerca. En la figura

dicho par est representado como parte de un mecanismo ms complejo, en una prensa a tornillo. La tuerca es solidaria con el bastidor, mientras que el tornillo acta sobre una placa H. El material a ser prensado esta indicado con K. La accin motora esta constituida por una cupla M aplicada a un brazo L, solidario con el tornillo. La accin resistente es la fuerza axial Q que representa la reaccin de K, que la placa transmite al tornillo. Para evitar la rotacin de H por efecto de la accin tangencial del roce que aplica A a H, la placa H presenta dos acoplamientos prismticos con las dos columnas G del bastidor.

Suponiendo que, por simplicidad, el contacto entre los dos miembros del par helicoidal sea reducido a la hlice media, la accin mutua que estos dos miembros intercambian esta constituida por un sistema de fuerza aplicadas en el punto P de dicha hlice:

Tornillo

4

En cada elemento ds de esta hlice, en el entorno de P, la fuerza dF que la tuerca transmite al tornillo tiene una componente ndF dirigida segn la normal de contacto, y una componente tdF dirigida segn la tangente de contacto, en la misma direccin y sentido, contrario a la velocidad vdel punto P perteneciente a B (la tuerca) respecto de A(el tornillo). Si n es el versor normal al helicoide activo en P (dirigido de A hacia B), y t el versor de v , se tiene:

tdFndFFd tn

Siendo nt FdfFd

)..( tfndFFd n

Si es el ngulo (constante en todos los puntos de la hlice media) que n forma con el eje Z del par, orientado como la rotacin de A respecto de B, y (figura 1) es la inclinacin de la tangente a la hlice media sobre el plano normal a dicho eje Z, resulta:

).(cos senfdFdF nz Por lo tanto, la componente segn Z de la fuerza transmitida de B hacia A es:

L nz dFsenfF cos NsenfFz cos

Figura 4

donde la integral est extendida a todo el arco L de la hlice media sobre el que se extiende el contacto, y N es la suma de los mdulos de dichas acciones. Para el equilibrio del tornillo, considerando el rgimen de velocidad constante, resulta:

Tornillo

5

Q=(cos - f.sen ). N por lo tanto: N= Q/(cos - f.sen )

Ecuacin del equilibrio dinmico

Recordemos que el paso p y el radio medio r de la hlice, estn relacionados con la inclinacin de la hlice media sobre el plano normal al eje mediante la expresin:

rp

..2tg Si Mo es el valor de la cupla M en condiciones ideales:

Figura 5

La ecuacin de los trabajos para un desplazamiento efectivo igual a una vuelta del par A y B en

condiciones ideales (sin roce), da:

0...2. pQrr

Mo (signo - pues "Q se opone al torque")

tg.Qr

Mo

Ahora, considerando la disipacin de energa debida al roce entre las superficies conjugadas de A y B, la ecuacin de los trabajos resulta:

0.....2.

senpNfpQ

rrM

reemplazando N=Q/(cos-f.sen)

0)..(cos

....2.

senfsenpQfpQM

Tornillo

6

)..(cos1...2. senfsenfpQM

)..(cos

)..(cos...2.

senfsenfsenfsenpQM

multiplicando el segundo miembro por cos/cos

)..(coscos

)..(cos...2.

senftg

fsenftgpQM

)..(coscoscos

.cos....2.

2

senftg

fsenftgpQM

)..(cos

coscoscos1.cos.

...2.

2

senftg

fftgpQM

)..(coscos.cos....2.

senftg

ftgpQM (1)

El valor 2..M es el trabajo motor, o sea, es el trabajo necesario para efectuar una rotacin del

tornillo, mientras que el valor Q.p es el trabajo que ha realizado al mismo tiempo el tornillo para comprimir K, que es el trabajo correspondiente al objetivo que debe cumplir el mecanismo, llamado trabajo resistente til. Podemos escribir a la (1) como:

)..(coscos.cos.

..2..

senftgftg

rrpQM

Simplificando tg

).(coscos.cos...

senfftgrQM

Tornillo

7

cos.1

coscos.

..senf

ftgrQM (2)

Si definimos 1f como el coeficiente de roce virtual dado por:

coscos.1 ff (3)

En la (3) podemos observar que el cociente de los cosenos funciona como un factor de amplificacin del coeficiente de roce debido a la geometra del par cinemtico. A partir de (3) podemos escribir:

tgf

ftgrQM

.1..

1

1

o expresado en funcin del ngulo de roce (1) correspondiente a f1 dado por:

11 tgf

)tg(..tg.tg1

tgtg.. 1

1

1

rQrQM

)(.. 1 tgrQM (4) - En el caso de filete de rosca triangular o trapezoidal, con ngulo de oblicuidad , resulta:

222 cos.sencos

cos.coscos

(5) y son los ngulos que se conocen en la prctica Reemplazando en (3):

221 cos1 tgff (6) Finalmente con este valor se calcula M en funcin de y :

22

22

cos11

cos1...

tgtgf

tgftgrQM

Tornillo

8

- Para el caso de filete rectangular, = 0 entonces de (5) = , luego de (6) f1 = f, resulta:

tgf

ftgrQM1

(7)

O en funcin del ngulo de roce : tgrQM (8)

con tg = f Anlisis del rendimiento del par helicoidal

De acuerdo a lo visto, obtendremos el rendimiento haciendo la relacin entre el trabajo til y el trabajo motor.

- Para filete trapezoidal o triangular:

22222

cos1

cos1..2.

tgftg

tgtgftgMpQ

(9)

Teniendo en cuenta (4) y p=2..r.tg se llega a:

)( 1 tg

tg (10)

- Para filete rectangular = 0, resulta:

ftgtgftg

MpQ

2

..2.

(11)

O sino en funcin del ngulo de roce :

)( tg

tg (12)

Por lo visto anteriormente para la rosca cuadrada el factor de amplificacin

coscos

es mnimo, por

lo tanto M va a ser ms pequeo que para una rosca triangular con el mismo . Luego como Q es la misma, el rendimiento va a ser mayor para la rosca cuadrada.

Tornillo

9

Anlisis del mximo rendimiento del par con filete rectangular en funcin del ngulo (ngulo de inclinacin de la hlice)

De la (10) obtenemos que =0 para =0 y 2 , y como es siempre positivo, debe haber un valor

mximo de para un cierto valor de entre 2

0 .

Entonces para obtener el valor de que hace mximo a , para un dado f = tg , es:

0

dd

Derivando la (12)

0)(cos

1.)(.cos

122 tgtg

Simplificando y dejando solo el denominador: cos (+).sen(+)-cos.sen = 0 Por lo tanto por identidad trigonomtrica: 2)(2 sensen

Para que esta ecuacin sea satisfecha dentro del intervalo

2

0 se debe cumplir que:

2).(2 o sea 24

De aqu se aprecia, que el ngulo de inclinacin de la hlice media () en la condicin de

mximo rendimiento, no difiere sustancialmente de 45.

Relacin entre torque y fuerza para la rosca cuadrada

Un tornillo de fuerza o potencia mecnica es un dispositivo de la maquinaria para convertir un giro o desplazamiento angular en un desplazamiento rectilneo, y transmitir as la accin de una fuerza o potencia mecnica. Suelen emplearse en los husillos o ejes de avance de los tornos y en los elementos de fuerza de mordazas, prensas y levantadores hidrulicos o gatos.

Para hallar la relacin entre carga (fuerza) a mover y torque aplicado, para el caso particular de la rosca cuadrada se puede utilizar tambin el siguiente anlisis.

Tornillo

10

Figura 6. Las fuerzas estn aplicadas en un punto del tornillo

En la figura 6 se muestra en forma esquemtica el desarrollo de un filete de un tornillo de

potencia de rosca cuadrada, que tiene un dimetro medio d, un paso p y un ngulo de avance , que soporta una carga axial de compresin F. Se desea obtener la expresin matemtica del par o momento de giro que se necesita para levantar la carga (fig.6 izquierda. SUBE) y la expresin correspondiente para bajarla (fig. 6 derecha. BAJA).

Para elevar la carga se tiene una fuerza U que acta hacia la derecha, para bajarla, U acta hacia la izquierda.

La fuerza de roce es igual al producto del coeficiente de friccin f por la normal N, y acta oponindose al movimiento. El sistema est en equilibrio bajo la accin de estas fuerzas y, por tanto para: - Elevar la carga se tiene que:

U - Nsen - f.Ncos = 0 F + f.Nsen - Ncos =0

Eliminando N de estos sistemas de ecuaciones y despejando U se obtiene:

sencos)cos(sen

ffFU

Dividiendo numerador y denominador por cos y aplicando la relacin tg =p/.d, se obtiene:

)./.(1)./(

dpffdpFU

Finalmente, observando que el momento de rotacin es el producto de la fuerza U y el radio medio d/2, para elevar la carga se puede escribir:

)...(2)..(.

pfddfpdFM

Donde M es el momento requerido para vencer el rozamiento en la rosca y levantar la carga.

Recordando que f = tg podemos escribir para el caso ascendente:

Tornillo

11

)tg(.tg.tg1

)tg(tg.)./.(1)./(

FFdpffdpFU

Para el caso ideal sin roce = 0, por lo tanto U = F.tg

Podemos definir a la eficiencia o rendimiento de la transmisin como la relacin entre el momento necesario para elevar la carga F y el momento necesario para elevar la carga F venciendo adems el roce:

)()()2/.()2/.(

11

tg

tgtgdF

tgdF

que coincide con la expresin (11) dada anteriormente.

- Descender la carga ser:

-U - Nsen + f.Ncos = 0 F - f.Nsen - Ncos =0

Luego:

sencos)sencos(

ffFU

Repitiendo los mismos paso que para subir la carga:

)./.(1)./((

dpfdpfFU

(Bajar) As obtenemos:

)...(2)..(.'

pfdpdfdFM

Este es el momento que se necesita para vencer la parte de friccin al hacer descender la carga.

ROSCA ACME:

En caso de tener roscas ACME o de otro tipo, la carga normal queda inclinada con respecto al eje, debido al ngulo de la rosca 2 y al ngulo de avance . Puesto que los ngulos de avance son pequeos, esta inclinacin puede despreciarse (2 = 2) y considerar slo el ngulo de la rosca. El efecto del ngulo de la rosca es aumentar la fuerza de friccin debida a la cua de los hilos. Por lo tanto, los trminos en que interviene la friccin deben dividirse por cos .

Tornillo

12

Figura 7

Para el caso de levantar una carga se tiene:

)sec....(2)sec...(.

pfddfpdFM

Influencia del collarn

Cuando un tornillo se carga axialmente, debe emplearse un cojinete de empuje o de collarn entre los elementos estacionario y rotatorio, a fin de soportar la componente axial. La figura muestra un collarn de empuje usual, en el que se supone que la carga est concentrada en el dimetro medio del collarn dc. Si fc es el coeficiente de friccin, el momento adicional de rotacin requerido es: Mc = F.fc.dc/2

Figura 8

Tornillo

13

Autorretencin Partiendo del anlisis de carga descendente , en casos particulares donde el avance o paso es grande o la friccin es baja, puede suceder que el tornillo gire por s solo haciendo que la carga descienda, sin ningna aplicacin de momento externo. En este caso se dice que NO hay autoretencin en el tornillo. La autorretencin se obtiene cuando el momento de giro para bajar la carga es positivo, o sea cuando se debe aplicar el momento externo para que la carga baje. En este caso se dice que el tornillo es autoasegurante o irreversible, avanza si se lo gira, , o sea cuando U=F.tg (-)>0 , es decir: > o

5,0 Habamos visto que para filete rectangular el rendimiento estaba dado por:

)tg(tg

Esta ecuacin del rendimiento implica: - menor al aumentar - para = = mximo irreversible = 0,5 Graficando en funcin de tg , para un fijo, se tiene: Se estudia esta grfica para = f() pues siempre el rendimiento disminuye con y es independiente de . La grfica es donde se aprecia que la zona para tornillo transmisor de movimiento est asociada a rendimiento mayor de 48%. El valor de crece con , al principio muy rpidamente y luego cada vez con menor pendiente, hasta alcanzar un valor mximo para

24 .

80

%

48

38

1,2 tg

Zona tornillos transmisores de movimientoi i

Zona tornillos de fijacin

Lmite de autorretencin

Paso fino Paso grueso

Tornillo

14

Fuentes de peligro 1- Inseguridad acerca de las fuerzas exteriores que se aplican (reducir la tensin admisible adm ). 2- Apriete inadecuado, especialmente en los tornillos pequeos (se descabezan con facilidad), para

evitar esto se debe elegir un material de alta resistencia o reducir adm ; los tornillos grandes reciben, en general, poca tensin inicial. Especialmente si hay varios tornillos, el apriete desigual trae aparejado una desigual distribucin de la carga y el alabeo de las piezas. En tales casos, lo mejor es apretar los tornillos hasta el 69% del lmite elstico con llave torquimtrica o hasta un alargamiento del tornillo que se ha de prescribir ( comprobacin con micrmetro).

3- Apoyo unilateral, y con l, tensin adicional de flexin en el tornillo. 4- Prdida de la tensin inicial debida a dilatacin trmica o a deformacin plstica del tornillo, de los

apoyos o de las capas intermedias. 5- Trabajo de choque adicional al alternar la direccin de la fuerza, por ej. , a causa de holgura en el

asiento de tornillos de biela, para evitar esto se deben usar tornillos extensibles con tuercas de traccin.

0.1 D mn. 0.2 D muesca

La muesca de la tuerca mejora la distribucin de la carga sobre los filetes de la misma, por alcanzar una mayor deformacin sobre los primeros filetes. 6- Aflojamiento por vibracin (prever seguros). 7- Ataque qumico (elegir un material teniendo en cuenta el medio de trabajo). 8- Desgaste de la rosca en tornillos transmisores de movimiento 9- Puntos de rotura: los tornillos sometidos a cargas dinmicas se rompen segn se indica en la figura:

En (1) ocurre el 15% de todas las roturas. En (2) ocurre el 20% de todas las roturas. En (3) ocurre el 65% de todas las roturas. Los puntos (1) y (2) pueden evitarse o mejorarse con un mejor acuerdo en las transiciones. En el primer filete cargado (3) se debe procurar una mejor distribucin de tensiones. Aumento de la resistencia a la fatiga:

Tornillo

15

El objetivo fundamental es la eliminacin de los valores extremos de los esfuerzos mediante pasos suaves de una seccin a otra, y, de ser posible, mediante la creacin de esfuerzos previos de compresin en la zona de los bordes por compactacin de esta zona. Para ello la compactacin superficial a dado buenos resultados, esta consiste en una deformacin plstica de la superficie mediante laminado con rodillos de presin estrechos y redondeados. Efectos semejantes se obtienen por medio de chorro de granalla de acero y por endurecimiento local (cementacin o nitruracin). El redondeo de los flancos reduce la disminucin de resistencia a la fatiga ocasionada por el efecto de entalla y por la terminacin superficial spera o daada. La explicacin al escaso aumento de la resistencia a la fatiga con el aumento de la resistencia a la rotura esttica es la siguiente: a la perjudicial concentracin de esfuerzos en la base (raz) de la rosca, consecuencia del efecto de entalla, se suma adems la concentracin de tensin debida a la concentracin de la transmisin de fuerza sobre el primer filete. Lo podemos imaginar as: el tornillo y su rosca se alargan a causa de la carga longitudinal, pero la tuerca y su rosca se comprimen, de modo que el paso de ambos ya no coinciden. Para disminuir el efecto de estas condiciones adversas se debe procurar una mejor distribucin de carga sobre varios filetes, mediante el empleo de una tuerca tambin sometida a traccin, o de una tuerca con filetes elsticos (rosca Salt), o eligiendo un material ms blando para la tuerca. Por otro lado se debe reducir el efecto de entalla, reforzando la base de la rosca por temple o endurecimiento superficial y, sobre todo, por redondeo de los filetes.

Tornillo como elemento de unin: Pretensado con Pi y cargado longitudinalmente

Debido al ajuste del montaje de la unin roscada se comunica a los elementos constituyentes una cierta solicitacin de pretensado, pues tanto el tornillo como los elementos a unir reaccionan elsticamente. Se define como tensin inicial Pi a la tensin o carga inducida por la presin de apriete, que con las herramientas comunes, depende del operador, de la longitud de la herramienta, y de la condicin del tornillo y tuerca. Tomemos como ejemplo la siguiente unin para aclarar la relacin de fuerzas - deformaciones mediante el grfico de tensiones. Si el ajuste se realiza levemente a mano no habr tensin ni deformacin, pero si lo sometemos al apriete por medio de una herramienta adecuada, aparecer un esfuerzo de pretensado Pi que alarga el tornillo y comprime las partes unidas a presin por el mismo. Habr por tanto, una dilatacin del tornillo i por traccin y una contraccin c de las partes unidas.

(*)

Pe

Pe

Pe

Pe

Tornillo

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Los diagramas carga - deformacin sern: Alargamiento de los tornillos (a) Acortamiento de las partes unidas (b)

(c) Sealamos en (a) y en (b) el punto A a la altura de la tensin inicial Pi y unimos ambos diagramas hasta hacer coincidir los puntos A en (c). Por lo general las partes unidas son ms rgidas que el tornillo, por lo tanto >. Durante el apriete la carga sobre el tornillo y sobre las partes a unir es la misma y vale Pi, que es la carga inicial de apriete. Supongamos ahora que se aplica la carga de trabajo externa Pe (aplicada en las superficies externas), esta provoca una dilatacin extra en el tornillo y la deformacin de las partes unidas decrece en el mismo valor .

carga

Pi

carga

Pi

ii c c

A A

i c

P

Pi A

Tornillo

17

i c

P

Pi A Pt

P

Pe

Po

C G

Fig 15

La carga sobre el tornillo se incrementa en un valor P mientras que la carga sobre las partes unidas disminuye un valor mayor (si estas son ms rgidas que el tornillo, como se muestra en la figura). Para deformaciones elsticas, la dilatacin del tornillo contina a lo largo de la lnea OM y la contraccin de las partes unidas decrece a lo largo de AC. El tornillo estar en el punto M cuando la dilatacin de las partes unidas se hace cero en C. En este punto, la dilatacin total del tornillo est representada por la distancia OC, y la carga total sobre el tornillo es CM=Po, carga lmite para la cual el preajuste no sirve y la junta perdi estanqueidad (Pi=0). Puesto que los tringulos OGA y OCM son semejantes:

i

ci

iPP

0

Una unin atornillada puede considerarse como un resorte y su deformacin en funcin de la constante elstica es:

b

ii k

P para el tornillo

c

ic k

P para las partes unidas

Luego:

c

cbi k

kkPP .0

En estas expresiones, Po es la carga exterior que tendra la unin en el punto en que perdi estanqueidad cuando el tornillo ha sido apretado un valor Pi, o si Po es una carga mxima exterior dada, Pi es la carga mnima de pretensado que debe utilizarse.

M

B

H

D

O

Tornillo

18

cbc

i kkk

PP .0

Prcticamente, Po debe ser 1,2 a 2 veces ms grande que Pe, que es la carga exterior actuante. Haciendo entonces Po=c.Pe, se tiene: (donde C es una cte que est entre 1.2 y 2)

cbc

ei kkkPcP .. 22,1 c

Dependiendo de los valores kb y kc el valor de Pi puede ser ms pequeo o ms grande que la carga actuante Pe. Si la rigidez de las partes unidas es mucho mayor que la del tornillo, el trmino entre parntesis tiende a uno, y Pi mnima tiende a c.Pe. A medida que la rigidez el tornillo kb aumenta con respecto a kc , el trmino entre parntesis se hace cada vez menor y Pi mn. se hace muy pequea. Generalmente el tornillo es menos rgido que las uniones atornilladas. Vamos a determinar ahora el valor de P, que es una carga suplementaria al pretensado que ve el tornillo y es un valor importante ya que da la amplitud de la carga dinmica, y es responsable de que, durante el trabajo, se exceda la carga de pretensado del tornillo (que es el menos rgido). Segn la figura 15, al aplicar la carga exterior obtenamos la carga total Pt sobre el tornillo, indicada por el punto B. El incremento de carga del tornillo por encima de Pi es P. Ntese que todas las partes son elsticas y cualquier carga exterior incrementa la carga sobre el tornillo y descarga las partes unidas. Ahora:

c

e

b kPP

kP

c

be k

kPPP ).(

c

b

c

b

kk

Pekk

P .1.

c

b

c

cb

kk

Pek

kkP ..

Tornillo

19

bcb

kkkPeP .

Entonces la carga total sobre el tornillo es:

cbb

iit kkkPePPPP .

Si la rigidez de las partes a unir (kc) no puede determinarse con cierta exactitud es aconsejable , como criterio conservativo, usar el trmino entre parntesis igual a la unidad (es equivalente a decir que toda la carga va sobre el tornillo), o sea:

eit PPP Si

bcb

kkk tiende a 1

Cuando la carga Pe vara, tambin lo har Pt de acuerdo a la ecuacin anterior. Analizando dicha ecuacin vemos que si kb es muy grande con respecto a kc , la carga Pt tiende a (Pi+Pe). Si al contrario kb

Tornillo

20

Al cesar la carga de trabajo Pe se obtiene otra vez el estado inicial, con Pi como carga comn para el tornillo y las partes unidas. Junta sometida a carga variable En el grfico de carga - deformacin se pone de manifiesto que al variar la carga de trabajo desde cero hasta Pe (rea rayada en (B)) el esfuerzo de los tornillos vara slo en P=Pmx-Pi cuando la unin est pretensada con Pi. Si en cambio falta la carga inicial, resulta entonces un P considerablemente mayor (A), que es igual a Pe. Adems el grfico (B) muestra en contraposicin al (C) que con menor relacin i/c, es decir con tornillos poco elsticos o con juntas muy elsticas resulta un P mayor. De la variacin de P depende el peligro de rotura por fatiga de los tornillos. Una tensin inicial (Pi) suficiente y una gran relacin i/c, son por tanto, una buena proteccin contra rotura por fatiga.

Determinacin de las constantes elsticas La relacin i/c o kb/kc vara segn la deformacin elstica del tornillo y partes unidas, aproximadamente entre 1 y 16 y lo mejor es determinarla experimentalmente. En el caso simplificado donde el cuerpo (tornillo) que es sometido a traccin mantenga constante la seccin eficaz Ab, la longitud eficaz lb y el mdulo de elasticidad Eb y del mismo modo el cuerpo comprimido las constantes Ac, lc y Ec, se tiene:

b

bbb l

EAk

. para el tornillo

(A

(B(C)

Tornillo

21

c

ccc l

EAk

. para las partes unidas Si las partes unidas estn compuestas por dos o ms tipos de material (por ejemplo: una junta de cobre entre chapas de acero), la constante elstica del conjunto es :

....1111

321

kkkkc

Donde k1, k2 y k3 son las constantes elsticas de cada componente.

Tornillo

22

Clasificacin de tornillos Los tornillos pueden encontrarse bajo diferentes nomenclaturas: AN: Army Navy NAS: National Aerospace Standard (estos tornillos son estructurales) MS: Military Standard seguidas por un nmero de parte (500,510,..) que deben buscarse en catlogo para ser identificados, letras y dgitos indican la composicin del material, longitud y espesor. Por ejemplo: AN501B-416-7 AN: Air Force-Navy standard 501: fillister-head, rosca fina B: brass (bronce) 416: dimetro 4/16 pulgadas 7: largo 7/16 pulgadas La letra D en lugar de la B indica que el material es aluminio 2017, la letra C designara acero inoxidable. Una A antes de la letra que indica el material seala que la cabeza est perforada para utilizar cable de seguridad. Un ejemplo para los NAS: NAS144-DH-22 NAS: National Aircraft Standard 144: estilo de cabeza, dimetro y rosca (1/4-28), torque interno (cabeza tipo Allen) DH: drilled head (cabeza perforada) 22: longitud del tornillo en 16avos de pulgada Los tornillos pueden dividirse en tres grupos bsicos: tornillos estructurales, de mquina y autoroscantes. Tornillos estructurales: son usados para aplicaciones estructurales similares a las de los bulones estructurales y los remaches. Son construidos con materiales de gran resistencia a la traccin y son distinguidos de los bulones nicamente por la forma de su cabeza. Entre ellos se encuentran los NAS 502, NAS 503, AN 509, NAS 220 a NAS 227 y NAS 583 a NAS 590. Tornillos de mquina: estn disponibles en cuatro tipos bsicos de cabeza: - Flat head (cabeza plana): usados en hollos embutidos cuando se desea una superficie lisa.

AN 505, AN 510, AN 507, NAS 200, NAS 514, NAS 517 y NAS 662. - Rounded head (cabeza redonda): son para propsitos generales en aplicaciones no

estructurales. AN 515 y AN 520. - Fillister (cabeza cilndrica): son de propsito general y usados como seguros en aplicaciones

mecnicas ligeras, usualmente son perforados para utilizar cable de seguridad. AN 500 a AN 503, AN 116901 a AN 116924, AN 116962 a AN 116990, AN 117002 a AN 117030 y AN 117042 a AN 117070.

Tornillo

23

- Socket head (cabeza de enchufe): estn diseados para introducirse dentro de agujeros taladrados bajo nivel de superficie. Tienen cabeza hexagonal y son usados cuando se requiere gran resistencia, ensambles compactos o superficies limpias.

Tornillos autoroscantes: estos tornillos generan su propia rosca de acoplamiento cuando se introducen en agujeros ligeramente ms chicos que su dimetro. Los tornillos autoroscantes de mquina (AN 504 y AN 530) son usados para agregar partes menores no estructurales. Los tornillos autoroscantes para chapa son utilizados en aplicaciones ciegas para la presentacin temporaria de chapas previa al remachado o para el ensamble definitivo de chapas no estructurales. PRECAUCION: ESTOS TORNILLOS NUNCA DEBEN SER USADOS COMO REEMPLAZO DE TORNILLOS ESTNDAR, TUERCAS, BULONES O REMACHES EN CUALQUIER ESTRUCTURA AERONAUTICA. Especificaciones para el diseo pueden encontrarse en la norma MIL-HDBK-5 o en la USAF-NAVY T.O.1-1A-8/NAVAIR 01-1A-8, structural hardware.

Clasificacin de bulones Cada buln est echo para una aplicacin particular, y esto es de particular importancia a la hora de remplazarlos. Se pueden encontrar especificaciones de diseo en la MIL-HDBK-5 o en la USAF-NAVY T.O.1-1A-8/NAVAIR 01-1A-8, structural hardware. Identificacin: Los bulones aeronuticos pueden identificarse por el cdigo marcado en la cabeza. Este generalmente denota el material, si es un buln AN standard o si est construido para un propsito especial, y en algunos casos indica el fabricante. Bulones de acero AN standard: son marcados con un guin alto o asterisco, los que son de acero resistente a la corrosin son marcados con un solo guin alto y los que son de aleaciones de aluminio (AN) son marcados con dos guiones altos. Bulones para propsitos especiales: son normalmente inspeccionados por mtodos de partculas magnticas. Las marcas tpicas incluyen SPEC (usualmente tratamientos de alta temperatura para aumentar resistencia y durabilidad), y estampado en la cabeza un nmero de parte de una empresa de manufactura aeronutica. Los bulones sin marcas son de baja resistencia, los de tolerancia cerrada NAS son marcados con un tringulo elevado o apartado del resto. Las marcas del material para los NAS son las mismas que para los AN excepto por su ubicacin. Los bulones que requieren inspeccin por partculas magnticas son identificados por medio de un barniz de color o marcas en la cabeza de un tipo distintivo. Informacin adicional puede obtenerse por medio del nmero de parte

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Estas son marcas tpicas que pueden encontrarse en la cabeza de un buln:

En aplicaciones aeronuticas podemos encontrar diversos tipos de bulones, como ser: Bulones aeronuticos estndar de cabeza hexagonal: comprenden desde los AN3 a los AN20. Son estructurales y son usados en aplicaciones generales con cargas de traccin o corte. Los bulones de acero ms pequeos que el No. 10-32 y los de aluminio con menos de 1/4 de pulgada de dimetro, no deben ser usados en estructuras primarias. No se deben usar bulones de aluminio en aplicaciones que requieran remociones o inspecciones frecuentes. Bulones de cabeza hexagonal perforada: comprenden desde los AN73 a los AN81. Son similares a los standard pero la cabeza es ms alta para recibir cable de seguridad. Pueden ser reemplazados los de rosca fina por los MS20073 y los de rosca gruesa por los MS20074. Bulones de mquina hay una gran variedad de ellos que abarcan desde los AN101001 hasta los AN108200 con diferencias entre ellos que pueden verse en los catlogos. Son similares a los anteriores excepto por tener la cabeza y la espiga perforadas, adems algunas series son resistentes a la corrosin

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Bulones de tolerancia cerrada: son usados en aplicaciones en donde la unin est sujeta a severas cargas reversibles y vibracin. A causa de la interferencia del ajuste, deben ser introducidos con la ayuda de pequeos golpes. Entre ellos se encuentran los AN173 a AN186, NAS333 a NAS340, NAS653 a NAS658, NAS663 a NAS668 y los NAS673 a NAS678, cuyas caractersticas se encuentran en catlogo. Bulones de torque interno: desde los NAS 144 hasta 158 y NAS 172 hasta176 son bulones de alta resistencia usados principalmente en aplicaciones de traccin. Utilizan una arandela con un tratamiento trmico especial (NAS143C) bajo la cabeza, para prevenir el contacto entre el filo del agujero y la base de la cabeza, tambin se coloca una arandela de tratamiento trmico especial antes de la tuerca. Son intercambiables con los MS20004 a MS20024, en la misma configuracin de rosca y largo de la espiga no roscada. Bulones de torque externo de 12 puntos: abarcan desde los NAS624 a los NAS644. Estos bulones son usados en aplicaciones de alta traccin y en aplicaciones de alta solicitacin a la fatiga. Los MS 9033 hasta los MS9039 son bulones de maquina resistentes al calor, los MS9088 a los MS9084 son similares a los anteriores pero tienen la cabeza perforada, son similares a los NAS pero estn fabricados de diferentes aleaciones de acero, y sus espigadas tienen grandes tolerancias. Bulones de tolerancia cerrada de trabajo al corte: los NAS464 estn diseados para aplicaciones donde las tensiones son nicamente de corte. Estos bulones tienen una rosca ms corta que los bulones diseados para traccin. Los serie NAS6200 estn disponibles en dos diferentes dimetros superiores a la medida del agujero, para solucionar problemas en agujeros agrandados. Pueden pedirse con una X o Y despus de la longitud, para designar la sobremedida de la porcin de espiga del tornillo. Bulones clevis: AN21 hasta AN36. Estos bulones son solamente utilizados en aplicaciones sujetas a tensiones de corte, y frecuentemente se utilizan como pins mecnicos en sistemas de control. Bulones de ojo:AN42 a AN49. Estos bulones son usados cuando se aplican cargas de traccin externas. La cabeza de estos bulones estn diseados para alojar distintos dispositivos, por ejemplo: guardacabos.

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En la siguiente tabla se encuentran los valores recomendados de torque en libras por pulgada para diferentes bulones:

Clasificacin de tuercas Las tuercas aeronuticas estn disponibles en una variedad de formas, medidas y materiales. Los tipos de tuercas usados en estructuras aeronuticas incluyen tuercas castillo, tuercas cortadas, tuercas planas, tuercas mariposa, etc. Las tuercas aeronuticas pueden clasificarse en dos grandes grupos generales: tuercas autofrenantes y tuercas no autofrenantes. Las no autofrenantes deben asegurarse por algn medio externo, como chavetas y alambre de seguridad. Las autofrenantes contienen al seguro como una parte integral de la tuerca. Son fabricadas con acero al carbono cadmiado, aluminio 2024 anodizado y acero inoxidable. Tuercas autofrenantes: existen dos tipos de ellas, las que son totalmente metlicas y las de fibra o nylon. Se debe tener cuidado con su uso, no deben colocarse en elementos sometidos a rotacin ni turbinas, ni deben colocarse en partes que se deban desmontar con frecuencia.

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Metlicas: el inserto metlico puede estar roscado en el interior y exterior, o puede tener un corte donde encaja la parte de arrastre. El inserto es cnico en su parte externa y al apretar la tuerca se ajusta contra ella, dependiendo el seguro de la resiliencia de los dos metales. Son utilizadas en aplicaciones de alta temperatura. Collar de fibra o nylon: son construidas con un inserto no roscado asegurado en un lugar fijo. El inserto de fibra o nylon provee la accin de frenado porque este tiene un dimetro ms pequeo que la tuerca. Este tipo de tuercas no debe ser instalado en lugares en donde la temperatura no sobrepase los 250F. Placa autofrenante: son producidas en una gran variedad de formas y materiales, preparadas para soldar o remachar en partes del avin donde no se tenga acceso. Tuercas no autofrenantes: entre ellas se encuentran las tuercas castillo, castillo cortadas, mariposas y otras. Se utilizan con tornillos hexagonales de espiga perforada, bulones clevis y otros que estn sujetos a cargas de traccin. Sus formas estn adecuadas para recibir chavetas o alambre de seguridad. Un desarrollo ms amplio sobre los distintos tipos de tuercas, identificacin y cdigos se puede consultar el "Airframe and powerplant mechanics General Handbook", editado por la FAA.

Mtodos de seguridad Se deben colocar elementos de seguridad para evitar que las tuercas tornillo y bulones trabajen por efecto de la vibracin. Los mtodos ms usados para asegurar partes de aeronaves son: cable de seguridad, chavetas, arandelas frenantes y tuercas especiales. Alambre de seguridad: es el mtodo ms positivo y satisfactorio para asegurar cabezas de tornillo, tuercas y extremos de cables, los cuales no pueden ser asegurados por algn otro mtodo prctico. En este mtodo se produce la unin de dos o ms unidades de tal manera que la tendencia de una a perderse es contrarrestada por la tensin del cable. Distintos mtodos son expuestos en la siguiente figura.

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Chavetas: se usan con tuercas castillo, la chaveta debe entrar en el agujero con muy poco juego. Las siguientes son las reglas generales a aplicar para utilizar este medio de seguridad: - La prolongacin doblada ms all del fin del buln no se debe extender ms all que un

dimetro del mismo. - La prolongacin doblada hacia abajo no debe descansar sobre la arandela. - Si se utiliza el mtodo opcional mostrado en la siguiente figura, las prolongaciones no se

deben extender fuera del radio de la tuerca. - Todas las prolongaciones deben doblarse con un radio razonable.

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En las siguientes tablas se ven caractersticas de las roscas normalizadas y de las roscas con perfil mtrico DIN 13

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