Una unión atornillada es uno de los elementos más comunes en la construcción y el diseño de máquinas. Consiste en un elemento de fijación con rosca macho (por ejemplo, un perno ) que captura y une otras piezas, asegurado con una rosca hembra correspondiente . Existen dos tipos principales de diseños de uniones atornilladas: uniones de tensión y uniones de corte .
La selección de los componentes de una unión roscada es un proceso complejo en el que se tienen en cuenta muchos factores, como la temperatura, la corrosión, la vibración, la fatiga y la precarga inicial. [1]
Existen dos tipos de juntas de tensión: no precargadas y precargadas. [2]
Estas uniones no se aprietan con una precarga precisa y la tensión se utiliza principalmente para mantener las piezas unidas sin generar una fuerza de sujeción elevada. Una carga de tracción aplicada puede provocar la separación de la unión. Este tipo de unión no debe utilizarse cuando se somete con frecuencia a variaciones de carga de tracción. [2]
En estas uniones, el perno se aprieta para aplicar una precarga específica, generando una fuerza de tracción en el perno y una fuerza de compresión igual en las partes sujetadas. Esto garantiza que cualquier carga de tracción aplicada se distribuya entre el perno y las partes sujetadas (ver sección de teoría), lo que tiene algunas ventajas:
La unión debe diseñarse de modo que la precarga siempre supere la carga de tracción externa para evitar la separación. Si la carga de tracción externa supera la precarga, la unión se separará, lo que permitirá el movimiento relativo entre los componentes, el posible aflojamiento de los pernos y el aumento de la carga sobre ellos.
Tanto en las uniones de tracción precargadas como en las uniones de cizallamiento antideslizantes, un cierto nivel de precarga en el perno y la compresión resultante en los componentes fijados es esencial para la integridad de la unión. El objetivo de precarga se puede lograr mediante una variedad de métodos: aplicando un par medido al perno, midiendo la extensión del perno, calentando para expandir el perno y luego girando la tuerca hacia abajo, aplicando un par de torsión al perno hasta el punto de fluencia, probando ultrasónicamente o aplicando un cierto número de grados de rotación relativa de los componentes roscados. Cada método tiene un rango de incertidumbres asociadas, algunas de las cuales son muy sustanciales. [4]
Existen dos tipos de juntas de corte: las antideslizantes y las de tipo portante. [2]
El perno se aprieta hasta una precarga específica en estas uniones. Esta precarga genera fricción entre las piezas sujetadas, lo que permite que las cargas de corte se transfieran a través de las caras de la unión mediante fricción, en lugar de ser soportadas directamente por el perno. Se evita el movimiento relativo entre las piezas sujetadas y, por lo tanto, cualquier desgaste por fricción que pueda provocar el desarrollo de grietas por fatiga . Cualquier carga de tracción aplicada a estas uniones suele tener un efecto secundario, pero reduce la precarga efectiva.
La rigidez relativa del perno y las piezas conectadas es menos crítica para calcular la precarga para una unión crítica en comparación con una unión de tensión precargada (consulte la sección de teoría). Los métodos de aplicación de la precarga se describen en la sección sobre unión de tensión precargada.
Estas uniones no se aprietan a una precarga precisa, y la tensión se utiliza principalmente para mantener las piezas juntas sin generar una alta fuerza de sujeción. En este tipo de unión, la carga de corte se transmite a través del contacto de apoyo entre el perno y las paredes de los orificios de los pernos en las piezas conectadas. Cuando se aplica una carga de corte, las piezas conectadas se mueven y el vástago del perno hace contacto con las paredes del orificio, lo que transfiere la carga de las piezas al perno. Esto provoca una tensión de corte en el perno en la unión de las piezas conectadas, que resiste a través de su resistencia al corte . Como las uniones de tipo de apoyo dependen de este contacto directo, son más susceptibles al desgaste y la deformación de los orificios de los pernos bajo cargas altas o repetidas, lo que puede provocar fatiga del perno o elongación de los orificios con el tiempo. Cualquier carga de tracción aplicada a estas uniones, generalmente tiene un efecto secundario, pero puede reducir la resistencia al corte disponible del perno.
Una articulación de horquilla , que se basa en un mecanismo de bloqueo (como arandelas de seguridad , adhesivos para roscas y tuercas de seguridad ), es una junta de corte de tipo cojinete.
Por lo general, un perno se tensa (precarga) mediante la aplicación de un par de torsión a la cabeza del perno o a la tuerca. El par de torsión aplicado hace que el perno "suba" por la rosca, lo que provoca una tensión del perno y una compresión equivalente en los componentes que se sujetan con el perno. La precarga desarrollada en un perno se debe al par de torsión aplicado y es una función del diámetro del perno, la geometría de las roscas y los coeficientes de fricción que existen en las roscas y debajo de la cabeza del perno o la tuerca que se sujetan con el par de torsión. La rigidez de los componentes sujetos por el perno no tiene relación con la precarga que se desarrolla por el par de torsión. Sin embargo, la rigidez relativa del perno y los componentes de la unión sujetados determinan la fracción de la carga de tensión externa que soportará el perno y eso, a su vez, determina la precarga necesaria para evitar la separación de la unión y, por ese medio, reducir el rango de tensión que experimenta el perno cuando se aplica repetidamente la carga de tensión. Esto determina la durabilidad del perno cuando se somete a cargas de tensión repetidas. Mantener una precarga suficiente en la unión también evita el deslizamiento relativo de los componentes de la unión que produciría desgaste por fricción que podría resultar en una falla por fatiga de esas piezas.
La carga de sujeción, también llamada precarga de un sujetador, se crea cuando se aplica un par de torsión y, por lo tanto, desarrolla una precarga de tracción que generalmente es un porcentaje sustancial de la resistencia de prueba del sujetador . Los sujetadores se fabrican según varias normas que definen, entre otras cosas, su resistencia. Hay tablas de torsión disponibles para especificar el par de torsión requerido para un sujetador determinado en función de su clase de propiedad (finura de fabricación y ajuste) y grado (resistencia a la tracción).
Cuando se aprieta un elemento de fijación, se desarrolla una precarga de tensión en el perno, mientras que se forma una precarga de compresión igual en las partes sujetadas. Este sistema se puede modelar como un conjunto tipo resorte, donde las partes sujetadas experimentan una tensión de compresión y el perno una tensión de tracción. Cuando se aplica una carga de tracción externa, se reduce la tensión de compresión en las partes sujetadas y aumenta la tensión de tracción en el perno. La carga soportada por el perno y las partes sujetadas es proporcional a su rigidez porque ambos experimentan la misma tensión inducida. Como resultado, la carga externa se comparte a lo largo de la unión en lugar de ser soportada únicamente por el perno. En una unión bien diseñada, aproximadamente el 10-20% de la carga de tracción aplicada es soportada por el perno y la mayor parte se transfiere a través de las partes sujetadas porque son mucho más rígidas que él. Esta reducción en la proporción de carga transferida al perno es importante en aplicaciones con carga cíclica, ya que los pernos tienen una baja resistencia a la fatiga debido a la concentración de tensión en sus roscas. [5]
En algunas aplicaciones, las uniones están diseñadas de modo que el elemento de fijación falle antes que los componentes más costosos. En este caso, reemplazar un elemento de fijación existente por uno de mayor resistencia puede provocar daños en el equipo. Por lo tanto, generalmente es una buena práctica reemplazar los elementos de fijación viejos por elementos de fijación nuevos del mismo grado.
La fuerza en el perno de una unión, que no se ha separado, es [6] y en las partes sujetadas donde
es la fuerza externa aplicada, y
es la precarga del perno.
La parte de una carga externa soportada por el perno es la relación de rigidez de la unión donde
es la rigidez del perno,
es la rigidez de las piezas sujetadas
La separación de las partes sujetadas ocurre cuando la fuerza en las superficies sujetadas es cero ( ), por lo tanto, la fuerza de separación es La separación debajo de la cabeza del perno ocurre cuando la fuerza en el perno es cero , por lo tanto, la fuerza de separación es
El gráfico y la tabla adjuntos ilustran cómo la rigidez relativa de las piezas sujetadas y del perno afecta la parte de la carga aplicada que soporta. Por ejemplo, cuando la rigidez de las piezas sujetadas es igual a la del perno (la curva azul), una carga externa en el rango de menos a más el doble de la precarga da como resultado que solo el 50% de la carga aplicada se transfiera al perno, ya que la carga total en el perno solo varía en el doble de la precarga. Si la carga de tracción aplicada excede el doble de la precarga, las piezas sujetadas se separan y el perno soporta toda la carga. Por el contrario, si la carga de compresión es menor que el doble de la precarga, se produce una separación en la cabeza del perno y la fuerza en el perno es cero. La curva que representa una relación de rigidez de las piezas sujetadas a los pernos de 0,01 muestra que cuando la rigidez relativa de las piezas sujetadas es muy baja, casi toda la carga se transfiere al perno, hasta el punto en que una carga de compresión es igual a la precarga y se produce una separación en la cabeza del perno, lo que reduce la fuerza en el perno a cero.
Las uniones diseñadas requieren que se elija el par de torsión para proporcionar la precarga de tensión correcta. La aplicación del par de torsión a los sujetadores se logra comúnmente utilizando una llave dinamométrica . [7] El valor de par de torsión requerido para una aplicación de sujetador particular puede citarse en el documento estándar publicado, definirse por el fabricante o calcularse. El lado del sujetador roscado que tenga la menor fricción debe recibir el par de torsión mientras que el otro lado se sujeta o se evita que gire de otra manera.
Una relación común utilizada para calcular el par de torsión para una precarga deseada tiene en cuenta la geometría de la rosca y la fricción en las roscas y debajo de la cabeza del perno o la tuerca. Lo siguiente supone que se utilizan pernos y roscas estándar ISO o de Norma Nacional:
dónde
El factor de tuerca K tiene en cuenta la geometría de la rosca, la fricción y el paso. Cuando se utilizan roscas ISO y de Normas Nacionales Unificadas, el factor de tuerca es: [8]
dónde
Cuando = = 0,15, las dimensiones utilizadas corresponden a cualquier tamaño de perno grueso o fino, y el factor de tuerca es K ≈ 0,20, la relación torque/precarga se convierte en:
Un estudio del efecto de apretar dos muestras, una lubricada y otra no lubricada, pernos de 1/2 pulg.-20 UNF a 800 lb-pulg., produjo la misma precarga media de 7700 lbf. Las precargas para la muestra de perno no lubricado tuvieron una desviación estándar del valor medio de 1100 lbf, mientras que la muestra lubricada tuvo una desviación estándar de 680 lbf. Si se utilizan el valor de precarga y los pares de torsión en la relación anterior para calcular el factor de tuerca, se encuentra que es K = 0,208, que está muy cerca del valor recomendado de 0,20 [8]
La precarga de perno preferida para aplicaciones estructurales debe ser al menos el 75 % de la carga de prueba del sujetador [7] para los sujetadores de mayor resistencia y hasta el 90 % de la carga de prueba para sujetadores permanentes. Para lograr los beneficios de la precarga, la fuerza de sujeción debe ser mayor que la carga de separación de la junta. Para algunas juntas, se requieren múltiples sujetadores para asegurar la junta; todos estos se aprietan a mano antes de aplicar el torque final para asegurar un asentamiento uniforme de la junta.
La precarga que se logra al apretar un perno se debe a la parte del par que es efectiva. La fricción en las roscas y debajo de la tuerca o cabeza del perno consume una fracción del par aplicado. Gran parte del par aplicado se pierde al superar la fricción debajo de la cabeza del perno o tuerca apretada (50%) y en las roscas (40%). El 10% restante del par aplicado realiza un trabajo útil al estirar el perno y proporcionar la precarga. Inicialmente, a medida que se aplica el par, debe superar la fricción estática debajo de la cabeza del perno o tuerca (dependiendo de qué extremo se esté apretando) y también en las roscas. Finalmente, prevalece la fricción dinámica y el par se distribuye de manera 50/40/10% a medida que se tensa el perno. El valor del par depende de la fricción producida en las roscas y debajo de la cabeza del perno o tuerca apretada y del material o arandela de fijación, si se utiliza. Esta fricción puede verse afectada por la aplicación de un lubricante o cualquier recubrimiento (por ejemplo, cadmio o zinc) aplicado a las roscas, y el estándar del sujetador define si el valor de torque es para roscado seco o lubricado, ya que la lubricación puede reducir el valor de torque entre un 15% y un 25%; lubricar un sujetador diseñado para ser apretado en seco podría apretarlo demasiado, lo que puede dañar la rosca o estirar el sujetador más allá de su límite elástico, reduciendo así su capacidad de sujeción.
Se puede apretar tanto la cabeza del perno como la tuerca. Si uno tiene un área de apoyo o coeficiente de fricción mayor, se necesitará más torsión para proporcionar la misma precarga objetivo. [10] Los sujetadores solo se deben apretar si están instalados en orificios de paso.
Las llaves dinamométricas no proporcionan una medición directa de la precarga en el perno.
Los métodos más precisos para determinar la precarga se basan en definir o medir la extensión del tornillo desde la tuerca. Alternativamente, la medición de la rotación angular de la tuerca puede servir como base para definir la extensión del tornillo en función del paso de rosca del sujetador . [11] La medición directa de la extensión del tornillo permite calcular la fuerza de sujeción con mucha precisión. Esto se puede lograr utilizando un indicador de prueba de cuadrante , leyendo la deflexión en la cola del sujetador, utilizando un extensómetro o una medición de longitud ultrasónica.
La precarga del perno también se puede controlar apretando el perno hasta el punto de fluencia. En algunas circunstancias, un operador experto puede sentir la disminución del trabajo necesario para girar la llave dinamométrica a medida que el material del perno comienza a ceder. En ese punto, el perno tiene una precarga determinada por el área del perno y la resistencia a la fluencia del material del perno. Esta técnica se puede ejecutar con mayor precisión mediante máquinas especialmente construidas. Debido a que este método solo funciona para precargas muy altas y requiere herramientas comparativamente costosas, solo se usa comúnmente para aplicaciones específicas, principalmente en motores de alto rendimiento. [12] [13]
No existe (aún) un método sencillo para medir la tensión de un elemento de fijación in situ. Todos los métodos, desde el menos preciso al más preciso, implican primero relajar el elemento de fijación, luego aplicarle fuerza y cuantificar la cantidad de elongación resultante lograda. Esto se conoce como "reapretar" o "retensar" según la tecnología que se emplee.
Las tecnologías empleadas en este proceso pueden ser:
Se utiliza una llave dinamométrica electrónica en el elemento de fijación en cuestión, de modo que se pueda medir el par aplicado a medida que aumenta su magnitud.
Los últimos avances tecnológicos han permitido determinar tensiones (± 1 %) mediante pruebas ultrasónicas, lo que proporciona la misma precisión que la medición de la tensión sin necesidad de colocar galgas extensométricas en cada fijación.
Otro método que indica la tensión (principalmente en el montaje de acero) implica el uso de arandelas de compresión. Se trata de arandelas que se han perforado y rellenado con RTV de color naranja. Cuando se ha aplicado una fuerza determinada (± 10 %), aparecen hilos de caucho de color naranja.
Los usuarios de grandes volúmenes de producción (como los fabricantes de automóviles) utilizan con frecuencia destornilladores controlados por ordenador . En estas máquinas, el ordenador controla la desconexión del mecanismo de par cuando se alcanza un valor predeterminado. Estas máquinas se utilizan a menudo para ajustar y apretar tuercas de ruedas en una cadena de montaje, y también se han desarrollado para su uso en plataformas móviles de montaje de neumáticos en minas.
El acoplamiento de la rosca es la longitud o el número de roscas que se acoplan entre el tornillo y las roscas hembra. Las uniones atornilladas están diseñadas de modo que el vástago del perno falle por tensión antes de que las roscas fallen por cizallamiento, pero para que esto sea así, se debe lograr un acoplamiento mínimo de la rosca. La siguiente ecuación define este acoplamiento mínimo de la rosca: [14]
Donde L e es la longitud de enganche de la rosca, A t es el área de tensión de tracción, D es el diámetro mayor del tornillo y p es el paso. Esta ecuación solo es válida si los materiales del tornillo y de la rosca hembra son los mismos. Si no son los mismos, se pueden utilizar las siguientes ecuaciones para determinar la longitud de rosca adicional que se requiere: [14]
Donde L e2 es el nuevo compromiso de rosca requerido.
Si bien estas fórmulas proporcionan un acoplamiento mínimo absoluto de la rosca, muchas industrias especifican que las conexiones atornilladas deben estar al menos completamente acopladas. Por ejemplo, la FAA ha determinado que, en casos generales, al menos una rosca debe sobresalir de cualquier conexión atornillada. [1]
Al realizar un análisis del modo de falla de pernos que se han roto, aflojado o corroído, se debe prestar especial atención a los siguientes modos de falla:
Las uniones atornilladas pueden usarse intencionalmente como piezas de sacrificio , que están destinadas a fallar antes que otras piezas, como en el caso de un pasador de corte .
Los mecanismos de bloqueo evitan que las uniones atornilladas se aflojen. Son necesarios cuando la vibración o el movimiento de la unión provocan la pérdida de la carga de sujeción y la falla de la unión, y en equipos donde la seguridad de las uniones atornilladas es esencial. Una prueba frecuente para el comportamiento de aflojamiento automático es la prueba de Junker .
El golpeteo de pernos ocurre en los edificios cuando las uniones atornilladas se deslizan hasta "apoyarse bajo carga", lo que causa un ruido fuerte y potencialmente aterrador parecido a un disparo de rifle que, sin embargo, no tiene importancia estructural y no representa ninguna amenaza para los ocupantes.
Una unión atornillada entre dos elementos puede actuar como una unión de tipo cojinete o como una unión de fricción. En la unión de fricción, los elementos se sujetan entre sí con suficiente fuerza para que la fricción resultante entre las superficies sujetas evite que se deslicen lateralmente uno sobre el otro.
En la unión por apoyo, el propio perno limita el movimiento lateral de los elementos mediante el apoyo del vástago del perno sobre los lados de los orificios en los elementos sujetos. Estas uniones requieren menos fuerza de sujeción, porque no se requiere un alto nivel de fricción entre las superficies sujetadas. La holgura entre el perno y los orificios significa que puede producirse cierto movimiento lateral antes de que el perno se apoye contra los lados de los orificios.
Incluso cuando se diseña como una junta de apoyo, la fricción superficial entre los elementos sujetos puede ser suficiente para resistir el movimiento durante algún tiempo, especialmente cuando el edificio aún no está completamente cargado; por lo tanto, funciona inicialmente como una junta de fricción. Cuando la fuerza lateral se vuelve suficiente para superar esta fricción, los elementos sujetos se mueven hasta que los lados de los orificios se apoyan contra el vástago del perno. Este movimiento, "deslizamiento hacia el apoyo", generalmente comienza y se detiene muy repentinamente, a menudo liberando energía elástica en los elementos asociados, lo que resulta en un golpe fuerte pero inofensivo. [18]
