INTRODUCCION

PGINA 62Mecanismos

Unidad N( 5

Introduccion

Generacin de roscas. Tipos fundamentales

Consideremos una hlice sobre la superficie de un cilindro. La hlice queda caracterizada por:

El paso de la helice p, que es la distancia medida sobre una generatriz del cilindro, entre dos puntos sucesivos de la hlice.

La espira de la hlice, que es la trayectoria del punto generador alrededor de la superficie cilndrica correspondiente a un paso p.

El ngulo de inclinacin de la hlice (, que es para cualquier punto de la hlice el ngulo formado entre la tangente a la misma y la tangente a la seccin normal del cilindro.

Ilustracin 1La hlice puede representarse de un modo sencillo, arrollando sobre el cilindro un tringulo rectngulo de base igual a (( . d), longitud de la circunferencia de la base del cilindro y altura igual al paso de la hlice. De esta manera, la hipotenusa ser la espira desarrollada de la hlice y el ngulo ( el ngulo de inclinacin de la hlice.

Ilustracin 2Segn el sentido en que se verifique el arrollamiento resultar una hlice a la derecha o a la izquierda.

Si sobre la hlice se apoya una lnea recta o curva de manera que conserve constantemente su posicin relativa respecto del eje del cilindro, se generar una superficie que recibe el nombre de superficie helicoidal.

Ilustracin 3Si un punto de una superficie cualquiera tiene por trayectoria la hlice, manteniendo la superficie la misma posicin relativa, se generar un cuerpo de forma helicoidal que generalmente es llamado rosca o filete de tornillo, y la hlice su directriz.

Si la superficie es un tringulo, el filete se denomina triangular; si es un rectngulo, rectangular; etc. Por igual razn que la hlice, la rosca puede ser derecha o izquierda.

Una imagen prctica muy representativa de una rosca se puede obtener arrollando un hilo, soga o cable alrededor de un cilindro. Este arrollamiento puede efectuarse de manera que las sucesivas espiras sean tangentes o no, variando en consecuencia el paso.

Tambin pueden arrollarse simultneamente dos o mas hilos. Se obtienen as roscas de mas de un filete. En este caso, se establece una diferencia entre el paso de la hlice y el paso entre filetes.

Paso de la hlice = m . paso entre filetes

Siendo m la cantidad de filetes arrollados simultneamente (m ser siempre un nmero entero). Segn la cantidad de filetes que posea, se dice que el tornillo es de 1, 2, 3, ... n entradas.

Ilustracin 4Clasificacin de tornillos. Tornillos de unin y de movimiento.

La aplicacin de tornillos en las construcciones mecnicas es tan amplia y difundida que los hacen uno de los elementos de mquina de mayor uso. Segn la funcin a que se destinen los tornillos pueden clasificarse en dos grandes grupos:

1- Tornillos de unin.

2- Tornillos de movimiento y de presin.

Los tornillos de unin, tienen por objeto la fijacin de dos o mas cuerpos con la caracterstica primordial de ser posible su montaje y desmontaje con facilidad. Los tornillos de movimiento, estn destinados, como su nombre lo indica, a la transmisin del movimiento. Los tornillos de presion, permiten la multiplicacin de fuerzas, como ocurre en las prensas de tornillo.

La resistencia de la rosca de filete triangular es, por su forma, casi dos veces mayor que la cuadrada (mayor seccin en la unin con el ncleo). En cambio, los efectos del rozamiento son mucho mas pronunciados en la triangular que en la cuadrada, porque el efecto de cua de la rosca triangular aumenta la friccin. Por esta razn el filete triangular se emplea en tornillos de fijacin y el filete cuadrado en los tornillos de movimiento y de presin.

Los filetes trapeciales se emplean en aquellos casos especiales de grandes presiones y/o movimientos con grandes cargas. De esta manera se aprovechan las caractersticas de baja friccin y de gran resistencia.

Tornillos de unin

Los tornillos de filete triangular de una sola entrada y hlice derecha son los tornillos de unin de uso mas difundido. Segn las distintas aplicaciones reciben los siguientes nombres:

Tornillo:Reciben este nombre genrico aquellos elementos de unin constituidos por una cabeza y un vstago roscado total o parcialmente.

Tuerca:Es el elemento con roscado interno.

Buln:Es el conjunto de tornillo y tuerca. Sirven para unir piezas con agujeros lisos pasantes.

Prisionero:Compuesto de tornillo solo. Sirven para unir piezas de las cuales una de ellas debe tener agujero roscado.

Esprragos:Son vstagos sin cabezas roscados en ambos extremos.

Cada uno de estos tipos enumerados toman distintas formas y proporciones de acuerdo a las necesidades de su aplicacin.

Ilustracin 5Roscas Normalizadas

Las roscas para tornillos de fijacin son en general roscas triangulares que quedan caracterizadas por los siguientes elementos:

de :

dimetro exterior, dimetro mayor o dimetro nominal.

di :

dimetro interior, dimetro de raz o dimetro en el ncleo.

dm :

dimetro medio,

p :paso de la rosca, distancia axial de dos puntos homlogos de dos filetes consecutivos.

ph :paso de la hlice o avance, es la distancia axial que avanza el filete en una vuela completa.

( :

ngulo del filete.

h :

altura total del filete.

Ae; Ai; Am:

superficie de las secciones correspondientes.

Ilustracin 6Para la rosca mtrica toman los siguientes valores:

Ilustracin 7

No todas las roscas son iguales. Existen distintos tipos con marcadas diferencias. Estas diferencias se han producido a travs del tiempo como fruto de la experiencia y solucin a los problemas para obtener mejores resultados en las distintas aplicaciones. Las normas de cada pas acentan las diferencias por el sistema de medidas empleado o por detalles constructivos como por ejemplo el acabado de los vrtices de los filetes, problema muy importante por tener decisiva influencia en las propiedades referentes a concentracin de tensiones y facilidades tecnolgicas para las herramientas que generan la rosca. Adems en cada norma se especifican roscas especiales como roscas bastas, finas, para tubos, etc.

Por ejemplo; las primeras roscas triangulares con vrtices agudos no eran muy convenientes por los efectos acentuados de concentracin de tensiones en la raz. Por esa razn en 1864 Sellers propuso la forma indicada en la figura, con la cresta y fondo plano, que alivia el efecto de concentracin de tensiones. Esta rosca estuvo normalizada en USA durante muchos aos.

La rosca WHITWORTH (1841), normalizada en Inglaterra con fondo y cresta redondeados, responde mejor frente a la concentracin de tensiones. Actualmente, en USA la rosca normalizada corriente, esta de acuerdo a la norma Unificada Internacional. Esta norma asigna al ngulo del filete el valor de 60( al igual que la antigua rosca americana, y las crestas y races redondeadas la semejan a la WIHTWORTH.

Ilustracin 8

Especificaciones de materiales para tornillos y bulones

GradoDIAMETRO NOMINAL PulgadasRESISTENCIADureza

BHNOBSERVACIONES

SAEASTMDIN

De prueba SpA traccin (R

Kips/pulg2Kg/mm2Kips/pulg2Kg/mm2

S/ marca1A 3074.6 a 1 3323.25538.67207Aceros de bajo carbono

SAE 1015

S/ marca2

5.6 a

mas de a

mas de a 155

52

2838.67

36.56

19.6869

64

5548.51

45.0

38.67241

241

207Acero de bajo C.

Estampado en fro.

3

6.8 a

a 5/885

8059.76

56.25110

10077.34

70.31269

269Mediano Carbono

5A 4498.8 a

a 1

1 a 1 85

78

7459.76

54.84

52.03120

115

10584.37

80.85

73.82302

302

285Mediano Carbono con tratamiento trmico

SAE 1045

6

7

a 1 10573.8213393.51321Aleado con mediano C con tratamiento trmico.

8A 35410.9 a 1 12084.37150105.46352Aleado con mediano C.

SAE 4140

Precarga. Influencia de las juntas elasticas

En la mayora de las aplicaciones, los tornillos se colocan ajustados de tal manera que aparece una precarga inicial que es necesario considerar.

Sea un buln como el indicado en la figura, y sean:

Ilustracin 9Fi: precarga de traccin inicial o de apriete.

P : carga de traccin externa.

Q : carga cortante externa.

El efecto de la precarga es hacer trabajar los elementos a unir a la compresin. De esta manera se obtiene un mejor comportamiento a la carga de traccin externa, hay menores posibilidades de aflojamiento de la tuerca y se origina friccin entre los elementos para absorber la carga cortante.

En un primer anlisis no se considerar la carga cortante Q.

La deformacin de una barra en traccin o compresin simple es:

y la constante de rigidez:

frmula que aplicada al calculo de la rigidez de un buln

en la cual:

Ae: rea de la seccin transversal de dimetro nominal de, porque el efecto de la rosca se desprecia.

E : modulo de elasticidad longitudinal del material.

L : espesor total de los elementos que han de unirse.

kb: constante elstica del buln.

Las piezas a unir, indudablemente siempre sern dos o mas, y se comportaran como elementos elsticos en serie.

En consecuencia, la rigidez total podr calcularse:

siendo:

ke : la rigidez total de los elementos a unir.

kl; k2;...kn : la rigidez de cada uno de los elementos a unir.

La representacin grfica de las deformaciones del buln (b (traccin) y elementos (e (compresin) supuestos dentro del periodo elstico bajo la carga Fi, sern rectas al origen con pendientes definidas por kb y ke respectivamente (F= kb (b; F = ke (e).

Ilustracin 10Si estas representaciones se disponen una a continuacin de la otra a partir del valor de apriete inicial Fi se tiene el llamado diagrama de precarga.

Ilustracin 11llamaremos:

Pb:porcin de P absorbida por el buln.

Pe:porcin de P absorbida por los elementos a unir.

Fb:carga resultante sobre el buln.

Fe:carga resultante sobre los elementos.

Al aplicar la carga P, se puede plantear:

Si los elementos unidos no se han separado; en todo momento las variaciones de longitud son iguales:

y como P = Pb + Pe

La carga resultante sobre los elementos:

y la compresin resultante sobre los elementos:

estas ecuaciones son vlidas en tanto se mantenga algo de la compresin inicial en las piezas. Si la fuerza externa es suficiente para eliminar esta compresin por completo (P=Po) los elementos de la unin se separarn y el buln soportara la carga total.

Ilustracin 12La representacin grfica ilustra el fenmeno.

Las rectas de pendiente kb y ke indican las deformaciones de buln y elementos unidos.

Supongamos se ha precargado hasta el punto A con una fuerza de apriete Fi. Se tendrn deformaciones iniciales (b y (e para buln y elementos respectivamente.

Una fuerza externa cualquiera P llevar el funcionamiento a D y C con un aumento ((b de la deformacin del perno y una reduccin igual ((e de los elementos. La carga sobre el perno aumenta a Fb y la carga sobre los elementos se reduce a Fe. El buln absorbe la parte Pb de la carga externa aplicada.

Los elementos estarn a punto de separarse cuando la deformacin de los elementos unidos llegue a anularse en B, a causa de que si se alarga an mas el perno, las partes no pueden seguir expandindose para que se mantenga el contacto.

El punto B define el alargamiento total del perno OB y la carga total aplicada P0 = BE ser la carga externa que produce la apertura. Los elementos dejan de estar unidos.

El valor relativo de las rigideces de buln y el conjunto de elementos condiciona el comportamiento de la unin.

El cociente entre las constantes de rigidez se lo denomina relacin de deformacin.

en consecuencia:

Para reducir la carga total sobre el buln, se debe reducir (1/1+().P. En consecuencia, debe ser grande la relacin de deformacin (. Para aumentar ( debe ser ke grande y/o kb pequeo.

En el diagrama de precarga estas situaciones modifican las pendientes.

Por ejemplo: supongamos kb = 1 (( = 45()

Con elementos a unir muy rgidos (ke grande) se altera muy poco la tensin inicial.Con elementos a unir con junta (ke pequeo) resulta mayor carga total sobre el buln. Las juntas elsticas no convienen.

Ilustracin 13

Ilustracin 14Y ahora supongamos ke = 1 (( = 45()

Con bulones muy rgidos cortos y gran dimetro (kb grande)Con Kb pequeo se altera muy poco la tensin inicial. Convienen entonces bulones elsticos (de poco dimetro y largos).

Ilustracin 15

Ilustracin 16Calculo de uniones atornilladas bajo solicitaciones estaticas

Consideraciones generales

El uso tan difundido y variado de los tornillos trae como consecuencia que pueden estar solicitados a cualquier tipo de esfuerzo simple y combinado. Por lo tanto, el estado de tensiones y sus puntos crticos deber analizarse en cada aplicacin.

Una de las caractersticas primordiales que debe tenerse encuesta en los tornillos, es la existencia muy marcada de concentracin de tensiones. Resultados estadsticos de ensayos realizados por Peterson, indican que las fallas tpicas en bulones sealan tres secciones peligrosas:

1- La unin del vstago a la cabeza (15% de fallas)

2- El comienzo de la rosca (20 % de fallas)

3- El filete al ras de la tuerza (65% de fallas)

Todas estas fallas tpicas, se producen por efecto de concentracin de tensiones. Nos encontramos frente al problema de cmo reducir dichos efectos, lo cual se realiza como se pasa a explicar:

En el primer caso, se aumenta el radio del acuerdo de la unin del vstago y cabeza.

Al comienzo de la parte roscada, donde por efecto de la concentracin de tensiones se producen el 20% de las fallas, es conveniente construir una salida de rosca, como se muestra en la figura.

Ilustracin 17Al ras de la tuerca, donde se produce el 65% de las fallas, se concentra la carga total como se indica en el dibujo.

Para tratar de repartir estas tensiones mas uniformemente, se acostumbra hacer la tuerca de un material mas blando que el del tornillo, de modo que el primer filete de la tuerca exceda el limite de fluencia y se deforme plsticamente, mejorando as la distribucin de las cargas.

Otra solucin consiste en construir la tuerca de forma adecuada para que tenga cierta elasticidad y de esta manera, se mejora la distribucin de cargas por deformacin elstica.

Ilustracin 18Clculo de las constantes elsticas

Para la determinacin de la constante elstica, se aplica k = A . E/L.

En el caso del tornillo su aplicacin es inmediata usndose la seccin Ae = ( . de 2/4.

En el caso de los elementos, si bien su aplicacin es anloga, se presenta el problema de la indefinicin de la zona de influencia a la deformacin de las chapas, y en consecuencia en muchos casos se desconoce la seccin a considerar.

Algunos autores, aceptan la hiptesis de considerar un cono truncado imaginario de generatriz a 45(, base menor de dimetro igual a la entrecara de la cabeza hexagonal y base mayor determinada por la interseccin con el cono opuesto como se indica en el esquema. Otra hiptesis es considerar conos de 30(.

Ilustracin 19Una tercera hiptesis mucho mas simple, es considerar un cilindro hueco de dimetro interior igual al dimetro de del vstago y dimetro exterior igual a 3 . de, en consecuencia las secciones consideradas para el calculo de las constantes elsticas del buln y elementos sern respectivamente:

Otros autores, en una cuarta hiptesis, consideran:

Ilustracin 20en la cual:

; entrecara de la cabeza hexagonal mas L/2.

L = espesor total a unir.

Si las piezas a unir son de distintos materiales, la constante elstica del conjunto ser, como ya se ha dicho:

siendo cada:

La existencia de junta elstica, es determinante para el valor de ke. Si se puede prescindir de la junta, es mejor, si no es conveniente el uso de juntas de poco espesor. Sin embargo, debe ser lo suficientemente gruesa como para permitir el escurrimiento del material de la junta dentro de las rugosidades de las superficies de los elementos y poder compensar la posible falta de paralelismo. La magnitud de la presin necesaria para un correcto comportamiento de la junta elstica, recibe el nombre de presin de junta o brida. Esta depende del material, y en general esta dada por el fabricante de la misma.

El mdulo de elasticidad de los materiales no metlicos no es contante, pero si se desea hacer el clculo de las constantes elsticas puede usarse:

MaterialMdulo de Elasticidad

E (Kg/cm2)Presin de junta Kg/cm2

Caucho

Corcho y Caucho

Amianto con blindaje de Cu527

1.335

1.406190

105

232

3)Tensin de prueba SpLa tensin de prueba es un valor utilizado o tomado como referencia para el clculo de los tornillos. Su valor depende del material y del tratamiento trmico. Conviene aceptar los valores recomendados en las tablas. Las normas S.A.E. especifican para la tensin de prueba

Sp = 0,96 ( f

4) Tensin y fuerza inicial de apriete o precarga.

En el diseo de estructuras, la tendencia es apretar el buln hasta la fluencia o ms:

(i ( (F.

Con materiales de alta resistencia (que no tienen un punto definido de fluencia) las experiencias demuestran que despus de apretar el tornillo hasta un punto inmediato superior a la fluencia, la pequea deformacin plstica en servicio reduce la tensin de apriete a un valor ptimo.

En diseo de mquinas se tiende a una tensin inicial algo menor que Sp o (F:

(i ( 0,75 a 0,090 Sp

= 0,70 a 0,86 (F

valores que se consideran satisfactorios cuando no se coloca junta elstica.

Cuando es necesario colocar una junta elstica, se utilizan valores (i mas bajos llegando, para el caso de juntas de corcho a:

(i = 0,60 (f

en este caso tambin debe ser considerada la presin necesaria sobre la junta para que trabaje apropiadamente en relacin a la hermeticidad que debe proveer.

El valor de esa presin (presin de junta) generalmente es recomendada por el fabricante de la junta.

Si se conoce la seccin Am del buln, es inmediato que:

Fi = (i . Am.

Cuando se esta dimensionando el buln necesario, Am no se conoce, entonces se procede en forma distinta.

Del anlisis de la precarga de bulones puede apreciarse que, para una carga externa P0 los elementos se descargan totalmente de la compresin que los solicita. Esta carga de descompresin P0 es siempre mayor que la carga de trabajo P, de tal manera que

P0 = C0 P

con C0 factor de descompresin con valores entre 1,5 y 2.

Como primera aproximacin, para determinar el tamao del buln, del diagrama de precarga, considerando los tringulos OEB y OAG se puede establecer:

Ilustracin 21con factor o relacin de precarga.

De esta manera, fijando el factor de precarga Ci es decir fijando el exceso de precarga inicial respecto de la carga externa, que siempre ha de ser un dato, se tendr

Fi = CiP

Y con ese valor se determinan la seccin del buln

Puede apreciarse que la relacin o factor de precarga Ci puede tomar valores muy dispares segn (. ( depende de la rigideces relativas de buln y elementos y esta ltima es afectada principalmente por la existencia de juntas. De todas maneras Ci debe ser mayor que la unidad.

En resumen

Con la definicin de los siguientes factores se puede trabajar con bastante comodidad:

y por supuesto existir en todos los casos un factor de seguridad Cs.

Esta metodologa es muy comoda cuando se utilizan materiales de calidad, los elementos unidos son rgidos y las cargas son estticas.

5)Momento torsor de apriete.

Se recomienda

Mta = C Fi dmFormula cuyo origen se encuentra en el estudio de tornillos de movimiento en los cuales el Mt a aplicar para ascender una carga Q vale

( y ( ngulos de inclinacin de la hlice y de rozamiento respectivamente.

Para nuestro caso Q = Fi y tg (( + () ( 0,40. En la formula recomendada:

Mta = C Fi dm

Resulta:C = 0,20 para tornillos sin lubricar

C = 0,15 para tornillos lubricados.

El momento torsor de apriete Mta, se comprueba experimentalmente, se distribuye aproximadamente de la siguiente manera:

50%para vencer la friccin entre la tuerca y la pieza.

40% para vencer la friccin que se genera en los filetes en contacto de tuerca y tornillo.

10%produce el alargamiento del buln, es decir, es origen de la energa de deformacin acumulada en el buln.

Por esta razn para calcular la tensin tangencial provocada por la torsin se aplica:

Clculo De uniones Atornilladas Bajo Solicitaciones Variables

Consideraciones Generales:

Las uniones atornilladas sometidas a solicitaciones de traccin variables se calculan como piezas fatigadas.

En los tornillos aparecen efectos de concentracin en los puntos A, B y C mostrados en la figura:

Ensayos de Peterson sealan que la distribucin de las fallas tpicas en bulones es aproximadamente la siguiente:

15% bajo la cabeza (A)

20%en el extremo de la rosca (B)

65% en el filete sobre la cara de la tuerca

El factor de concentracin Kf para elementos roscados puede alcanzar los siguientes valores:

Ilustracin 22GradoRosca manufacturada porEntalle

S.A.E.D.I.N.LAMINADOTORNEADO

0 a 23.6 a 5.82.22.82.1

3 a 86.6 a 10.93.03.82.3

Supongamos una unin cargada con una fuerza externa variable entre valores extremos Pmax. y Pmin.

Ilustracin 23En el diagrama de precarga puede verse su representacin supuesto conocido Fi.

Ilustracin 24La carga absorbida por el buln variar entre dos valores extremos Fb max y Fb min., que tambin pueden ser representados en el diagrama incluyendo adems el valor medio y alterno: Fbm y Fba.

Observando el diagrama, es inmediato que el mximo valor posible de Pmax. es P0 que es cuando los elementos a unir pierden el contacto.

Por otra parte en estas uniones el estado de cargas generalmente es del tipo intermitente, es decir, la carga externa variara entre 0 y un valor Pmax. Esta seria la situacin en un tanque o cilindro en que la presin existe o no.

Ilustracin 25En este caso la carga resultante absorbida por el buln podr variar entre:

Fbmax. < P0Fbmin. = Fi

Y su representacin en el diagrama ser:

Ilustracin 26Con lo que:

y como:

reemplazando:

y las tensiones:

Estas tensiones se introducen en el diagrama de Goodman y se procede de la manera conocida.

Evidentemente, para mejorar el diseo ser conveniente reducir las tensiones (ba y (bm. En esa tendencia se pueden seguir los siguientes criterios:

Reducir la Precarga Fi:

Obsrvese que la existencia de la precarga tiene por efecto, por un lado reducir la relacin que existe entre los valores alterno y medio absorbidos por el buln Fba / Fbm comparada con la relacin Pa/Pm de la carga externa.

En este aspecto, conviene una precarga alta para reducir los efectos de fatiga sobre el buln.

Por otro lado, reducir Fi, disminuye la tensin (m y en consecuencia mejora el diseo, pero una precarga baja puede originar aflojamiento de la tuerca ya que Pmax. puede acercarse demasiado al valor de la carga P0 para el cual los elementos se descargan totalmente.

En consecuencia la precarga Fi es un valor comprometido para cuya eleccin se debe prestar especial cuidado.

Ilustracin 27Observando el diagrama se puede plantear para el caso intermitente externo los siguientes valores limites para la carga externa:

recordando que:

para el punto A se tendr:

para el punto C:

En consecuencia por las condiciones limite se debe cumplir:

que para operar mas concretamente conviene expresarlo de la siguiente manera:

Siendo Cs un factor mayor que la unidad que se adoptar convenientemente.

B)Reducir el cociente 1/1 + (Para ello se debe buscar que al razn de las rigideces sea grande. Para ello ke debe ser elevado y/o kb pequeo.

B.1) ke elevado requiere eliminar las juntas elsticas. Su existencia es determinante en el valor de ke. Si debe ser ke elevado y necesidad de junta, se soluciona con juntas confinadas (arosellos, etc.).

Junta elstica

Junta confinada

Ilustracin 28

Ilustracin 29La junta elstica condicionara tambin el valor de la precarga Fi, ya que la junta debe ser apretada a la presin recomendada por el fabricante.

La presin correcta de la junta confinada se obtiene dimensionando adecuadamente la ranura de alojamiento, de acuerdo al tamao y forma de la junta. Por lo general, se supone que la junta confinada no tiene ningn efecto sobre la rigidez de los elementos ke.

B.2) kb de bajo valor se regular de acuerdo a la ecuacin:

C)Reducir Pmax.

Este valor se puede reducir aumentando el nmero de bulones.

Unidad N( 6

Electrodos y tensiones admisibles

La solucin correcta en el diseo de uniones soldadas depende, por supuesto del proyecto, pero es determinante la consideracin adecuada de la compatibilidad entre las propiedades del electrodo con las del metal, la buena accesibilidad del cordn para soldar, la rapidez del trabajo, la habilidad del soldador, el aspecto final de la junta, la maquinabilidad, etc.

En condiciones apropiadas todos los aceros se pueden soldar, pero los mejores resultados se obtienen con aceros entre 0.15 y 0.25% de Carbono (estos aceros, laminados en caliente, tienen a la traccin una tensin de rotura (R entre 40 y 50 Kg/mm2, y una tensin de fluencia (F entre 25 y 35 Kg/mm2).

Las propiedades de los electrodos varan considerablemente. En la tabla siguiente se pueden apreciar valores medios comunes.

N( del Electrodo (segn AWS)*Resistencia a la traccinAlargamiento

%

(R(R

Kip/plg2Kg/mm2Kg/mm2

E 60 xx

E 70 xx

E 80 xx

E 90 xx

E 100 xx

E 120 xx60

70

80

90

100

12042

49

56

63

70

8435

40

47

54

61

7517 25

22

19

14 17

13 16

14

* El N( del electrodo representa aproximadamente su resistencia en Kip/plg2.

El factor de seguridad que se adopte depender del cdigo o reglamento que se use. En general no hay dificultad en utilizar los reglamentos, pero su naturaleza emprica tiende a oscurecer los conceptos XXXXXXXX. En consecuencia, el proyectista debe tener una idea muy clara de los elementos que maneja para valorar adecuadamente los coeficientes con que trabaja y utilizarlos con sensatez y buen criterio, sin olvidar que en algunos proyectos la responsabilidad legal puede ser determinante.

Las tensiones admisibles para soldaduras en general se basan en las tensiones de rotura y algunas veces en las tensiones de fluencia. En la mayora de los reglamentos se admite considerar las tensiones en el cordn iguales a las del material a soldar.

Por otra parte los reglamentos tambin en general dan directamente el valor de la tensin admisible a considerar sin especificar claramente el valor del coeficiente de seguridad adoptado.

Tensiones admisibles segn el Reglamento AISC (American Institute of Steel Construction) para cordones de soldadura.

Tipo de CargaTipo soldaduraTensin admisibleCS

Traccin

Aplastamiento

Flexin

Comp. Simple

CorteTope

Tope

Tope

Tope

Tope o Angular0,60 (F0,90 (F0,60 0,66 (F0,60 (F0,40 (F1,66

1,11

1,66 1,51

1,66

2,5

Factores de concentracin de tensiones para cordones de soldadura (segn Jennings)

Tipo de soldaduraKf

A tope, con refuerzo

Angular transversal, en la punta

Angular longitudinal paralela, en el extremo

A tope en T, con esquinas agudas1,2

1,6

2,7

2,0

Tensiones admisibles segn Norma DIN 4100 para uniones soldadas (Kg/cm2)

Hiptesis de carga H:

Suma de cargas principales.

Hiptesis de carga HZ:Suma de cargas principales y secundarias.

Cargas principales:

Cargas permanentes constituidas por pesos propios y todas aquellas que ya existen en estado de reposo.

Sobrecargas que son aquellas fuerzas exteriores que pueden variar su magnitud o su punto de aplicacin en un funcionamiento regular. Fuerzas de masa y nieve.

Cargas secundarias:

Son las fuerzas de frenado y de accionamiento, las fuerzas de aceleracin y deceleracin, carga de viento, suplementos por impacto y efectos recprocos.

1234567

LneaTipos de cordn y dado el caso, elementos constructivosTipo de solicitacinTipo de acero

St 37St 52

H. de c.H. de c.

HHZHHZ

1Cordn a tope 100% radiografiado Trac. axial y en caso de flexin (segn igual. 1, 2 y 3)1600160024002400

2

Trac. axial y en caso de flexin (segn igual. 1, 2 y 3)1400160021002400

3

Cortadura 900105013501550

4Cordn a tope 50% radiografiado Traccin, compresin axial y en caso de flexin 1400160021002400

5

Cortadura900105013501550

6Cordn a tope no radiografiado Traccin, compresin axial y en caso de flexin 1100130017001900

7

Traccin, compresin axial y en caso de flexin 1400160021002400

8

Cortadura900105013501550

9Cordn angular Traccin, compresin corta dura900105013501550

10Cordn angular en un empalme de la viga rgido a la flexin Tensin principal (segn igual. 4, 4 a, 5)1100130017001900

11

Cortadura (s.igual. 4 b)900105013501550

12Cordones long. (cor. a tope y ang.)p.e.cor.de cuello, cor. a tope long. de chapa de alma, cor. de unin entre platabanda Tensin principal (segn igual 6)1400160021002400

13

Cortadura (segn igual 7)900105013501550

14Cordn a tope en un emp. trans. de la chapa de alma 50% radiog. Tensin principal (ver igual 8)1400160021002400

15

Cortadura (segn igual. 9)900105013501550

Tensiones admisibles segn CONARCO

CONARCO recomienda usar las tensiones admisibles utilizadas para el material a soldar.

Nomenclatura

De los distintos tipos de uniones soldadas pueden resumirse dos tipos principales de cordones:

Cordones angulares.

Cordones a tope.

Cordones angulares

Las figuras muestran la forma aproximadamente triangular que toma el cordn angular.

Ilustracin 30

Ilustracin 31Las dimensiones de un cordn angular se especifican a travs del mayor tringulo inscripto dentro del cordn. De esta manera las dimensiones estn dadas por las longitudes de los catetos a y b o por a en el caso de ser a = b.

Se denomina garganta la seccin del cordn donde se supone existe la mxima tensin de corte (en muchas normas se supone que bisecta el ngulo recto ( = 45().

Se llama espesor h el ancho de la garganta segn se indica en los esquemas. En la tcnica es comn considerar hmin = 3 a 3,5mm., con un espesor de chapa s ( 3mm.

Longitud eficaz L de un cordn es la longitud total del cordn, descontados los crateres de los extremos. La longitud de cada uno de esos crteres se toma convenientemente igual al espesor de la garganta h. Esta deduccin podra no efectuarse si se adoptan precauciones especiales para evitar la formacin de dichos crteres.

rea de la garganta A

Es la superficie obtenida multiplicando el espesor h por la longitud L.

A = h . L

Ilustracin 32Llamaremos:

( I Tensin normal que acta en la seccin de la garganta.

(II Tensin normal que acta en la seccin transversal del cordn.

(I Componente transversal de la tensin tangencial que acta en la seccin de la garganta.

(II Componente longitudinal de la tensin tangencial que acta en la seccin de la garganta.

rea rebatida

Es la seccin de garganta rebatida sobre uno de los lados del cordn.

Ilustracin 33(n Tensin referida al rea rebatida.

tI; tII Componentes transversal y longitudinal de la tensin tangencial que acta sobre el rea rebatida.

Tensin de clculo, es la tensin que resulta en el punto mas solicitado del cordn. Ante un estado combinado de tensiones es la tensin que resulta de aplicar una teora de rotura.

Es la tensin admisible.

Para el cordn de lados iguales a, el espesor de la garganta h es funcin del ngulo (, segn la figura vale:

Ilustracin 34Dimensionamiento de las uniones soldadas

Introduccin

El clculo o dimensionamiento de las uniones soldadas puede hacerse por distintos mtodos. El uso de uno u otro depende de las normas, cdigos o reglamentaciones que legalmente rigen la construccin o que corresponda utilizar. Casi todas estas normas, dadas las incertidumbres propias del comportamiento de las soldaduras tratan de fijar en detalle la metodologa a seguir o por lo menos definir los valores de tensiones admisibles a utilizar.

Las normas usualmente aplicadas son las normas alemanas DIN y las americanas AWS o AISC. En nuestro pas se aceptan algunas veces las recomendaciones de CONARCO.

Las normas DIN 4100 y 4115 recomiendan, por ejemplo, que para el clculo de los cordones pueden aplicarse las formulas conocidas de resistencia de materiales:

En las que las distintas variables se especificarn con precisin mas adelante.

Estas formulas se adecuan cuidadosamente en cada caso particular. Si las tensiones son combinadas se aplica, segn DIN, la teora de la mxima tensin normal:

CONARCO recomienda aplicar la teora de la distorsin (modificada).

En cambio las normas americanas AWS, y la AISC para construcciones civiles, los distintos registros que se aplican en la construccin naval y los documentos del Instituto Internacional de la soldadura aplican sin grandes variantes alguna de las teoras pero en general no especifican con claridad cual de ellas utilizan.

NOTA:

AWS

American Welding Society

AISC

American Isntitute of Steel Construction

IIS/IIWInstituto Internacional de la Soldadura.

Clculo de uniones soldadas segn las normas din

Solicitaciones de traccion o compresin simple

Cordones a tope

De acuerdo con lo especificado por la mayora de los cdigos y reglamentos una soldadura a tope, cuando est hecha correctamente tiene igual o mejor resistencia que la chapa y no hay necesidad de calcular la tensin en la soldadura ni hacer ensayos para determinar sus dimensiones. Cuando se sueldan aceros de aleacin, es necesario hacer coincidir la resistencia del electrodo con la de la chapa.

Las normas DIN especifican que para las uniones a tope de elementos estructurales sometidos a traccin, compresin y/o corte, debe verificarse:

En donde:

Fa Es la fuerza a transmitir.

L - Longitud eficaz de los cordones (longitud total menos los crteres extremos. Cada crter ha de suponerse como mnimo igual al espesor del cordn).

a -Espesor del cordn, que se toma igual al espesor de la chapa t. El espesor mnimo se toma:

amin = 3 mm.

Ilustracin 35Cordones angulares

El clculo de los cordones angulares se considera siempre por la tensin de corte en la garganta, cualquiera sea la direccin de la carga.

Las normas DIN recomiendan:

Siendo:

F - La carga.

h - Espesor de la garganta.

L - Longitud eficaz del cordn.

Para ( = 45(

Ilustracin 36Solicitaciones de flexion y torsion simples

En solicitaciones de flexin o torsin, segn DIN se deben aplicar las relaciones:

en las cuales Mf y Mt son los momentos flector y torsor referidos al baricentro del conjunto de cordones de la unin soldada. J y Jp son los momentos de inercia ecuatorial y polar tambin referidos a ese baricentro considerando los cordones con espesor igual al de la garganta (rebatida sobre el plano de la seccin de la unin soldada). Por ltimo, c es la distancia al punto mas alejado.

Se debe cumplir:

Estas ecuaciones se resuelven fcilmente en aquellos casos en que se esta ante una verificacin, es decir cuando se conocen las dimensiones de la soldadura.

Para dimensionar es usual estimar el tamao de la soldadura y calcular J. Si las tensiones no cumplen con la ecuacin se repite la operacin hasta encontrar un valor aceptable.

Muchas veces resulta mas cmodo considerar la garganta del condn como de espesor unitario, calcular las tensiones para esa unidad y por ultimo, en funcin de ese resultado, determinar el valor necesario del espesor de la garganta del cordn.

Para proceder de esta manera se acepta que no introduce mayor error considerar la proporcionalidad de:

Valor del momento de inercia que reemplazado en la (1)

De la que se puede despejar h:

En la que:

Jh=1 = Momento de inercia de la seccin de soldadura considerando los cordones de espesor h =1.

Uniones soldadas bajo tensiones combinadas.

En uniones soldadas con cordones angulares bajo tensiones combinadas las normas DIN recomiendan aplicar la teora de rotura de la mxima tensin normal.

En consecuencia:

1) Momentos flectores, esfuerzos de corte y fuerzas axiales

Debindose verificar adems en forma independiente

en el caso que hubiera fuerzas axiales.

Wsold es el momento resistente de la superficie que se originara rebatiendo las gargantas de los cordones sobre la seccin a considerar.

La expresin en la (1) comprende solamente aquellos cordones que por su ubicacin contribuyen a soportar los esfuerzos cortantes.

Por ejemplo, en las secciones de perfiles doble T y U o similares es conveniente considerar nicamente los cordones tomados por el alma.

Ilustracin 372) Cordones de empalme entre alas y alma, cordones longitudinales de platabandas, y cordones a tope transversales de la chapa del alma.

En estructuras soldadas solicitadas a flexin, la comprobacin de las tensiones principales en los distintos empalmes se lleva a cabo segn DIN:

En donde:

Mf, Q:

Momento flector y esfuerzo de corte en la seccin.

S:

Momento esttico del rea de las secciones por encima del nivel considerado.

JSOLD:

Momento de inercia ecuatorial de la seccin.

c:

Distancia al punto del cordn mas alejado del eje baricntrico.

h:Espesor de la garganta de los cordones (supuestos rebatida sobre la seccin considerada).

Ver las figuras a titulo de ejemplo:

Ilustracin 38t:Espesor de la chapa del alma.

(h:Espesor de la garganta del cordn a considerar en el calculo.

Cuando (h ( t se deber verificar la tensin de corte segn:

en donde Qmax. Es el mximo esfuerzo de corte que aparece en la seccin empalmada.

3) Empalmes transversales de la chapa del alma (empalme a tope)

En un empalme a tope transversal de la chapa del alma tiene que cumplirse para la tensin principal la siguiente condicin.

Mf, Q:

Momento flector y esfuerzo de corte en la seccin del empalme.

L:

Altura de la chapa del alma.

t:

Espesor de la chapa del alma.

c:

Distancia al borde del cordn mas exterior a la lnea neutra.

Adems se deber comprobar:

Ilustracin 39Unidad N( 7

Resortes Helicoidales

Generalidades

Los resortes son elementos en los que se desea obtener una alta resiliencia, por lo cual, a diferencia de lo que ocurre con la gran mayora de los rganos de maquinas, su deformacin debe ser razonablemente elevada.

Sus aplicaciones son muy diversas, sirven como fuente de energa, a la que son capaces de almacenar y restituir, como amortiguadores de esfuerzos; como elemento tiles para la aplicacin de fuerzas destinadas a mantener en contacto otros elementos (por ej.: en frenos, vlvulas, acoplamientos, seguidores de levas, etc.) en mecanismos adecuados a la medida de fuerzas (balanzas, dinammetros, etc.)

Un resorte helicoidal puede ser obtenido por el arrollamiento de un alambre o varilla de modo de formar una hlice. Segn que este arrollamiento se ejecute en forma cilndrica o cnica, se tendrn los resortes helicoidales, cilndricos o cnicos respectivamente.

Segn que el resorte este destinado a soportar compresiones o tracciones, recibe el nombre de resorte de compresin o resorte de traccin respectivamente y a fin de que la fuerza se aplique en correspondencia con el eje del cilindro o cono base de la hlice, se da a las espirales extremas la configuracin necesaria.

En todo lo que sigue nos referimos a resortes helicoidales cilndricos de seccin de alambre circular.

Solicitaciones en la seccin del alambre:

Supongamos que un resorte helicoidal cilndrico este sometido a la accin de fuerzas axiales P de compresin y que cada espira este situada, aproximadamente en un plano perpendicular al eje de la hlice. Considerando el equilibrio de la parte superior del resorte, puede deducirse de las ecuaciones de la esttica que las tensiones para la seccin del alambre se reducen a las que producen la fuerza cortante P que acta en el centro de la seccin y al par que acta en el plano de la seccin.

El valor de este par es PR, siendo R el radio de la superficie cilndrica que contiene a la lnea media del resorte. El par torsor PR origina una tensin cortante mxima, que ser:

donde d es el dimetro de la seccin recta mn de la espira. A esta tensin debida a la torsin debe superponerse la debida a la fuerza cortante P.

En primera aproximacin se supone que esta fuerza cortante se distribuye de modo uniforme en la seccin recta. La fatiga cortante correspondiente ser:

En el punto m, las direcciones de (1 y (2 coinciden, y por lo tanto, la fatiga cortante presente en ese punto es mxima tiene por valor:

Ilustracin 40Como se ve facilmente, el segundo termino del parentesis representa el efecto de la fuerza cortante, disminuye con la relacin m = D/d indice del resorte. Tiene una importancia grande y no puede despreciarse en el caso de resortees pesados tales como los que se emplean en los coches de ferrocarril. Este trmino, tiene en cuenta los puntos como el m del dado interno de la espira que estn en peores condiciones de trabajo que los puntos n. En los ensayos realizados con resortes pesados se comprueba que las fallas del material se producen de ordinario en el lado interno de las espiras.

El factor tiene en cuenta la superposicin de las tensiones tangenciales, se halla graficado:

Ilustracin 41Hay Adems otra razn por la que la fatiga mxima se produce en el lado interno de la espira.

Al calcular la fatiga debida a la torsin, hemos usado la ecuacin (a) obtenida para barras cilndricas. En realidad, cada elemento del resorte estara en las condiciones de la figura. Se ve que si la seccin recta mn gira con relacin a la ab, por efecto de la torsin, el desplazamiento del punto m con relacin al a ser el mismo que al del punto n con relacin al b.

Debido a que la distancia a m es mas pequea que la n, la distorsin en el lado interno m, ser mayor que en el lado exterior n y por consiguiente, la fatiga producida por el par PR ser mayor en m que en n. Tomando ese efecto en consideracin Wahl determin analticamente la siguiente expresin aproximada.

Recibe el nombre de Factor de Walh .

Ilustracin 42El factor de Walh resulta ser un factor de concentracin de tensiones que tiene en cuenta la distribucin real de tensiones en la seccin de alambre. En l se encuentra incluida la asimetra provocada por la superposicin de las tensiones de corte y el efecto de curvatura del alambre, en consecuencia podemos considerarlo como producto de:

K = Ks x KtFactor Wahl = factor por superposicin x factor por curvatura.

En resortes de materiales dctiles sujetos a cargas estaticas el efecto de curvatura puede ser despreciado ya que la fluencia del material, similarmente a piezas entalladas, suaviza los picos de tensin. No sucede lo mismo bajo cargas variables como veremos mas adelante.

Flechas de resortes helicoidales

Para el calculo de la deformacin del resorte se tiene en cuenta solamente, en los clculos ordinarios, al efecto de la torsin de las espiras, en consecuencia el factor de Walh de la figura:

Ilustracin 43Si el nmero de espiras activas es N la longitud del alambre es ( DN integrando, la defleccin angular total del alambre ser: (

INCRUSTAR Equation.3 El recorrido de la carga P con brazo de palanca D/2 ser:

INCRUSTAR Equation.3 Resulta muy til el valor:

que recibe el nombre de contante del resorte y resulta ser la carga necesaria para producir la deformacin unitaria en Kg/cm. En nuestro caso:

INCRUSTAR Equation.3 Estas ecuaciones son validas tanto para resortes de traccin y compresin. Wahl estableci que las flechas reales concuerdan dentro del 1% y 2% con los valores calculados con esta formula, a condicin de que el modulo de elasticidad transversal G sea conocido exactamente y el limite elstico no sea excedido en ningn punto.

En general en los resortes de compresin el nmero de espiras activas N no es el nmero de espiras total Nt por la influencia del tipo de asiento.

Se especifican 4 tipos de asientos:

Ilustracin 44Los asientos simples son los mas econmicos en su fabricacin. Pero como el resorte pandea la carga se desva considerablemente de la posicin axial supuesta en la deduccin de las ecuaciones y las tensiones en un lado del resorte podrn ser considerablemente mayores que las calculadas. La mayor axialidad de la carga se consigue con los asientos escuadrados amolados. Por esta razn los resortes mas solicitados se fabrican con este tipo de asiento. La determinacin de nmero de espiras activas es adems complicado por el hecho de que las espiras finales se cierran cuando la carga apenas incrementa y por lo tanto decrece el nmero de espiras activas.

No hay un canino para determinar con exactitud el valor de espiras activas excepto por clculos basados en determinaciones experimentales del comportamiento de resortes. Sin embargo para la mayora de los diseos es satisfactorio considerar el nmero de espiras activas segn el siguiente cuadro, en el que se especifican los criterios de varios autores.

Tipo de asientoNmero de espiras totales NtLong. SolidoLong. Libre

PhelanShigleyWallanceWallance

Simple

Simple amolado

Escuadrado

Escuadrado y amoladoN+0,5

N + 1

N + 1

N + 2N + 0,5

N + 1

N + 1.3 /4

N + 1.3 /4 N

N

N + 2

N + 2(NT + 1) d

NT d

(NT 3) d

(NT 2) dNT p d

NT p

NT p 3d

NT p 2d

A fin de prevenir el contacto de espiras durante el servicio, considerando la imprecisin en la evaluacin del nmero de espiras activas y los posibles errores en el paso, los resortes de compresin son a menudo diseados con una tolerancia conocida como tolerancia de contacto de un 15% de la flecha correspondiente a la carga mxima.

Pandeo en resortes de compresin

Los resortes de compresin que tienen una longitud libre, mayor de cuatro veces el diametro D, pueden ser inestables, quiere decir, pueden pandear cuando estn comprimidos bajo la flecha de carga mxima. El pandeo puede ser prevenido por la instalacin del resorte sobre un eje o dentro de un tubo pero esto es generalmente indeseable en razn de la friccin ente el resorte y la gua. Las curvas de la figura pueden ser usadas para comprobar si el resorte puede ser estable o inestable. La inestabilidad queda definida si el punto de operacin, ubicado en funcin de las coordenadas ( 0/D, f/(0 esta sobre o a la derecha de la curva correspondiente. La curva 1 se aplica a asientos planos y amolados con un asiento en la superficie plana y el otro en una esfera. La curva 2 se aplica a resortes planos y amolados con ambos extremos as en contacto contra superficies paralelas,. Segn AM Walh la carga critica de pandeo vale;

Ilustracin 45Pcrit = k Kp (0

k = Constante del resorte (Kg./mm.)

Kp = Factor de pandeo, dependen del tipo de asiento.

L0 = longitud libre (mm.)

Frecuencia critica de resortes helicoidales

Los resortes helicoidales son frecuentemente usados en aplicaciones donde son impuestos de un rpido movimiento alternativo sobre las espiras, como por ejemplo en las vlvulas de automotores. En estos casos el diseador debe asegurarse que las dimensiones fsicas de los resortes no originan una frecuencia natural cercana a la de la fuerza aplicada. Como los resortes helicoidales estn relativamente libres de amortiguamientos, las tensiones internas a resonancia pueden tomar valores infinitos.

Wahl ha mostrado que la frecuencia critica de un resorte helicoidal es.

Donde n = 1 corresponde a la frecuencia fundamental; n = 2 a la segunda armonica, etc. ... k constante del resorte.

El peso:

La frecuencia critica fundamental debe ser de 15 a 20 veces la frecuencia de la fuerza a fin de prever resonancia con las armnicas.

Si la frecuencia no es suficientemente alta, el resorte debe ser rediseado incrementando k o disminuyendo W.

Materiales usados para resortes

Caractersticas Principales

Para que los resortes muellen, es decir, recobren su posicin primitiva despus de sufrir una deformacin, es necesario que el material tenga un alto limite elstico, siendo fundamental que durante el funcionamiento del resorte, las tensiones de trabajo del material no lleguen a sobrepasar ese limite de elasticidad.

En la prctica industrial en condiciones ya de utilizacin, el lmite de elasticidad a la traccin (E suele oscilar entre 90 y 180 kg/mm2, segn sea el tamao, composicin qumica y tratamiento trmico y la resistencia y carga de rotura (R suele variar entre 100 a 240 kg/mm2, tomndose como resistencia tpica 150 kg/mm2.

Para los resortes cuyo trabajo normal es bajo esfuerzos repetidos y alternativos es de gran importancia que los aceros que se usan para su fabricacin tengan elevada resistencia a la fatiga.

Esta resistencia depende en gran parte del tratamiento trmico y es importante que en los trabajos en caliente no sufran descarburaciones importantes, puesto que la parte mas fatigada son las zonas perifricas.

Si esta zona esta decarburada su resistencia ser inferior a la del resto del material e inferior a la necesaria para que el resorte funcione bien. En estas zonas al ser sometidas a fatigas se incitan grietas que luego aumentan llevando al elemento a la rotura.

Aceros Aleados para Resortes

Antiguamente se usaban aceros al carbono para la fabricacin de resortes pero para evitar las fallas que en el tratamiento se producan se usa desde hace muchos aos aceros al silicio-manganeso. Con estos aceros es posible conseguir en espesores de 6 a 20 mm limites de elasticidad superiores a 140 kg/mm2.

En estos aceros la presencia de manganeso aumenta la templabilidad del material, el silicio adems de favorecer la templabilidad aumenta la resistencia a la fatiga. En estos aceros la posibilidad de temple en agua o en aceite depende de la composicin y del tamao del resorte; por economa conviene templar en agua, uno por el consumo de aceite y otro porque el acero debe tener elementos aleantes. Pero cuando interesa calidad, es preferible el temple en aceite ya que se obtienen menores defectos. Para resortes de responsabilidad se utilizan aceros altamente aleados que por su gran templabilidad pueden ser templados fcilmente en aceite, evitndose peligro de grietas y deformaciones (Aceros al manganeso, cromo-manganeso, cromo-silicio).

Los aceros cromo-vanadio y cromo silicio tienen la particularidad sobre los silicio-manganeso, la gran ventaja de sufrir poca descarburacin.

Hoy da se utilizan acero al cromo-manganeso o cromo-vanadio para fabricacin de las hojas maestras de ballestas mientras que para las hojas auxiliares se utiliza el silicio-manganeso de menor precio. En resortes de gran responsabilidad (industria automotriz y aviacin) se emplean aceros-cromo-silicio y cromo-vanadio de precio mas elevado que los anteriores con los cuales se consiguen con simple tratamiento trmico en aceite una elevacin de la resistencia a la fatiga y alto limite elstico.

Forma de suministro de los aceros

El acero para resortes es suministrado generalmente por las aceras en forma de barras rectas o en forma de alambres en rollos.

Las barras segn que el proceso de arrollamiento a seguir luego en la fabricacin de resortes, sea en fro o en caliente se suelen servir en estado recocido o en el estado que salen del tren de laminacin, respectivamente. Segn la calidad del resorte se suelen utilizar.

Los alambres, de acuerdo con el proceso de su fabricacin y con el estado de suministro, pueden clasificarse en los siguientes tipos:

Estirados

Templados en aceite

Cuerda de piano

Recocidos

En general el material usado para resortes es cuidadosamente controlado en todas sus etapas de fabricacin. El espesor y uniformidad de la seccin del alambre permite uniformidad en los tratamientos trmicos. Los resortes son normalmente diseados con factores de seguridad de 1,5 y menores. Estos bajos factores de seguridad se justifican por el hecho de que muchos resortes operan bajo flechas bien definidas y las correspondientes tensiones pueden ser perfectamente calculadas.

Barras de acero laminados recocidas

Los resortes construidos con barillas de dimetro entre 6 y 13 mm. se suelen arrollar en fro emplendose el material en forma de barras recocidas. De esta manera se tiene una historia trmica definida y una vez arrollados, los resortes son templados y revenidos sin dificultades para conseguir las mejores combinaciones de resistencia y alargamiento.

En estado de suministro estos aceros suelen tener una resistencia de 65 a 80 kg/mm2. Convine sacrificar en parte su resistencia en beneficio de su ductilidad para evitar roturas en su arrollamiento.

Algunas veces se fabrican resortes y ballestas con barras sin templar. Estos resortes quedarn con un limite elstico bajo (70 kg/mm2 por ejemplo en lugar de 150 kg/mm2) y se deformarn bajo cargas inferiores a las que podran soportar con temple y revenido. En estos casos el material suele quedar con la resistencia que corresponde a un enfriamiento al aire despus de la forja o laminacin.

Normalizadas

Cuando los resortes se fabrican por arrollamiento en caliente (dimetros superiores a 13 mm) no es necesario que el material este recocido y entonces se emplea en bruto de laminacin o normalizado pues ya no existe el peligro de rotura de las barras al arrollar.

Barras de acero rectificado (Acero PLata)

Para fabricar resortes de gran responsabilidad como los de vlvulas de motores, se emplean barras rectificadas en toda su longitud. De esta forma se elimina cualquier defecto superficial muy frecuente en los procesos de laminacin y cualquier decarburacin que haya podido ocurrir en los calentamientos dados en la laminacin o en el recocido. El resorte es templado y revenido despus del arrollamiento.

En general, en todos los casos de resortes de alta calidad, conviene emplear varillas rectificadas (acero plata) por la garanta que significa eliminar el peligro de decarburaciones y grietas superficiales que en mayor o menor grado suelen tener todos los otros materiales y son las causas del 95% de la rotura de los resortes.

Alambres estirados (Hard Drawn)SAE 1062

Esta clase de alambres se emplea para la fabricacin de resortes dedicados a trabajos de poca responsabilidad, se emplean aceros Siemens de 0,50 a 1,0% de carbono. Su resistencia oscila entre los 120 a 200 kg/mm2, segn el dimetro que suele oscilar entre 0,10 a 5 mm. Su fabricacin se la efecta por trefilado y recocidos sucesivos dejndolos generalmente al final sin recocer con la acritud propia del trefilado. En este caso el alto limite elstico es debido en parte a su composicin y en parte a la elevada acritud con que queda el material luego de estirado.

Luego los resortes se fabrican por simples arrollamientos y generalmente sin tratamiento posterior. A veces se los someten a recocidos de 200(C para eliminar tensiones.

Alambre templado en aceite SAE 1065

La composicin de este acero suele ser parecida a la anterior, pero el proceso de fabricacin es diferente. Antes de la ltima pasada de trafilado, se hace pasar el alambre a travs de un horno continuo y a la salida se templa en bao de aceite. Luego se suele pasar el material por otro horno o bao caliente a baja temperatura para revenir y eliminar tensiones. Finalmente se suele dar una pasada muy ligera de trafilado para que la superficie quede bien limpia y brillante.

Un alambre fabricado de esta manera y que tenga la misma resistencia que uno fabricado por alambres estirados tiene mayor tenacidad y alargamiento y por consiguiente mayor calidad.

Alambre cuerda de piano

Se fabrica con acero al carbono de horno Siemens o elctrico, y es el alambre de mas alta calidad que se usa para la fabricacin de resortes. Se fabrican de 0,10 a 8 mm. El contenido de carbono vara desde 0,60 a 1,0% y el manganeso de 0,60 a 1,0%. Su resistencia vara con el dimetro, llegndose hasta 240 kg/mm2 para los dimetros menores. A este alambre se lo suele conocer con el nombre de Patented por el proceso de fabricacin que consiste en hacer pasar el alambre a travs de un horno continuo a la salida del cual atraviesa un bao de plomo fundido. Despus de este tratamiento el acero, que suele quedar con una resistencia a la traccin de 100 kg/mm2 tiene la ventaja de poseer una gran capacidad de deformacin en fro y se puede estirar sin ningn otro tratamiento intermedio, pudiendo quedar con una resistencia superior a los 200 kg/mm2. Este procedimiento es una combinacin de temple isotrmico y endurecimiento por deformacin en fro. En la prctica industrial, para fabricar alambres de poco dimetro, es necesario someter al material a sucesivos tratamientos en baos de plomo y estirados en fro. Con este tratamiento se da al alambre una estructura serbtica o baintica con las mejores caractersticas para la fabricacin de muelles y resortes.

Shot planing o shot blasting

El proceso conocido con este nombre fue introducido en la produccin comercial por la Associated Spring Corporation en 1929. Este proceso se extendi desde la aplicacin en los resortes a otros rganos de mquina, donde la resistencia a la fatiga debe ser importante.

Dos mtodos son utilizados: el ms antiguo usa aire como agente impulsor de las bolillas, el segundo mtodo mas moderno es de tipo mecnico, el chorro de bolillas es expedido por una rueda que gira a elevada velocidad con paletas radiales. Por lo tanto la energa de la rueda es transferida a las bolillas por las paletas y por la fuerza centrifuga, las bolillas al ser expedidas chocan con la pieza en cuestin.

Ensayos, han demostrado que cualquiera de los dos mtodos producen los mismos efectos, incrementando la resistencia a la fatiga, aunque el mtodo mecnico es el mas rpido.

El resultado del shot blasting son dos:

1(Sera un trabajo en fro sobre la superficie y esto eleva las propiedades fsicas elevando el lmite elstico.

2(Consiste en pretensionar la capa superficial por compresin. Las fallas de fatiga son debidas a esfuerzos de traccin y si a un esfuerzo de compresin se le superpone otro esfuerzo de traccin de signo contrario la pieza podr soportar cargas considerables antes de que este tensionada positivamente.

Este tratamiento superficial hace incrementar la resistencia a la fatiga del resorte de tal manera, que cualquier aleacin de acero o cualquier proceso previo no alcanza los mismos resultados. El shot blasting se aplica a alambres de 0.8 mm. Puesto que en resorte de compresin la zona periferia interior por esfuerzo de torsin es la mas fatigada, este factor tiene una preponderancia importante en la resistencia a la fatiga.

El shot blasting es un proceso de trabajo mecnico en fro que es afectado por el calor. Si el resorte es calentado suficientemente despus del shot blasting, los beneficios que este proporciona son eliminados y el limite de endurancia bajara hasta alcanzar el valor original que tenia el alambre sin pretensionar.

En resumen:

Incrementa marcadamente la resistencia a la fatiga. Hay un endurecimiento superficial del tipo mecnico, que puede quitarse por un recocido a 450(C.

Aumenta la resistencia a la fatiga mas aun, que cambiando el acero por otro mas aleado. Reduce la rotura a la fatiga por pliegues, rayas superficiales, decarburacin, corrosin, picaduras, etc.

Tensiones de Corte Admisible (Phelan 154) Kg/mm2Los resortes son a menudo agrupados en clases acordes con las condiciones de servicio como en la siguiente tabla de tensiones admisibles para propsitos generales de la Westinghouse Electric Corporation.

( de alambre

d (mm)Servicio livianoServicio medioServicio severo

Mas de 2.16

2.18 a 4.7

4.72 a 8.165

59.5

51.752.5

48.2

4242

38.5

33.6

8.15 a 13.4

13.5 a 24.645.5

38.236.4

31.528.4

25.2

Valores validos para resortes construidos con aceros de buena calidad. Pueden ser usadas para resortes con alambre, cuerda de piano, o templado al aceite en pequeos tamaos y arrollados en caliente y posteriormente tratados en los tamaos grandes.

Para bronce fosforoso usar el 50%

Para acero inoxidable usar el 75% de estos valores.

Servicio liviano

Consiste en operaciones efectuadas bajo condiciones estticas y donde la carga mxima es llevada en forma espordica por ejemplo en un total de menos de 1000 veces en toda su vida til. Ejemplos son vlvulas de seguridad slip couplings and bolted joints.

Servicio medio

Incluye resortes sujetos a una carga mxima de 1000 a 100.000 veces durante el servicio. Ejemplos son resortes de gobierno de mquinas, resortes de suspensin de automviles y resortes usados en circuitos interruptores de mecanismos.

Servicio severo

Consiste de un gran nmero de ciclos, por ejemplo por encima de 1.000.000 de la carga variante donde la carga mnima es la mitad o menos de la carga mxima. El ejemplo comn de servicio severo es el de los resortes de vlvulas de automviles.

Estas clasificaciones no son explcitas y por consiguiente toda tabla de tensiones basadas en ellas deben ser usadas con mucho cuidado. Los valores de la tabla anterior son conservativas y dan resultados satisfactorios en muchas situaciones.

Diseo de resortes

Variando D, d y N puede obtenerse infinidad de resortes para soportar una determinada carga con una flecha dada. Sin embargo existen ciertas limitaciones impuestas por el uso a que esta destinado el resorte, como ser la posibilidad de pandeo bajo carga, no entrar en resonancia bajo cargas peridicas, el espacio disponible para su aplicacin, etc.

Especificados el material y su tratamiento el procedimiento usual es suponer un dimetro del alambre d por sustitucin de valores en la formula apropiada que da la tensin. El nmero de espiras efectivas se halla luego de la formula de la flecha.

En general no es posible una solucin directa y sern necesarias varias aproximaciones antes de obtenerse una combinacin adecuada. La dificultad bsica surge porque las tensiones dependen del dimetro del alambre.

Como primer paso conviene a fin de eliminar errores, trazar la curva carga-flecha segn se ilustra a continuacin.

Cargas estaticas:

El factor de Wahl K debe siempre ser considerado y como se ha visto depende del ndice del resorte ndice que debe adoptarse en la primera tentativa.

La experiencia demuestra que se obtienen diseos razonablemente aceptables en relaciones de estabilidad, tamao y eficiente uso del material adoptado:

m:8 a 10 para usos industriales generales.

m:5 para resortes de vlvulas.

m:3 es un valor mnimo a usar solo en casos extremos.

Ilustracin 46Dimetro ExternoDe = D + d

Paso

Longitud slidals = Nt . d

Longitud librel0 = ls + fs

Mxima long. de trabajol1 = l0 - fi

Mnima long. de trabajol2 = l0 fu

Adoptado m, del grfico o analticamente se determina K y de la ecuacin:

se determina d.

El problema reside en que (adm tambin depende de d, en consecuencia debe tantearse y comprobar si se verifican los valores de la tabla PHELAN 154.

En el caso de materiales dctiles se acostumbra a utilizar nada mas que el factor Ks de Whal K: Ks Kb siguiendo el mismo criterio que la utilizacin de los factores de concentracin de tensiones.

Para d se adopta el valor standard mas prximo y luego se calcula el nmero de espiras activo con la frmula que da la flecha. El nmero de espiras total se calcula luego adicionando las espiras requeridas por el tipo de extremo usado.

Las dimensiones restantes de acuerdo al proyecto sern:

( externo:

De = D + d

paso

p =

Longitud slida

(s = N t . d

Longitud libre

(0 = ( s + fs Mxima longitud de trabajo

(1 = l0 - fi Mnima longitud de trabajo

(2 = ( 0 fu

Debe tenerse en cuenta que el dimetro del resorte aumenta con la compresin y disminuye bajo traccin, en consecuencia se debe prevenir adecuando juego para permitir al movimiento sin trabas.

Ejemplo de clculo:

Un resorte helicoidal de compresin esta hecho de alambre cuerda de piano (1,2 mm) de dimetro de un ( exterior de 12 mm y de 14 espiras activas.

a) Hallar la carga esttica mxima correspondiente al punto de fluencia del material.

b) Qu flecha causar esta carga.

c) Calcular la escala del resorte.

d) Si el resorte tiene una espira muerta en cada extremo, cul es su longitud slida.

e) Cul ser el paso si cuando es comprimido a longitud slida no se excede de el punto de fluencia.

Ilustracin 47Indice Tomo III

1Unidad N( 5

Introduccion1Generacin de roscas. Tipos fundamentales1Clasificacin de tornillos. Tornillos de unin y de movimiento.3Tornillos de unin3Roscas Normalizadas4Especificaciones de materiales para tornillos y bulones7Precarga. Influencia de las juntas elasticas8Calculo de uniones atornilladas bajo solicitaciones estaticas13Consideraciones generales13Clculo de las constantes elsticas153)Tensin de prueba Sp174) Tensin y fuerza inicial de apriete o precarga.17En resumen195)Momento torsor de apriete.19Clculo De uniones Atornilladas Bajo Solicitaciones Variables21Consideraciones Generales:21Reducir la Precarga Fi:24B)Reducir el cociente 1/1 + (25C)Reducir Pmax.26Unidad N( 627Electrodos y tensiones admisibles27Tensiones admisibles segn el Reglamento AISC (American Institute of Steel Construction) para cordones de soldadura.28Factores de concentracin de tensiones para cordones de soldadura (segn Jennings)28Tensiones admisibles segn Norma DIN 4100 para uniones soldadas (Kg/cm2)28Cargas principales:28Cargas secundarias:29Tensiones admisibles segn CONARCO29Nomenclatura30Cordones angulares30rea de la garganta A31rea rebatida31Dimensionamiento de las uniones soldadas32Introduccin32Clculo de uniones soldadas segn las normas din34Solicitaciones de traccion o compresin simple34Cordones a tope34Cordones angulares34Solicitaciones de flexion y torsion simples35Uniones soldadas bajo tensiones combinadas.361)Momentos flectores, esfuerzos de corte y fuerzas axiales362)Cordones de empalme entre alas y alma, cordones longitudinales de platabandas, y cordones a tope transversales de la chapa del alma.383)Empalmes transversales de la chapa del alma (empalme a tope)39Unidad N( 740Resortes Helicoidales40Generalidades40Solicitaciones en la seccin del alambre:40Flechas de resortes helicoidales45Pandeo en resortes de compresin47Frecuencia critica de resortes helicoidales48Materiales usados para resortes49Caractersticas Principales49Aceros Aleados para Resortes49Forma de suministro de los aceros50Barras de acero laminados recocidas50Normalizadas51Barras de acero rectificado (Acero PLata)51Alambres estirados (Hard Drawn)SAE 106251Alambre templado en aceite SAE 106551Alambre cuerda de piano51Shot planing o shot blasting52En resumen:52Tensiones de Corte Admisible (Phelan 154) Kg/mm253Servicio liviano53Servicio medio53Servicio severo53Diseo de resortes54Cargas estaticas:54Ejemplo de clculo:56Indice Tomo III58Tabla de Ilustraciones61

Tabla de Ilustraciones

1Ilustracin 1

Ilustracin 22Ilustracin 32Ilustracin 43Ilustracin 54Ilustracin 65Ilustracin 75Ilustracin 86Ilustracin 98Ilustracin 109Ilustracin 1110Ilustracin 1211Ilustracin 13 Ilustracin 1413Ilustracin 15 Ilustracin 1613Ilustracin 1714Ilustracin 1815Ilustracin 1915Ilustracin 2016Ilustracin 2118Ilustracin 2221Ilustracin 2321Ilustracin 2422Ilustracin 2522Ilustracin 2623Ilustracin 2724Ilustracin 28 Ilustracin 2926Ilustracin 3030Ilustracin 3130Ilustracin 3231Ilustracin 3331Ilustracin 3432Ilustracin 3534Ilustracin 3635Ilustracin 3737Ilustracin 3838Ilustracin 3939Ilustracin 4042Ilustracin 4143Ilustracin 4244Ilustracin 4345Ilustracin 4446Ilustracin 4547Ilustracin 4655Ilustracin 4757

INCRUSTAR CorelDraw.Grfico.8

INCRUSTAR CorelDraw.Grfico.8

INCRUSTAR CorelDraw.Grfico.8

INCRUSTAR Equation.3

INCRUSTAR Equation.3

INCRUSTAR CorelDraw.Grfico.8

_990960599.unknown

_991029287.unknown

_991031278.unknown

_991032539.unknown

_991032875.unknown

_991033149.unknown

_991033757.unknown

_991033783.unknown

_991033929.unknown

_991033494.unknown

_991032962.unknown

_991032978.unknown

_991032932.unknown

_991032750.unknown

_991032864.unknown

_991032569.unknown

_991032047.unknown

_991032191.unknown

_991032271.unknown

_991032116.unknown

_991031502.unknown

_991031787.unknown

_991031985.unknown

_991031722.unknown

_991031684.unknown

_991031368.unknown

_991029746.unknown

_991029846.unknown

_991029863.unknown

_991029763.unknown

_991029632.unknown

_991029672.unknown

_991029600.unknown

_990962665.unknown

_990963124.unknown

_991028586.unknown

_991029100.unknown

_990963628.unknown

_990963041.unknown

_990963099.unknown

_990962905.unknown

_990961356.unknown

_990961613.unknown

_990961928.unknown

_990961444.unknown

_990961188.unknown

_990961259.unknown

_990961023.unknown

_990961135.unknown

_985694147.unknown

_985704850.unknown

_989649831.unknown

_990946075.unknown

_990960007.unknown

_990960179.unknown

_990948267.unknown

_990950219.unknown

_990959458.unknown

_990948837.unknown

_990946204.unknown

_989650514.unknown

_989652181.unknown

_989652242.unknown

_989651527.unknown

_989650372.unknown

_989646283.unknown

_989646488.unknown

_989647657.unknown

_989646313.unknown

_986911343.unknown

_986916930.unknown

_986905214.unknown

_985697735.unknown

_985703955.unknown

_985704458.unknown

_985703803.unknown

_985697575.unknown

_985697693.unknown

_985697485.unknown

_985609017.unknown

_985619002.unknown

_985693182.unknown

_985693492.unknown

_985619496.unknown

_985617582.unknown

_985618890.unknown

_985609062.unknown

_985521928.unknown

_985534340.unknown

_985602904.unknown

_985521970.unknown

_983890453.unknown

_985014204.unknown

_985015626.unknown

_983892019.unknown

_984929758.unknown

_985006297.unknown

_984922587.unknown

_983891903.unknown

_983806190.unknown

_983890277.unknown

_983806101.unknown