Junta atornillada

Junta atornillada en corte vertical

Unión con espárrago, donde una varilla roscada sin cabeza se enrosca en una carcasa roscada y luego se asegura con una tuerca.

Junta de tornillo

Una unión atornillada es uno de los elementos más comunes en la construcción y el diseño de maquinaria. Consiste en un elemento de fijación roscado macho (por ejemplo, un perno ) que sujeta y une otras piezas, aseguradas con una rosca hembra compatible . Existen dos tipos principales de uniones atornilladas: uniones a tensión y uniones a cortante .

La selección de los componentes en 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 ]}

Las uniones de ingeniería requieren que el par de apriete se seleccione para proporcionar la precarga de tensión correcta. El par de apriete a los sujetadores se suele aplicar con una llave dinamométrica . ^{[ 7 ]} El valor de par de apriete requerido para una aplicación específica de sujetador puede estar indicado en el documento estándar publicado, definido por el fabricante o calculado. El lado del sujetador roscado con menor fricción debe recibir el par de apriete, mientras que el otro lado se sujeta o se impide que gire.

Una relación común utilizada para calcular el par de apriete 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 tuerca. Lo siguiente presupone que se utilizan pernos y roscas estándar ISO o de norma nacional:

${\displaystyle T=KP_{pre}d}$

dónde

${\displaystyle T}$es el par requerido

${\displaystyle K}$es el factor nuez

${\displaystyle P_{pre}}$es la precarga deseada

${\displaystyle d}$es el diámetro del perno

El factor de tuerca K tiene en cuenta la geometría de la rosca, la fricción y el paso. Cuando se utilizan roscas ISO y del estándar nacional unificado, el factor de tuerca es: ^{[ 8 ]}

${\displaystyle K={\frac {d_{m}}{2d}}\,\left({\frac {\tan \psi +\mu \sec \alpha }{1-\mu \tan \psi \sec \alpha }}\right)+0.625\mu _{c}}$

dónde

${\displaystyle d_{m}}$= el diámetro medio de la rosca, cercano al diámetro primitivo.

${\displaystyle d}$= diámetro nominal del perno

${\displaystyle \tan \psi }$= (paso de rosca) / (pi * d _m )

Paso de rosca = 1/N donde N es el número de hilos por pulgada o mm

${\displaystyle \mu }$= coeficiente de fricción en las roscas

${\displaystyle \alpha }$= la mitad del ángulo de la rosca (normalmente 60°) = 30°

${\displaystyle \mu _{c}}$= coeficiente de fricción bajo cabeza o tuerca apretada

Cuando${\displaystyle \mu }$=${\displaystyle \mu _{c}}$= 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 par/precarga se convierte en:

${\displaystyle T=0.20P_{pre}d}$

Un estudio del efecto de aplicar un par de apriete de 800  lb-in a dos muestras, una lubricada y otra sin lubricar, de pernos de 1/2 pulg.-20 UNF, produjo la misma precarga media de 7700  lbf. Las precargas para la muestra de perno sin lubricar 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 la precarga y los pares de apriete en la relación anterior para calcular el factor de tuerca, se obtiene K = 0,208, que es muy cercano al valor recomendado de 0,20 ^{[ 8 ].}

La precarga preferida para pernos en aplicaciones estructurales debe ser de al menos el 75 % de la carga de prueba del sujetador ^{[ 7 ]} para sujetadores de alta resistencia y de hasta el 90 % de la carga de prueba para sujetadores permanentes. Para obtener los beneficios de la precarga, la fuerza de apriete debe ser mayor que la carga de separación de la junta. Para algunas juntas, se requieren varios sujetadores para asegurar la unión; todos se aprietan a mano antes de aplicar el par final para garantizar un asentamiento uniforme de la junta.

La precarga que se logra al apretar un perno se debe a la parte efectiva del par. La fricción en las roscas y debajo de la tuerca o la cabeza del perno consume una fracción del par aplicado. Gran parte del par se pierde al vencer la fricción debajo de la cabeza del perno o la tuerca apretada (50 %) y en las roscas (40 %). El 10 % restante del par aplicado realiza trabajo útil al estirar el perno y proporcionar la precarga. Inicialmente, al aplicar el par, este debe vencer la fricción estática debajo de la cabeza del perno o la tuerca (según el extremo que se apriete) y también en las roscas. Finalmente, predomina la fricción dinámica y el par se distribuye en una  proporción de 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 la tuerca apretada, así como del material de fijación o la arandela, 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 la norma del elemento de fijación define si el valor de torsión es para roscado en seco o lubricado, ya que la lubricación puede reducir el valor de torsión entre un 15 % y un 25 %; lubricar un elemento de fijación diseñado para apretarse en seco podría apretarlo demasiado, lo que podría dañar la rosca o estirar el elemento de fijación más allá de su límite elástico, reduciendo así su capacidad de sujeción.

Se puede aplicar torque tanto a la cabeza del perno como a la tuerca. Si una tiene un área de apoyo o coeficiente de fricción mayor, requerirá más torque para proporcionar la misma precarga objetivo. ^{[ 10 ]} Los sujetadores solo deben aplicarse torque si se colocan en orificios con holgura .

Las llaves dinamométricas no proporcionan una medición directa de la precarga del 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 de base para definir la extensión del tornillo según el paso de rosca del sujetador . ^{[ 11 ]} Medir directamente la extensión del tornillo permite calcular con gran precisión la fuerza de sujeción. Esto se puede lograr utilizando un comparador de cuadrante , leyendo la deflexión en el extremo del sujetador, utilizando un extensómetro o mediante medición ultrasónica de longitud.

La precarga del perno también se puede controlar apretándolo hasta el punto de fluencia. En ciertas circunstancias, un operario experimentado puede percibir la disminución del esfuerzo necesario para girar la llave dinamométrica a medida que el material del perno comienza a ceder. En ese punto, la precarga del perno está determinada por su área y el límite elástico del material. Esta técnica se puede ejecutar con mayor precisión mediante máquinas especialmente diseñadas. Dado que este método solo funciona para precargas muy elevadas y requiere herramientas relativamente costosas, se utiliza comúnmente solo en aplicaciones específicas, principalmente en motores de alto rendimiento. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Todavía no existe un método sencillo para medir la tensión de un elemento de fijación in situ. Todos los métodos, desde los menos precisos hasta los más precisos, implican primero aflojar el elemento de fijación, luego aplicarle fuerza y ​​cuantificar la elongación resultante. Esto se conoce como «reapriete» o «retensado», según la tecnología empleada.

Las tecnologías empleadas en este proceso pueden ser:

En el elemento de fijación en cuestión se utiliza una llave dinamométrica electrónica, de modo que se pueda medir el par aplicado a medida que aumenta su magnitud.

Los recientes avances tecnológicos han permitido determinar las tensiones (± 1%) mediante ensayos ultrasónicos . Esto proporciona la misma precisión que la medición de deformaciones sin necesidad de instalar galgas extensométricas en cada elemento de fijación.

Otro método para detectar la tensión (principalmente en el montaje de estructuras de acero) consiste en el uso de arandelas de compresión. Estas arandelas han sido perforadas y rellenas con sellador RTV naranja . Al aplicar una fuerza determinada (± 10%), aparecen filamentos de goma naranja.

Los grandes consumidores (como los fabricantes de automóviles) suelen utilizar destornilladores de tuercas controlados por ordenador . En estas máquinas, el ordenador controla la desconexión del mecanismo de torsión una vez alcanzado un valor predeterminado. Estas máquinas se utilizan a menudo para ajustar y apretar las tuercas de las ruedas en una línea de montaje , y también se han desarrollado para su uso en talleres móviles de montaje de neumáticos en minas.

El acoplamiento de rosca es la longitud o el número de roscas que se acoplan entre el tornillo y la rosca hembra. Las uniones atornilladas se diseñan de manera que el vástago del perno falle por tensión antes de que las roscas fallen por cizallamiento, pero para que esto se cumpla, debe lograrse un acoplamiento de rosca mínimo. La siguiente ecuación define este acoplamiento mínimo de rosca:

${\displaystyle L_{e}={\frac {2\times A_{t}}{0.5\pi \left(D-0.64952p\right)}}}$

Donde L _e es la longitud de acoplamiento 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 iguales. Si no lo son, se pueden utilizar las siguientes ecuaciones para determinar la longitud de rosca adicional necesaria: ^{[ 14 ]}

${\displaystyle J={\frac {\text{resistencia a la tracción del material de la rosca externa}}{\text{resistencia a la tracción del material de la rosca interna}}}}$

${\displaystyle L_{e2}=J\times L_{e}}$

Donde L _e2 es el nuevo acoplamiento de rosca requerido.

Si bien estas fórmulas establecen un acoplamiento mínimo absoluto de la rosca, muchas industrias especifican que las conexiones atornilladas deben estar, como mínimo, completamente acopladas. Por ejemplo, la FAA ha determinado que, en general, al menos una rosca debe sobresalir de cualquier conexión atornillada.

Al realizar un análisis del modo de falla para pernos que se han roto, aflojado o corroído, se debe prestar especial atención a los siguientes modos de falla:

Sobrecarga

La sobrecarga se produce cuando las fuerzas operativas de la aplicación generan cargas que superan la carga de sujeción, lo que provoca que la unión se afloje con el tiempo o falle catastróficamente.

Apriete excesivo

Un apriete excesivo puede provocar fallos al dañar las roscas y deformar el sujetador, aunque esto puede ocurrir a largo plazo. Un apriete insuficiente puede provocar fallos al permitir que la unión se afloje, y también puede permitir que la unión se flexione y, por lo tanto, falle por fatiga.

Fatiga

Cuando la carga axial o transversal supera la precarga de los pernos o provoca que estos se deslicen transversalmente, el movimiento del perno puede causar la acumulación de pequeñas grietas en el material, lo que eventualmente conduce a la falla por fatiga del perno o del componente roscado macho. Según Bill Eccles de boltscience, [En la gran mayoría de las aplicaciones, la forma más eficaz de garantizar que el perno sea resistente a la fatiga es asegurar que esté suficientemente apretado...] ^{[ 15 ]}

Brinelling

El efecto brinell puede producirse con arandelas de mala calidad, lo que conlleva una pérdida de la fuerza de sujeción y la consiguiente falla por fatiga de la unión.

Otros modos de fallo

Otros modos de fallo incluyen la corrosión , el incrustamiento y la superación del límite de esfuerzo cortante .

Las uniones atornilladas pueden utilizarse intencionadamente como piezas de sacrificio , diseñadas para fallar antes que otras piezas, como en el caso de un pasador de cizallamiento .

Los mecanismos de bloqueo impiden que las uniones atornilladas se aflojen. Son necesarios cuando la vibración o el movimiento de la unión pueden provocar la pérdida de la fuerza de sujeción y la rotura de la misma, así como en equipos donde la seguridad de las uniones atornilladas es fundamental. Una prueba común para evaluar el comportamiento de autoaflojamiento es la prueba Junker .

nueces de mermelada

Dos tuercas apretadas una sobre la otra. En esta aplicación, se debe colocar una tuerca más delgada junto a la unión y apretar una tuerca más gruesa sobre ella. La tuerca más gruesa ejerce mayor fuerza sobre la unión, primero aliviando la presión sobre las roscas de la tuerca más delgada y luego aplicando una fuerza en la dirección opuesta. De esta manera, la tuerca más gruesa presiona firmemente el lado de las roscas alejado de la unión, mientras que la tuerca más delgada presiona el lado de las roscas más cercano a la unión, fijando firmemente ambas tuercas contra las roscas en ambas direcciones. ^{[ 16 ]}

Tuercas de apriete controlado ( contratuercas )

Se instala un inserto en las roscas internas (metálico o no metálico, por ejemplo, una tuerca Nyloc ) o un tapón/parche de material no metálico en las roscas externas. Este material se adhiere a las roscas del elemento de fijación opuesto mediante una fuerza de fricción y crea un par de torsión predominante que resiste el aflojamiento del elemento de fijación. ^{[ 17 ]}

compuestos de fijación química ( compuesto de fijación de roscas )

El uso de un compuesto de bloqueo químico une las roscas cuando el compuesto cura. Ejemplos de este tipo de compuesto incluyen compuestos anaeróbicos como Loctite , que cura en ausencia de oxígeno y actúa como adhesivo para fijar las roscas de la unión. ^{[ 17 ]} Los métodos de bloqueo químico generan fricción después del par de arranque. El par de apriete suele ser mayor que cero, ya que el polímero curado sigue generando fricción al girar la tuerca.

Alambre de seguridad (alambre de bloqueo)

Se perforan agujeros en las tuercas y las cabezas de los pernos, y se pasa un alambre a través de ellos para evitar la rotación inversa. Este método de bloqueo requiere mucho trabajo, pero aún se utiliza en uniones críticas. ^{[ 1 ]}

Tuercas de seguridad

Una parte de la tuerca se deforma elásticamente durante el apriete para proporcionar un mecanismo de bloqueo.

Arandelas elásticas y arandelas de seguridad

Una arandela que se dobla axialmente al apretarse. Las arandelas elásticas generan una fuerza axial adicional, mientras que las arandelas de seguridad tienen partes que se acoplan a las superficies para ofrecer una resistencia más directa a la rotación.

El golpeteo de pernos se produce en los edificios cuando las uniones atornilladas se deslizan bajo carga, generando un ruido fuerte similar al de un disparo . Este fenómeno no tiene importancia estructural ni representa ningún peligro para los ocupantes.

Una unión atornillada entre dos elementos puede funcionar como una unión de tipo apoyo o como una unión por fricción . En la unión por fricción, los elementos se sujetan con la fuerza suficiente para que la fricción resultante entre las superficies sujetas impida que se deslicen lateralmente entre sí. ^{[ 18 ]}

En la unión de apoyo, el perno limita el movimiento lateral de los elementos mediante el apoyo de su vástago (la parte sin rosca cerca de la cabeza) sobre las paredes de los orificios de los elementos sujetos. Este tipo de uniones requiere menor fuerza de sujeción, ya que no se necesita un alto nivel de fricción entre las superficies sujetas. La holgura entre el perno y los orificios permite cierto movimiento lateral antes de que el perno se apoye contra las paredes de los orificios, para compensar la dilatación térmica y otros movimientos leves.

Incluso cuando se diseña como una junta de apoyo, la fricción superficial entre los elementos sujetos puede ser suficiente para resistir el movimiento durante un tiempo, especialmente cuando el edificio aún no está completamente cargado ; por lo tanto, funciona inicialmente como una junta de fricción. Cuando la fuerza lateral es suficiente para vencer 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»— suele comenzar y detenerse muy repentinamente, liberando a menudo energía elástica en los elementos asociados mediante sonido, lo que produce un golpe fuerte pero inofensivo. ^{[ 19 ]}

• SA-193/SA-193M: "Especificación para materiales de pernos de acero aleado y acero inoxidable para servicio a altas temperaturas"
• SA-194/SA-194M: "Especificación para tuercas de acero al carbono y aleado para pernos destinados a servicio a altas temperaturas"
• SA-320/SA-320M: "Especificación para materiales de pernos de acero aleado para servicio a bajas temperaturas"
• EN 1515: "Brida y sus uniones - Atornillado"
  • EN 1515-1: "Brida y sus uniones - Pernos - Parte 1: Selección de pernos"
  • EN 1515-2: "Brida y sus uniones — Pernos — Parte 2: Clasificación de los materiales de los pernos para bridas de acero, designados con PN"
  • EN 1515-2: "Brida y sus uniones — Pernos — Parte 3: Clasificación de los materiales de los pernos para bridas de acero, clase designada"
• ISO 4014: "Tornillos de cabeza hexagonal - Grados de producto A y B"
• ISO 4017: "Tornillos de cabeza hexagonal - Grados de producto A y B"
• ISO 4032: "Tuercas hexagonales, estilo 1 - Grados de producto A y B"
• ISO 4033: "Tuercas hexagonales, estilo 2 - Grados de producto A y B"

Notas

Bibliografía

• Collins, Jack A.; Staab, George H.; Busby, Henry R. (2002), Diseño mecánico de elementos y máquinas , Wiley, ISBN 0-471-03307-3.
• Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; McCauley, Christopher J.; Heald, Ricardo M. (2004), Manual de maquinaria (27.ª  ed.), Industrial Press , ISBN 978-0-8311-2700-8.

• Calculadora de uniones atornilladas
• Fórmulas y calculadoras de pernos
• El síndrome del perno que golpea
• Uniones atornilladas, fórmulas y calculadoras

AISC

• Golpeando pernos: otra perspectiva AISC
• Ciencia de los pernos: El efecto Jost
• Sujetadores roscados: ajuste a la tensión adecuada. Documento del Departamento de Defensa de EE. UU. MIL-HDBK-60, 2,6 MB pdf.
• Manual de diseño de sujetadores, NASA-RP-1228, 100 págs., manual de la NASA de 1990, 5,1 Mb, pdf.
• Mecánica de tornillos
• Circular informativa 43.13-1B de la FAA , párrafo 7-37 "Longitud de la empuñadura"
• Análisis de juntas atornilladas
• Diseño de uniones atornilladas , soporte de ingeniería y diseño de Fastenal