PRECARGA DE PERNOS
14.7 SUJETADORES PRECARGADOS A TENSiÓN
Una de las aplicaciones principales de los pernos y tuercas es sujetar las piezas juntas en situaciones, donde las cargas aplicadas colocan los pernos a tensión, según se aprecia en la Figura 14-21 Es práctica común precargar la unión apretando los pernos con un par de torsión suficiente para crear cargas a tensión cercanas a su resistencia de prueba. Para ensambles cargados estáticamente, a veces se utiliza una precarga que genere
un esfuerzo en el perno tan elevado como 90% de la resistencia de prueba. Para ensambles cargados dinámicamente (carga por fatiga), se utiliza por lo común una precarga de 75% o más de la resistencia de prueba. Suponiendo que los pernos están adecuadamente dimensionados para las cargas aplicadas estas elevadas precargas hacen muy improbable que los pernos se rompan en servicio. Si no se rompen al tensionarse (apretarse). Las razones para lo anterior son sutiles y requieren comprender cómo interactúan las elasticidades de perno y miembros sujetos, una vez apretado el perno, y cuando luego se aplica la carga externa
FIGURA 14-21. La Figura 14-22 muestra un perno que sujeta a un resorte, lo que es análogo al material sujeto de la Figura 14-21. Aparte del material sujeto, tendrá una constante de resorte y se comprimirá al apretarse el perno (el perno, que también es elástico, (se estirará al ser apretado). En la Figura 14-22a mostramos un resorte como el material sujeto, a fin de exagerar la compresión y para efectos de ilustración.
Por la misma razón también proponemos un método fuera de lo común para poner en tensión este perno en particular. Parece que hemos perdido nuestra llave de tuercas, por lo que tuvimos que pedirle a Crusher Casey que tome la tuerca y tire de ella hacia abajo con 100 lb de fuerza, mientas colocábamos un pedazo de acero entre tuerca y plano rectificado, para que sirva como tope, como se observa en (b). El perno tiene así una precarga a tensión de 10 lb, Y el resorte (es decir el material) tiene una precarga a tensión de 100 lb. Esta precarga se conserva en el ensamble, aun cuando Crusher haya soltado (c). La situación que se muestra en (c) es la misma que resultaría si la tuerca hubiera sido apretada de manera convencional, para comprimir el resorte el mismo valor.
FIGURA 14-22. La Figura l4-22d muestra una carga adicional de 90 lb aplicada al perno. Advierta que la tensión en el perno sigue siendo de 100 lb, Y se mantendrá igual, aparte de la carga externa aplicada, hasta que, en este caso, dicha carga exceda la precarga de 100 lb. La Figura l4-22e muestra una carga superior a la precarga, que comprime aún más al resorte, lo que hace que se rompa el contacto entre tuerca y plano de tierra, y separa el material, ya que en (e) el perno toma toda la carga completa aplicada. Este diagrama da idea de por qué la presencia de una precarga es ventajosa; en especial cuando las cargas aplicadas varían a lo largo del tiempo. Para entender bien por qué, se requiere un examen adicional del comportamiento elástico de la unión bajo carga.
La Figura 14-23 muestra un perno sujetando un cilindro de sección transversal y longitud conocidasDeseamos examinar las cargas, de flexiones y esfuerzos tanto en el perno como en el cilindro bajo precarga y después que se haya aplicado una carga externa. La constante del resorte de una barra a tensión se determina a partir de la ecuación de deflexión de una barra a tensión:
FL S = ---- AE
(14.10a)
F AE K = --- = -----S L
(14.10b)
El material Sujeto contiene dos o mas piezas y pueden ser materiales diferentes. Tambien un perno largo tendra roscas solo en parte de su longitud, y por tanto, tendra las dos secciones transversales distintas. Estas secciones actuan como resorte en serie, que se combinan de acuerdo con la ecuacion 13.3b, L L L L L ----- = ----- + ----- + ----- + ---K Total K1 K2 K3 K4
(13.2b)
Para un perno redondo, de diametro d y de longitud de rosca axialmente cargada l1 dentro de su zona de longitud L segun muestra la figura 14-21 la constante del resorte es: l l1 l – l1 l1 ----- = ---------- + ------- = ------- + Kb A1 Eb Ab Eb A1 Eb
lS ------Ab Eb
(14.11a)
DONDE Ab ES EL ÁREA TRANSVERSAL TOTAL Y A1 ES EL ÁREA DE ESFUERZO A TENSIÓN DEL PERNO, Y LS = (L-L1) LA LONGITUD DEL VÁSTAGO SIN USAR. LA LONGITUD DE LA PORCIÓN ROSGADA ESTÁ NORMALIZADA A DOS VECES EL DIÁMETRO DEL PERNO MÁS 1/4 IN, PARA PERNOS DE HASTA 6 IN DE LARGO. EN PERNOS MÁS LARGOS SE INCLUYE 1/4 IN MÁS DE ROSCA. AQUELLOS PERNOS MÁS CORTOS QUE LA LONGITUD DE ROSCA ESTÁNDAR SE ROSCAN TAN CERCA DE LA CABEZA COMO SEA POSIBLE.[2]
