Una junta atornillada es uno de los elementos más comunes en la construcción y el diseño de máquinas. Consiste en un sujetador con rosca macho (p. ej., un perno ) que captura y une otras piezas, asegurado con una rosca hembra a juego . Hay dos tipos principales de diseños de juntas atornilladas: juntas de tensión y juntas de corte .
La selección de los componentes de una unión roscada es un proceso complejo. Se presta especial atención a muchos factores, como la temperatura, la corrosión, la vibración, la fatiga y la precarga inicial. [1]
En una junta tensada, el perno y los componentes sujetados de la junta están diseñados para transferir una carga de tensión aplicada a través de la junta por medio de los componentes sujetados mediante el diseño de un equilibrio adecuado entre la rigidez de la junta y del perno. La junta debe diseñarse de manera que la carga de sujeción nunca sea superada por las fuerzas de tensión externas que actúan para separar la junta. Si las fuerzas de tensión externas superan la carga de sujeción (precarga del perno), los componentes de la junta sujeta se separarán, permitiendo el movimiento relativo de los componentes.
El segundo tipo de unión atornillada transfiere la carga aplicada en corte del vástago del perno y depende de la resistencia al corte del perno. Las cargas de tensión en una junta de este tipo son sólo incidentales. Todavía se aplica una precarga, pero la consideración de la flexibilidad de la articulación no es tan crítica como en el caso en que las cargas se transmiten a través de la articulación en tensión. Otras juntas de corte de este tipo no emplean una precarga en el perno ya que están diseñadas para permitir la rotación de la junta alrededor del perno, pero usan otros métodos para mantener la integridad del perno/unión. Las articulaciones que permiten la rotación incluyen articulaciones de horquilla y dependen de un mecanismo de bloqueo (como arandelas de seguridad , adhesivos para roscas y tuercas de seguridad ).
El diseño adecuado de la junta y la precarga de los pernos proporcionan propiedades útiles:
Tanto en el caso de diseño de juntas de tracción como de corte, es esencial para la integridad de la junta cierto nivel de precarga de tensión en el perno y la precarga de compresión resultante en los componentes sujetos. 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, apretando el perno hasta el límite elástico, probando ultrasónicamente o aplicando un cierto número de grados de rotación relativa de los componentes roscados. Cada método tiene una variedad de incertidumbres asociadas, algunas de las cuales son muy sustanciales.
Normalmente, un perno se tensa (precarga) aplicando un par a la cabeza del perno o a la tuerca. El par aplicado hace que el perno "trepe" la rosca provocando un tensado del perno y una compresión equivalente en los componentes que están sujetos por el perno. La precarga desarrollada en un perno se debe al torque aplicado y es 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 tuerca apretada. La rigidez de los componentes sujetos por el perno no tiene relación con la precarga desarrollada por el par. La rigidez relativa del perno y los componentes de la junta sujeta, sin embargo, 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 junta y, de ese modo, reducir el rango de tensión que la junta debe soportar. El perno experimenta cuando la carga de tensión se aplica repetidamente. Esto determina la durabilidad del perno cuando se somete a cargas de tensión repetidas. Mantener una precarga de unión suficiente 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 torque 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 varios estándares que definen, entre otras cosas, su resistencia. Hay tablas de torsión disponibles para especificar la torsión requerida para un sujetador determinado según su clase de propiedad (finura de fabricación y ajuste) y grado (resistencia a la tracción).
Cuando se aplica torsión a un sujetador, se desarrolla una precarga de tensión en el perno y una precarga de compresión igual en las piezas que se están sujetando. Esto se puede modelar como un conjunto similar a un resorte que tiene alguna distribución supuesta de tensión de compresión en los componentes de la unión sujeta. Cuando se aplica una carga de tensión externa, alivia las tensiones de compresión inducidas por la precarga en los componentes sujetos, por lo tanto, la precarga que actúa sobre los componentes de la junta comprimida proporciona a la carga de tensión externa un camino (a través de la junta) distinto al del perno. En una junta bien diseñada, quizás entre el 80 y el 90 % de la carga de tensión aplicada externamente pasará a través de la junta y el resto a través del perno. Esto reduce la carga de fatiga del perno.
Cuando las piezas fijadas son menos rígidas que el elemento de fijación (las que utilizan juntas blandas y comprimidas, por ejemplo), este modelo se rompe y el elemento de fijación se somete a una carga de tensión que es la suma de la precarga de tensión y la carga de tensión externa.
En algunas aplicaciones, las juntas se diseñan de modo que el elemento de fijación finalmente falle antes que los componentes más caros. En este caso, reemplazar un sujetador existente con un sujetador de mayor resistencia puede provocar daños al equipo. Por lo tanto, generalmente es una buena práctica reemplazar los sujetadores viejos con sujetadores nuevos del mismo grado.
Las uniones diseñadas requieren que se elija el torque para proporcionar la precarga de tensión correcta. La aplicación del torque a los sujetadores comúnmente se logra usando una llave dinamométrica . [3] El valor de torque requerido para una aplicación de sujetador particular puede cotizarse en el documento estándar publicado, definirse por el fabricante o calcularse. El lado de la fijación roscada que tiene la menor fricción debe recibir torsión mientras que el otro lado se sujeta o se evita que gire.
Una relación común utilizada para calcular el par 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 estándar 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 Norma Nacional Unificada, el factor de tuerca es: [4]
dónde
Cuando = = 0,15, las dimensiones utilizadas corresponden a cualquier tamaño de perno grueso o fino, y el factor de la tuerca es K ≈ 0,20, la relación par/precarga queda:
Un estudio del efecto de apretar dos muestras, una lubricada y otra sin lubricar, pernos de 1/2 pulgada-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 la tuerca, se encuentra que es K = 0,208, que está muy cerca del valor recomendado de 0,20 [4]
La precarga de perno preferida para aplicaciones estructurales debe ser al menos el 75 % de la carga de prueba del sujetador [3] para los sujetadores de mayor resistencia y hasta el 90 % de la carga de prueba para los 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 varios sujetadores para asegurar la junta; Todos estos se aprietan a mano antes de aplicar el torque final para asegurar un asiento uniforme de la junta.
La precarga lograda al apretar un perno es causada por la parte del torque que es efectiva. La fricción en las roscas y debajo de la cabeza de la tuerca o del perno consume una fracción del torque aplicado. Gran parte del torque 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 para estirar el perno y proporcionar la precarga. Inicialmente, a medida que se aplica el torque, este 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 al 50/40/10 % a medida que se tensa el perno. El valor del torque depende de la fricción producida en las roscas y debajo de la cabeza del perno o tuerca apretada y del material o arandela sujeta, si se usa. Esta fricción puede verse afectada por la aplicación de un lubricante o cualquier revestimiento (por ejemplo, cadmio o zinc) aplicado a las roscas, y el estándar del sujetador define si el valor de torque es para roscas secas o lubricadas, ya que la lubricación puede reducir el valor de torque en 15 % al 25%; lubricar un sujetador diseñado para ser apretado en seco podría apretarlo demasiado, lo que podría dañar la rosca o estirar el sujetador más allá de su límite elástico, reduciendo así su capacidad de sujeción.
Se puede apretar la cabeza del perno o la tuerca. Si uno tiene un área de rodamiento o coeficiente de fricción mayor, requerirá más torque para proporcionar la misma precarga objetivo. [6] Los sujetadores solo deben apretarse si están instalados en los orificios libres.
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 . [7] La medición directa de la extensión del tornillo permite calcular con mucha precisión la fuerza de sujeción. Esto se puede lograr usando un indicador de prueba de cuadrante , leyendo la deflexión en la cola del sujetador, usando un medidor de tensión o una medición de longitud ultrasónica.
La precarga del perno también se puede controlar apretando el perno hasta el punto de cedencia. 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 el límite elástico del material del perno. Esta técnica puede ejecutarse con mayor precisión mediante máquinas especialmente construidas. Debido a que este método solo funciona con precargas muy altas y requiere herramientas comparativamente costosas, solo se usa comúnmente para aplicaciones específicas, principalmente en motores de alto rendimiento. [8] [9]
No existe (todavía) un método sencillo para medir la tensión de un sujetador in situ. Todos los métodos, desde el menos preciso hasta el más preciso, implican primero relajar el sujetador, luego aplicarle fuerza y cuantificar la cantidad resultante de alargamiento logrado. Esto se conoce como "volver a apretar" o "volver a tensar", según la tecnología que se emplee.
Las tecnologías empleadas en este proceso pueden ser:
Se utiliza una llave dinamométrica electrónica en el sujetador en cuestión, de modo que se pueda medir el par aplicado a medida que aumenta en magnitud.
Los recientes avances tecnológicos han permitido establecer tensiones (± 1%) mediante pruebas ultrasónicas. Esto proporciona la misma precisión que la galga extensométrica sin tener que colocar galgas extensométricas en cada sujetador.
Otro método que indica la tensión (principalmente en el montaje de acero) implica el uso de arandelas trituradoras. Se trata de arandelas que han sido perforadas y rellenas con RTV naranja . Cuando se ha aplicado una fuerza determinada (± 10%), aparecen hebras de goma de color naranja.
Los usuarios de gran volumen (como los fabricantes de automóviles) utilizan con frecuencia llaves de tuercas controladas por computadora . Con tales máquinas, la computadora tiene el control de apagar el mecanismo de torsión cuando se alcanza un valor predeterminado. Estas máquinas se utilizan a menudo para montar y apretar tuercas de ruedas en una línea de montaje y también se han desarrollado para su uso en plantas móviles de montaje de neumáticos en minas.
El enganche 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 para que el vástago del perno falle en tensión antes de que las roscas fallen en corte, pero para que esto sea cierto, se debe lograr un compromiso mínimo de la rosca. La siguiente ecuación define este enganche mínimo de hilo: [10]
Donde L e es la longitud de encaje de la rosca, At es el área de tensión de tracción, D es el diámetro mayor del tornillo y p es el paso. Esta ecuación sólo es válida si los materiales del tornillo y de la rosca hembra son los mismos. Si no son iguales, entonces se pueden usar las siguientes ecuaciones para determinar la longitud de hilo adicional que se requiere: [10]
Donde L e2 es el nuevo enganche de rosca requerido.
Si bien estas fórmulas proporcionan un compromiso de rosca mínimo absoluto, muchas industrias especifican que las conexiones atornilladas estén al menos completamente enganchadas. 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 un pasador de seguridad .
Los mecanismos de bloqueo evitan que las uniones atornilladas se aflojen. Son necesarios cuando la vibración o el movimiento de las juntas causarán pérdida de carga de sujeción y falla de la junta, y en equipos donde la seguridad de las juntas atornilladas es esencial. Una prueba frecuente para determinar el comportamiento de autoaflojamiento es la prueba Junker .
Los golpes de pernos se producen en los edificios cuando las uniones atornilladas se deslizan hacia el "soporte bajo carga", provocando así 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 junta de tipo cojinete o como una junta de fricción. En la junta de fricción, los elementos se sujetan entre sí con fuerza suficiente para que la fricción resultante entre las superficies sujetas impida que se deslicen lateralmente una sobre otra.
En la junta de soporte, el propio perno limita el movimiento lateral de los elementos mediante el vástago del perno que se apoya en los lados de los orificios de los elementos sujetados. Estas uniones requieren menos fuerza de sujeción, porque no se requiere un alto nivel de fricción entre las superficies sujetas. La holgura entre el perno y los orificios significa que puede ocurrir algún movimiento lateral antes de que el perno se apoye contra los lados de los orificios.
Incluso cuando se diseña como junta de soporte, 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, inicialmente funciona como una junta de fricción. Cuando la fuerza lateral es 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 (“deslizarse hacia el rodamiento”) normalmente comienza y se detiene muy repentinamente, liberando a menudo energía elástica en los elementos asociados, lo que resulta en un fuerte pero inofensivo estallido. [14]
