T7 - Otros elementos de fijacion.pdf

A rea rre ea de Ingen Inge Ingeni ería M ecánica. ánic áni ca. a. Departamento de Tecnología. C ampus de Riu Sec S Se ec. c. 120711207 12071 1-C ast as aste ttellón. ellón. elllón. lón. Spain. 1-C Spai Sp Spain. ai n. A utor/es utor/es:: Ximo Xi mo Sancho Sancho i Bru (sanch (sancho@ o@ tec tec. uji . es) C ódig ódigo: o: AD M -SO LD1 C ategor ategoría ía:: D iseñ iseño o de M áquinas Tema: Tema : O tros tros element elementos os de fifi j ación ació n C reación:20-D reación:20-Dii c-1997 U ltima revi revi si ón: 8-nov8-nov-0202- Ximo Sancho

TEM TEM A 7: 7: O TR TRO O S ELEM EN TO S DE FIJAC IJAC IÓ N 7.1. 7. 1. Introducción Introd Introduc ucc ción ió n 7.1. 7.2. Elementos de fijación radial 7.2.1. Pasadores y prisioneros prisioneros 7. 2. 2. C uñ uñas as y chavetas have havettas tas 7. 2. 3. Ejes Ej es acanalados acanala acana lados dos, estri i ados ad os y poligonal poli gonales es acanalado s, estr est triados ria dos poligonales 7.3. Elementos de fijación axial 7.3.1. Anillos de seguridad 7.3.2. 7. 3.2. Anillos Anillos de retención 7.3.3. Hombros Hombros 7.3.4. Separadores Separadores 7.3.5. Tuercas de seguridad 7.3.6. Sargentos oo abrazaderas abrazaderas

7.1. Introducción En este capítulo presentaremos otros tipos de elementos que pueden ser utilizados para unir dos o más elementos. Los elementos que se presentan servirán básicamente para hacer solidarias dos piezas en movimiento de rotación (maza o cubo y eje). Por ellos se realizará una distinción entre aquellos elementos que aseguren que no se produce un desplazamiento de los elementos en cuestión en la dirección del eje de rotación (fijación axial), frente a los que aseguran el giro simultáneo de las piezas (fijación radial). 7.2. 7. 2. Elementos Elemen Elementtos de fija ción radial radi al de fijación fij fijación ación radial 7. 2. Pasadores y prisioneros 2.11.. Pasadores

Los pasadores son la forma más sencilla y más antigua de cuantas se emplean en la construcción de máquinas: un pasador transversal se introduce en un taladro que atraviesa las piezas a unir.

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Tema 7: Otros elementos de fijación

Sirven para asegurar la posición relativa de dos o más piezas, como puedan ser las partes inferior y superior de una caja de engranajes, para fijar cubos sobre árboles, o para el asegurami ento de tornillos, tuercas y pernos. Son baratos y adecuados para pequeños momentos de giro. Existen distintos tipos de pasadores: -

-

-

El pa sador cilíndrico exige para su ajuste una estrecha tolerancia del taladro, que aumenta su costo. Los hay de tres tipos: de extremos planos (A), de extremos abombados (B) y de extremos achaflanados (C ). El pasador cónico (conicidad 1:50) sirve para centrar pero exige un escariado del agujero de paso, que encarece la construcción. El pasador cónico con espiga roscada puede extraerse, por medio de una tuerca, incluso de los agujeros ciegos.

El pasado r elástico puede prescindir de una tolerancia de taladro estricta, gracias a su elasticidad transversal.

C álculo de soli citaciones y dimensionamiento de uniones con pasador: a) Perno transversal en una barra de tracción:


3

H ay 2 secciones que sufren a cortadura, con lo que habrá que limitar las tensiones tangenciales resultantes: F τ

=

2 π ⋅

d 2

≤ τ adm

4 También aparece el fenómeno de aplastamiento en el tramo de la horquilla y de la barra: F σ apl horqilla = ,

2 d ⋅ b

,

σ apl barra = ,

F

≤ σ apl , adm

d ⋅ l

Y por último, también podríamos estudiar la flexión si el pasador es suficientemente largo: F  l  ⋅  b +  4  2  σ flex , max

=

π ⋅

d 3

≤ σ adm

32 b) Pasador transversal sometido a un momento de giro M t:

H ay 2 secciones que sufren a cortadura, con lo que habrá que limitar las tensiones tangenciales resultantes: M t τ

=

D 2 π ⋅ d

≤ τ adm

4 Y también aparece el fenómeno de aplastamiento en el tramo del cubo y del eje:

4


M t M t σ apl , cubo

=

D + s , s ⋅ d

2⋅ σ apl , eje

D

3

D ⋅ d

≤ σ apl , adm

4 c) Pasador longitudinal sometido a un momento de giro M t:

En este caso se estudia sólo la cortadura del pasador de longitud l: M t D τ

=

2

≤ τ adm

d ⋅ l

D e forma similar, para fijar cubos sobre árboles también se pueden emplear tornillos prisioneros . Se trata de afianzadores que se insertan radialmente a través de la maza para que se apoyen en la superficie externa del eje, haciendo presión sobre él. La punta del tornillo de ajuste puede ser plana, ovalada, cónica, etc. El par se transmite por fricción entre la punta del tornillo y el eje, junto con la fricción entre eje y cubo debido a la presión inducida por el tornillo. También parte de la transmisión se debe al esfuerzo cortante por penetración de la punta en el eje. La gran desventaja de la utilización de prisioneros es la concentración de tensiones que se produce, junto con que es difícil asegurar la máxima potencia que se puede transmitir. Además, es posible que el prisionero se desenrosque por vibración. Para evitar el que se afloje el tornillo algunos fabricantes proporcionan tornillos con anillos de plástico en la rosca, el cual se deforma al ser atornillado, previniendo su desatornillado. En las siguientes tablas se recogen las dimensiones normalizadas de pasadores cilíndricos y cónicos.


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7.2 .2 . C Cuuñ ñ as y cha vetas vetas

Se trata de elementos mecánicos que se colocan en la interfase entre el eje y el cubo con el fin de transmitir par. Fija ambos elementos de forma que giran solidariamente. La unión por chaveta es la más frecuente unión de cubos cuando el momento de giro posee un solo sentido, por ejemplo el plato de un embrague. La cuña es desmontable, para facilitar el montaje y mantenimiento. Se instala dentro de una ero o chavetero ranura axial maquinada en el eje denominada cuñ . La parte externa de la a . cuña va alojada en otra ranura realizada en el cubo, denominada asiento d e la cuñ G eneralmente el montaje se realiza como sigue: primero se aloja la chaveta en el chavetero del eje, y luego se desliza axialmente el cubo hasta alinearla con la chaveta. En ocasiones se coloca un elemento de fijación axial (como pueda ser un tornillo) para que el cubo no pueda salirse axialmente de la chaveta. Existen distintos tipos de chavetas, pero básicamente podemos distinguir: a) Chavetas paralelas : pueden ser de sección cuadrada o rectangular. Las cuadradas se utilizan para diámetros de ejes mayores de 165 mm, y las rectangulares en caso contrario. Los chaveteros se diseñan para que el eje y el cubo alberguen exactamente la mitad de la altura de la chaveta. A los chaveteros se les suele dejar en los extremos un cierto radio de acuerdo, para evitar la concentración de tensiones. as ahusadas b) Cuñ : están diseñadas para ser colocadas desde el extremo del eje una vez que el cubo está en su posición con respecto al eje (la cuña es lo último que se inserta)

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c) Chavetas de disco o de W oodruff : están destinadas a sitios donde se desea un sencillo ensamblaje y desarmado. La ranura es circular en el eje (longitudinalmente), y esto hace que la cuña no se ueva cuando la maza desliza sobre ella. Las siguientes tablas reflejan dimensiones normalizadas de distintos tipos de cuñas:


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Dimensionamiento de la cuña: La cuña debe permitir la transmisión de potencia entre los elementos unidos. Ellos implicará dos posibles mecanismos de fallo de dicho elementos: fallo por cortadura, y fallo por aplastamiento. El procedimiento de dimensionamiento es la selección de la sección de la chaveta a partir del diámetro del eje, entrando en las tablas que proporciona la norma. Lo que resta por dimensionar es la longitud de la chaveta necesaria para que no se produzca el fallo. En la siguiente figura se esquematiza una unión con una chaveta de dimensiones b x h , y longitud l .

F

F

F

h

F h/2

D

b

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a) Fallo por cizallamiento: La fuerza de corte sobre la chaveta debida al momento M que se transmite será: 2 ⋅ M 2 ⋅ M F F = , con lo que las tensiones en la sección de corte: τ = = D

A cor

D ⋅ b ⋅ l

Si se utiliza el criterio de la tensión tangencial máxima para su dimensionamiento, la longitud l necesaria para que no se produzca el fallo, con un coeficiente de seguridad n s será: 4 ⋅ M ⋅ n s l ≥

D ⋅ b ⋅ S y

b) Fallo por aplastamiento: La tensión de compresión sobre las caras laterales de la chaveta será: F 2 ⋅ M , para la cual se considera una tensión admisible de aplastamiento σ apl = = A apl

D ⋅

h

⋅

l

2 2 veces la tensión normal máxima admisible del material, con lo que la longitud necesaria para que no se produzca el fallo, con un coeficiente de seguridad n s es: 2 ⋅ M ⋅ n s l ≥

D ⋅ h ⋅ l ⋅ Sy

Finalmente, se escogerá la longitud más desfavorable obtenida de las dos comprobaciones anteriores. U n coeficiente de seguridad adecuado para la mayoría de aplicaciones industriales es n s = 3. Si la longitud calculada excediera el espacio disponible para la chaveta, se aumentará el número de chavetas, distribuyéndolas siempre uniformemente en la periferia. Si el número de chavetas necesario es superior o igual a 3, es recomendable utilizar ejes acanalados en su lugar. 7. 7.22.3 .3 . Ejes acanala dos, estriados y polig onales

U na acanaladura puede ser considerada como una serie de cuñas axiales que se maquinan sobre el eje, con las correspondientes ranuras maquinadas sobre el cubo para que encajen las piezas. D esempeñan la misma función que una chaveta, con la ventaja que la transferencia del momento torsor es más uniforme y que cada cuña absorbe menos esfuerzos. Están por tanto indicados para la transmisión de grandes momentos de giro, e incluso aplicados de forma impulsiva. Las ranuras pueden ser con lados rectos o evolventes. La forma evolvente es preferible, ya que proporciona el autocentrado de la unión y puede ser maquinado con fresas estándar de engranajes. O tra posibilidad son los perfiles estriados, que se debilitan menos que los anteriores. Las siguientes tablas reflejan distintos perfiles normalizados acanalados y estriados:


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Dimensionamiento del eje: El dimensionamiento de las acanaladuras y estrías se realiza de forma similar a las chavetas, considerando que un 75% de las superficies laterales actúan como superficie activa. En ese caso, el esfuerzo a considerar sobre cada acanaladura cuando se transmite un momento M , es: d + d2 M F= , siendo i el número de acanaladuras y r m = 1 . 2 0.75 ⋅ i ⋅ r m Se deberán limitar las tensiones tangenciales por cortadura, y las tensiones de aplastamiento, de acuerdo con el coeficiente de seguridad n s : F Sy F 2 ⋅ Sy , siendo b el ancho de la acanaladura, h su τ = , σ apl = ≤ ≤ b ⋅ l 2 ⋅ ns h⋅l ns altura y l su longitud. Además de los ejes con acanaladuras o estrías, también se pueden utilizar árboles poligonales para la fijación de elementos, como el perfil K de la siguiente figura:

En este caso, el momento de giro máximo que se puede transmitir viene dado por la relación experimental: ⋅

M = 0. 5 ⋅ 0. 8 ⋅ Sy ⋅ l ⋅ D ⋅ 2 ⋅ e ⋅ π + 0. 1⋅ D m ( m )

7.3. Elementos de 7.3. Elementos de fijación fijación axial La elección del elemento de fijación axial adecuado depende de si existe o no esfuerzo axial transmitido por la pieza que se desea sujetar. Los engranajes cilíndricos o rectos, las poleas acanaladas y las ruedas dentadas de cadena no generan tal tipo de cargas, aunque cierto movimiento axial puede darse por vibraciones, o por el manejo, y se ha de evitar.

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7.3 .1. Anillos de seguridad

Son elementos elásticos que se colocan en ranuras que se maquinan en los ejes o en una carcasa para evitar el movimiento axial de una pieza, aunque no son adecuados para absorber fuertes cargas axiales, siendo mejor en estos casos diseñar los resaltes convenientes en el eje o en el alojamiento. Hay anillos de dos tipos: de tracción y de compresión, según estén destinados a montarse sobre un eje o un agujero, respectivamente.

Las siguientes tablas muestran distintos elementos de este tipo normalizados, así como las cargas axiales permitidas:


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7.3 .2 . Anillos de retención o collarines collarines

Son aros de acero, normalmente de poco diámetro, que debidamente fijados a los ejes o árboles por medio de prisioneros o pasadores, sirven para situar axialmente las piezas que se montan sobre los ejes. Sólo deben utilizarse si no existen esfuerzos axiales o bien son poco importantes. La siguiente tabla muestra distintos anillos de retención normalizados:

7.3.3 7.3.3.. Hombros

U n hombro o resalte es la superficie plana que se genera ante un cambio brusco de sección en un eje. Son muy utilizados, pues constituyen un excelente método para dar ubicación axial a un elemento, al menos por un lado. En cuanto a las consideraciones de diseño a tener en cuenta, se habrá de prever un hombro lo suficientemente grande para dar ubicación axial al elemento, y un chaflán en la base del hombro que disminuya la concentración de tensiones a un nivel aceptable, y que sea compatible con la pieza que fija. 7.3 .4. Separadores

Es similar a un collarín, pero no se fija con tornillos. Impide el desplazamiento axial relativo de las piezas entre las que se coloca.

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7. 7.33.5 .5.. Tuercas de segurida d d

Las tuercas de seguridad se utiliza para fijar piezas que se ubican en el extremo de un eje. Se trata de sistemas de tuerca + arandela de seguridad, que impide que la tuerca se suelte, fijando así axialmente el elemento.

7. abrazaderas 7.33.6 .6.. Sargentos o abrazaderas

La abrazadera comprime el cubo, que está partido, de forma que se produce un ajuste sobre el eje, evitando el desplazamiento axial, y también radial, de forma que puede transmitir par. Pero si se utilizan con la finalidad de transmitir de potencia, es difícil predecir el momento máximo que puede transmitir la unión.

Abrazadera

Cubo

Eje

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