ELEMENTOS ROSCADOS

1. Definiciones de la
   terminología de roscas
2. Normas y
   estandares
3. Representación,
   acotación y designación de piezas
   normalizadas
4. Tipos de
   rosca
5. Tornillos
6. Mecánica de los
   tornillos de fuerza o potencia
7. Elevación de la
   carga
8. Coeficentes de rozamiento en los
   tornillos de potencia
9. Eficiencia de un mecaniso de
   tornillo
10. Los esfuerzos en la
    rosca
11. La presión de
    contacto
12. Sujetadores
    roscados

Los elementos roscados se usan extensamente en la
fabricación de casi todos los diseños de ingeniería. Los tornillos suministran un
método
relativamente rápido y fácil para mantener unidas
dos partes y para ejercer una fuerza que se
pueda utilizar para ajustar partes movibles.

DEFINICIONES DE LA TERMINOLOGIA DE
ROSCAS

Rosca: es un filete continuo de sección
uniforme y arrollada como una elipse sobre la superficie exterior
e interior de un cilindro.

Rosca externa: es una rosca en la superficie
externa de un cilindro.

Rosca Interna: es una rosca tallada en el
interior de una pieza, tal como en una tuerca.

Diámetro Interior: es el mayor
diámetro de una rosca interna o externa.

Diámetro del núcleo: es el menor
diámetro de una rosca interna o externa.

Diámetro en los flancos (o medio): es el
diámetro de un cilindro imaginario que pasa por los
filetes en el punto en el cual el ancho de estos es igual al
espacio entre los mismos.

Paso: es la distancia entre las crestas de dos
filetes sucesivos. Es la distancia desde un punto sobre un filete
hasta el punto correspondiente sobre el filete adyacente, medida
paralelamente al eje.

Avance: es la distancia que avanzaría el
tornillo relativo a la tuerca en una rotación. Para un
tornillo de rosca sencilla el avance es igual al paso, para uno
de rosca doble, el avance es el doble del paso, y así
sucesivamente.

El ángulo de la hélice o rosca
(α): Esta relacionado en el avance y el
radio medio
(rm) por la ecuación:

En algunos casos se utilizará el angulo
θn que
mide la pendiente del perfil de la rosca en la sección
normal, esta relacionado en el angulo
θ en la sección axial y el
angulo de la hélice como sigue:

Nota: Cuando aparece
cosθn en las ecuaciones, se
reemplazan con frecuencia por cosθ. Esto da una
ecuaciσn aproximada pero, para los valores
normalmente pequeños de α, no introduce error
apreciable.

NORMAS Y ESTANDARES

ORGANISMOS DE
NORMALIZACION

En la tabla que se presenta a continuación, se
indican los organismos de normalización de varias
naciones.

REPRESENTACIÓN, ACOTACIÓN Y
DESIGNACION DE PIEZAS NORMALIZADAS

En la inmensa diversidad de mecanismos y maquinas en
general, una gran cantidad de piezas accesorias que los componen,
tienen unas formas y dimensiones ya predeterminadas en una serie
de normas, es decir, son piezas normalizadas.

En general, la utilización de piezas normalizadas
facilita en gran medida la labor de delineación, ya que al
utilizar este tipo de piezas, evitamos tener que realizar sus
correspondientes dibujos de
taller. Estas normas especificaran: forma, dimensiones,
tolerancias, materiales, y
demás características técnicas.

DESIGNACIÓN DE LOS TORNILLOS

Básicamente, la designación de un tornillo
incluye los siguientes datos: tipo de
tornillo según la forma de su cabeza, designación
de la rosca, longitud y norma que lo define. A estos datos, se
pueden añadir otros, referentes a la resistencia del
material, precisión, etc.

 Ejemplo: Tornillo hexagonal M20 x 2 x 60 x To DIN
960.mg 8.8

Y al analizar cada elemento vemos que.

1. Denominación o nombre: Tornillo
   Hexagonal
2. Designación de la Rosca: M20 x 2
3. Longitud del vástago: 60
4. To: Cabezas in saliente en forma de
   plato
5. Norma que especifica la forma y
   característica del tornillo: DIN 960
6. m.g: Ejecución y precisión de
   medidas
7. 8.8: clase de resistencia o características
   mecánicas.

La longitud que interviene en la designación es
la siguiente:

1. En general, la longitud indicada se corresponde con
   la longitud total del vástago.
2. Para tornillos con extremo con tetón, la
   longitud indicada incluye la longitud del
   tetón.
3. Para tornillos de cabeza avellanada, la longitud
   indicada es la longitud total del tornillo.

DESIGNACION DE LAS ROSCAS

.La designación o nomenclatura de
la rosca es la identificación de los principales elementos
que intervienen en la fabricación de una rosca
determinada, se hace por medio de su letra representativa e
indicando la dimensión del diámetro exterior y el
paso. Este último se indica directamente en
milímetros para la rosca métrica, mientras que en
la rosca unificada y Witworth se indica  a través de
la cantidad de hilos existentes dentro de una pulgada.

Por ejemplo, la rosca M 3,5 x 0,6 indica una rosca
métrica normal de 3,5 mm de diámetro exterior con
un paso de 0,6 mm. La  rosca W 3/4 ’’- 10
equivale a una rosca Witworth normal de 3/4 pulg de
diámetro exterior y 10 hilos por pulgada.

La designación de la rosca unificada se haced e
manera diferente: Por ejemplo una nomenclatura normal en un plano
de taller podría ser:

1/4 – 28 UNF – 3B –
LH

Y al examinar cada elemento se tiene que:

1/4 de pulgada es el diámetro mayor nominal de la
rosca.

28 es el numero de rosca por pulgada.

UNF es la serie de roscas, en este caso unificada
fina.

3B: el 3 indica el ajuste (relación entre una
rosca interna y una externa cuando se arman); B indica una tuerca
interna. Una A indica una tuerca externa.

LH indica que la rosca es izquierda. (Cuando no aparece
indicación alguna se supone que la rosca es
derecha)

La tabla siguiente entrega información para reconocer el tipo de rosca
a través de su letra característica, se listan la
mayoría de las roscas utilizadas en ingeniería
mecánica

Con respecto al sentido de
giro, en la designación se indica  "izq" si es una
rosca de sentido izquierdo, no se indica nada si es de sentido
derecho. De forma similar, si tiene más de una entrada se
indica "2 ent" o "3 ent". Si no se indica nada al respecto, se
subentiende que se trata de una rosca de una entrada y de sentido
de avance derecho.

En roscas de fabricación norteamericana, se
agregan más símbolos para informar el grado de
ajuste y tratamientos especiales 

Es posible crear una rosca con dimensiones no
estándares, pero siempre es recomendable usar roscas
normalizadas para adquirirlas en ferreterías y facilitar
la ubicación de los repuestos. La fabricación y el
mecanizado de piezas especiales aumenta el costo de
cualquier diseño,
por lo tanto se recomienda el uso de las piezas que están
en plaza.

Tipos
de Rosca

Rosca en V
Aguda

Se aplica en donde es importante la sujeción por
fricción o el ajuste, como en instrumentos de
precisión, aunque su utilización actualmente es
rara.

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Rosca
Redondeada

Se utiliza en tapones para botellas y bombillos, donde
no se requiere mucha fuerza, es bastante adecuada cuando las
roscas han de ser moldeadas o laminadas en chapa
metálica.

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Rosca Nacional Americana
Unificada

Esta la forma es la base del estándar de las
roscas en Estados Unidos,
Canadá y Gran Bretaña.

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Rosca Cuadrada

Esta rosca puede transmitir todas las fuerzas en
dirección casi paralela al eje, a veces se
modifica la forma de filete cuadrado dándole una conicidad
o inclinación de 5° a los lados.

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Rosca Acme

Ha reemplazado generalmente a la rosca de filete
truncado. Es más resistente, más fácil de
tallar y permite el empleo de una
tuerca partida o de desembrague que no puede ser utilizada con
una rosca de filete cuadrado.

Las roscas Acme se emplean donde se necesita aplicar
mucha fuerza. Se usan para transmitir movimiento en
todo tipo de máquinas
herramientas,
gatos, prensas grandes "C", tornillos de banco y
sujetadores. Las roscas Acme tienen un ángulo de rosca de
29° y una cara plana grande en la cresta y en la Raíz.
Las roscas Acme se diseñaron para sustituir la rosca
cuadrada, que es difícil de fabricar y
quebradiza.

Hay tres clases de rosca Acme, 2G, 3G y 4G, y cada una
tiene holguras en todas dimensiones para permitir movimiento
libre. Las roscas clase 2G se usan en la mayor parte de los
conjuntos. Las
clases 3G y 4G se usan cuando se permite menos juego u
holgura, como por ejemplo en el husillo de un torno o de la
mesa de una maquina fresadora.

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Rosca Whitworth

Utilizada en Gran Bretaña para uso general siendo
su equivalente la rosca Nacional Americana.

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Rosca Sin Fin

Se utiliza sobre ejes para transmitir fuerza a los
engranajes sinfín.

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Rosca Trapezoidal

Este tipo de rosca se utiliza para dirigir la fuerza en
una dirección. Se emplea en gatos y cerrojos de
cañones.

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TORNILLOS

Definición:

Pieza cilíndrica de metal cuya superficie tiene
un resalte en espiral de separación constante; este se
emplea como elemento de unión, suele enroscarse en una
tuerca y el mismo puede terminar en punta, planos o cualquier
otra forma estandarizada.

Tipos de Tornillos:

• Tornillo De Unión: Se utiliza para la
  unión de dos piezas y se hace a través de un
  agujero pasante (sin rosca) de una de ellas y roscando en la
  otra, como la tuerca.
• Tornillo Pasante: Es un tornillo que atraviesa las
  piezas a unir sin roscar en ninguna de ellas. Se usan para
  piezas de fundición o aleaciones
  ligeras
• Espárragos. Es una varilla roscada en los
  dos extremos sin variación de diámetro. Un
  extremo va roscando en la pieza mientras que el otro tiene
  rosca exterior, no tiene cabeza y la sujeción se logra
  por medio de una tuerca.
• Tornillo Autoroscante: Estos se usan para uniones
  que deban saltarse raramente, se recomienda para metales
  blandos o aceros de menos 50 Kg. de resistencia, en
  carrocerías, en mecánica fina y electrónica.
• Tornillo Prisionero: Es una varilla roscada por uno
  o dos extremos, su colocación se realiza entre la
  tuerca y el tornillo, taladrado previamente.

MECANICA DE LOS TORNILLOS DE FUERZA O
POTENCIA

Los tornillos de Potencia son un
dispositivo para cambiar movimiento lineal y usualmente para
transmitir potencia. En forma mas específica las tornillos
de potencia se usan:

1. Para obtener una ventaja mecánica mayor con
   objeto de levantar pesos, como es el caso de los gatos tipo
   tornillos de lo automóviles.
2. Para ejercer fuerzas de gran magnitud, como en los
   compactadores caseros o en una prensa.
3. Para obtener un posicionamiento
   preciso de un movimiento axial, como en el tornillo de un
   micrómetro o en el tornillo de avance de un
   torno.

En cada una de estas aplicaciones se utiliza un par de
torsión en los extremos de los tornillos por medio de
conjuntos de engranajes, creando de esta forma una carga sobre el
dispositivo.

En los tornillos de potencia se usa el perfil de rosca
Acme. El ángulo de la rosca es de 29° y sus
dimensiones se pueden determinar fácilmente después
que se conoce el paso:

Con el diámetro de la cresta, el número de
roscas por pulgada, y las áreas de esfuerzo de
tensión y compresión (Tabuladas) para las roscas de
los tornillos de potencia Acme. Calculamos el área del es
fuerzo de tensión, mediante la siguiente
formula:

En el caso de los tornillos de fuerza o potencia, la
rosca Acme no es tan eficiente como la rosca cuadrada debido al
rozamiento extra ocasionado por la acción de cuña;
pero suele preferírsela porque es mas fácil de de
formar a máquina y permite el empleo de una tuerca
partida, que puede ajustarse para compensar el
desgaste.

ELEVACION DE LA CARGA

El momento (T) requerido para avanzar el tornillo
(o la tuerca) contra una carga (W) viene dado
por:

Donde:

T = momento aplicado para girar el tornillo o la tuerca,
cualquiera que sea el que este girando.

W = carga paralela al eje del tornillo.

rm = radio medio del a rosca.

rc = radio efectivo del a superficie de
rozamiento contra la cual sea poya la carga, llamado
también radio del collar.

f = coeficiente de rozamiento entre las roscas del
tornillo y la tuerca.

fc = coeficiente de rozamiento en el
collar.

α = αngulo del a hιlice en
la rosca en el radio medio.

θn =
ángulo entre la tangente al perfil del diente (sobre el
lado cargado) y una línea radial, medido en un plano norma
la la hélice del a rosca en un radio medio.

El momento requerido para avanzar el tornillo (o la
tuerca) en el sentido de la carga (o descendiendo la carga)
es

Este momento puede ser positivo o negativo. Si es
positivo, debe efectuarse trabajo para avanzar el tornillo. Si es
negativo, el significado es que, en equilibrio, el
momento debe retardar la rotación, esto es, la carga axial
aisladamente producirá rotación (situación
de taladro de empuje). Se dice en este caso que el tornillo debe
sobrecargarse o sufrirá arrastre.

COEFICENTES DE ROZAMIENTO EN LOS TORNILLOS DE
POTENCIA

Si las superficies de los hilos de rosca son lisas y
estan bien lubricadas, el coeficiente de rozamiento puede ser tan
bajo como f=0.10, pero con materiales d emano de obra de calidad promedio,
Ham y Ryan (*) recomienda f=0.125. Si la
ejecución es de calidad dudosas e puede tomar f=0.15. Para
el aumento en el arranques e aumentan estos valore sen
30-35%.

(*) Ham y Ryan en base a sus experimentos
dedujeron que el coeficiente de rozamiento es independiente de la
carga axial; que esta sometido a cambios despreciables debido a
la velocidad para
la mayoría de los intervalos de ésta que se emplean
en la práctica; que disminuye algo con lubricantes
espesos; que la variación es pequeña para los
diferentes combinaciones de materiales comerciales , siendo menor
la correspondiente al aceros obre bronce, y que las ecuaciones
teóricas dan una buena predicción sobre las
ecuaciones reales.

EFICIENCIA DE UN MECANISO DE TORNILLO

Es la relación entre el trabajo de
salida y el trabajo de entrada.

LOS ESFUERZOS EN LA ROSCA

Se calculan considerando que la rosca es una viga corta
en voladizo proyectada desde el núcleo. La carga sobre la
viga se toma como la carga axial sobre el tornillo W, concentrada
en el radio medio, esto es la mitad de la altura h del a rosca.
El ancho de la viga es la longitud de la rosca (medida en el
radio medio) sometida a la carga. Con estas hipótesis el esfuerzo de flexión en
la base de la rosca es muy aproximadamente,

y el esfuerzo cortante transversal medio es

donde n es el numero de vueltas de la rosca
sometidas a la carga y b es el ancho del a sección
del a rosca en el núcleo.

LA
PRESION DE CONTACTO

Entre las superficies del tornillo puede ser un factor
crítico en el diseño, especialmente para tornillos
de potencia. Esta dada aproximadamente por:

Este calculo es bajo porque:

1. Las holguras entre la raiz y las roscas interna y
   externa significan que la cargan o es soportadas obre la
   profundidad total de h.
2. La carga no esta distribuida uniformemente sobre la
   longitud del a rosca.

LOS ESFUERZOS EN EL NÚCLEO DEL
TORNILLO

Pueden calcularse considerando que las cargas y los
momentos son soportados por el cilindro desnudo (despreciando el
aumento de resistencia por presencia de la rosca). El esfuerzo
cortante torsional es:

donde ri es el radio de fondo del
tornillo. T es el momento apropiado, esto es, el momento
de torsión al cual esta sometida la sección
considerada. Este puede ser el momento total aplicado, el momento
por fricción en el collar únicamente, o el momento
del tornillo solamente (total menos momento por fricción
en el collar). Cada caso debe examinarse con cuidado para ver
cual se aplica.

El esfuerzo directo, puede ser de tracción o
compresión, es:

Una modificación de la fórmula anterior se
utiliza frecuentemente en los cálculos de los sujetadores
roscados para tener en cuenta, aproximadamente el esfuerzo del
aumento de resistencia producido por la rosca. Básicamente
la modificación consiste en suponer que el cilindro tiene
un radio mayor que el real. Entonces:

Tanto lasa reas de esfuerzo como las áreas de la
base, se encuentran tabuladas en muchos textos y manuales.

SUJETADORES ROSCADOS

Un sujetador es un dispositivo que sirve para sujetar o
unir dos o más miembros.

La denominación que se da a los sujetadores
roscados depende de la función
para la que fueron hechos y no de cómo se emplean
realmente en casos específicos. Si se recuerda este hecho
básico, no será difícil distinguir entre un
tornillo y un perno.

Si un elemento esta diseñado de tal modo que su
función primaria sea quedar instalado dentro de un agujero
roscado, recibe el nombre de tornillo. Por tanto, un tornillo se
aprieta aplicando un par torsor en su cabeza.

Si un elemento esta diseñado para ser instalado
con una tuerca, se denomina perno. Así, los pernos se
aprietan aplicando una par torsor a la tuerca.

Un esparrago (o perno con doble rosca, birlo) e suna
varilla con rosca en sus dos extremos; uno entra en un agujero
roscado ye l otro recibe una tuerca.

Los sujetadores roscado incluyen pernos pasantes,
tornillos de cabeza, tornillos de máquina, tornillos
prisioneros y una variedad de implementos especiales que utilizan
el principio del tornillo.

BIBLIOGRAFÍA

• HALL y otros. Diseño de Máquinas.
  McGraw-Hill. 1971.
• HAMROCK y otros. Elementos de Máquinas.
  McGraw-Hill. 2000.
• FAIRES V. Diseño de Elementos de
  Máquinas. Montaner y Simon S.A. 1970.
• SHIGLEY J, Mitchell L. Manual de
  Diseño Mecánico, Tomo. II, McGraw-Hill.
  1989.
• GENEVRO G, HEINEMAN S. Manual de Máquinas
  Herramientas, Tomo I. Prentice Hall Hispanoamericana S.A.
  1994.
• 
  http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/roscas.html
• 
  http://aegi.euitig.uniovi.es/teoria/dispositivos_de_seguridad.html

Autor:

Solmaryeli Morales C.

Jackelyn M. Rivas G.