¿Cómo reducir el riesgo de que se aflojen los sujetadores roscados?

Diseñar las uniones basándose en la precarga mínima esperada generada por el perno elimina cualquier riesgo de aflojamiento. Sin embargo, el diseño basado en la precarga promedio sin aplicar un 'factor de seguridad' puede provocar que muchos pernos se aflojen. También es necesario tener en cuenta la pérdida de precarga debido a la incrustación, que se produce en la interfaz de la rosca y debajo de la cabeza del perno y la cara de la tuerca durante el asentamiento de la superficie de contacto.

Comprensión de los sujetadores roscados

Prácticamente todos los productos de ingeniería de complejidad utilizan sujetadores roscados. Una ventaja clave de los sujetadores roscados sobre la mayoría de los otros métodos de unión es que se pueden desmontar y reutilizar. Esta característica a menudo hace que los sujetadores roscados sean el método de conexión preferido, ya que desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento de la integridad estructural. Sin embargo, también son una fuente importante de problemas mecánicos y de otros componentes. Parte del problema surge de su aflojamiento automático involuntario.

Desde la Revolución Industrial, el autoaflojamiento ha sido un desafío. Durante los últimos 150 años, los inventores han buscado formas de prevenirlo. Muchos métodos de bloqueo comunes para sujetadores roscados se inventaron hace más de 100 años, pero los mecanismos principales que causan el autoaflojamiento solo se han entendido recientemente. Varios mecanismos contribuyen al aflojamiento de los sujetadores roscados, y se clasifican en términos generales en aflojamiento rotacional y no rotacional.

Aflojamiento rotacional y no rotacional

En la mayoría de las aplicaciones, los sujetadores roscados se aprietan para aplicar precarga a la junta. El aflojamiento se define como la pérdida posterior de precarga una vez finalizado el proceso de apriete. Esto puede ocurrir de dos maneras: el aflojamiento rotacional, a menudo denominado autoaflojamiento, ocurre cuando el sujetador gira bajo una carga externa. El aflojamiento no rotacional ocurre cuando no hay movimiento relativo entre las roscas interna y externa, pero aún así se pierde la precarga.

Aflojamiento de los sujetadores debido a un aflojamiento no rotacional

Después del montaje, la deformación del propio elemento de fijación o de la junta puede provocar un aflojamiento no giratorio. Esto puede resultar de un colapso plástico parcial en estas interfaces.

Cuando dos superficies entran en contacto, las irregularidades de cada superficie soportan la carga. Debido a que el área de contacto real suele ser significativamente menor que el área aparente, incluso cargas moderadas pueden exceder el límite elástico del material.

Contacto de superficie amplificado

Esto da como resultado un colapso parcial de la superficie después de la operación de apriete, un fenómeno comúnmente denominado incrustación. La magnitud de la pérdida de fuerza de sujeción debido al empotramiento depende de la rigidez del perno y la junta, el número de interfaces dentro de la junta, la rugosidad de la superficie y la tensión de soporte aplicada. Bajo tensión superficial moderada, el colapso inicial generalmente conduce a una pérdida de aproximadamente 1% a 5% de la fuerza de sujeción dentro de los primeros segundos después del apriete. Cuando posteriormente la junta se carga dinámicamente, se producen más reducciones debido a cambios de presión en las interfaces de la junta.

El aflojamiento relacionado con el empotramiento es problemático para uniones con múltiples interfaces delgadas y una longitud de sujeción de perno pequeña. Si la tensión de soporte de la superficie permanece por debajo del límite elástico de compresión del material de la junta, se puede calcular la cantidad de pérdida por incrustación y se puede diseñar la junta para compensar esta pérdida.

La teoría de Junker sobre el autoaflojamiento de los elementos de fijación

El artículo técnico de Gerhard Junker de 1969, 'Nuevos criterios para el autoaflojamiento de sujetadores bajo vibración' (documento SAE 690055), presentó resultados de pruebas que respaldan su teoría de por qué los sujetadores roscados se aflojan automáticamente. Su principal hallazgo fue que los sujetadores precargados se aflojan rotacionalmente una vez que se produce un movimiento relativo entre las roscas coincidentes y las superficies de apoyo del sujetador y el material sujetado. Junker descubrió que las condiciones de autoaflojamiento causadas por cargas dinámicas transversales eran mucho más severas que las causadas por cargas dinámicas axiales. Esto se debe a que el movimiento radial bajo cargas axiales es significativamente menor que el bajo cargas transversales.

Movimiento lateral en conexiones atornilladas

Junker demostró que los sujetadores precargados se aflojan automáticamente cuando se produce un movimiento relativo entre las roscas coincidentes y las superficies de apoyo del sujetador. Este movimiento relativo ocurre cuando la fuerza transversal que actúa sobre la articulación excede la resistencia de fricción generada por la precarga del perno. En caso de pequeños desplazamientos laterales, puede producirse un movimiento relativo entre los flancos de rosca y las superficies de contacto del cojinete. Una vez superada la holgura de la rosca, el perno sufre fuerzas de flexión y, si continúa el deslizamiento lateral, la superficie de apoyo de la cabeza del perno se deslizará. Una vez iniciado, hay una ausencia temporal de fricción entre las roscas y la cabeza del perno, lo que lleva a una rotación relativa debido al par de cierre ejercido por la precarga sobre el ángulo de hélice de la rosca.

El movimiento transversal repetido puede aflojar completamente el sujetador. Para investigar las causas del aflojamiento, Junker desarrolló una máquina de prueba, la llamada Junker Machine, para cuantificar la eficacia de los diseños de sujetadores contra el autoaflojamiento.

Máquina de prueba de sujetadores Junker

Los rodamientos de rodillos se utilizan para eliminar los efectos de fricción entre las placas móviles y estacionarias. A medida que se aplica movimiento transversal a la placa móvil sujeta por la tuerca, una celda de carga monitorea continuamente la carga del perno. Esto proporciona una ventaja significativa sobre los estándares de prueba de impacto, ya que la pérdida de precarga se puede medir durante la prueba y representar gráficamente en función de los ciclos. La máquina Junker simula un movimiento oscilante dentro del elemento de fijación provocado por el desplazamiento transversal generado por una leva. Superar las fuerzas de fricción del sujetador induce el autoaflojamiento.

Curva de aflojamiento de la prueba de vibración de Junker

Pruebas como la prueba Junker (detallada en DIN 65151) permiten comparar el rendimiento de varios diseños de sujetadores para evitar el aflojamiento automático. Durante las últimas dos décadas, se han realizado extensas investigaciones para evaluar la resistencia al aflojamiento por vibración de los diseños de sujetadores existentes. Una comparación eficaz requiere utilizar la misma amplitud, ya que afecta significativamente los resultados. Aquí se muestran los resultados de pruebas típicos para arandelas de resorte helicoidales.

Algunas pruebas sugieren que colocar una arandela de resorte helicoidal debajo de la cabeza del perno acelera el aflojamiento, mientras que otras muestran que el uso de dichas arandelas funciona de manera similar a los pernos sin ningún dispositivo de bloqueo. Muchos grandes fabricantes de equipos originales han reconocido estos hallazgos y ya no especifican este tipo de arandelas en sus normas internas. Sin embargo, el uso continuo de estas lavadoras sugiere que muchas organizaciones aún desconocen estos hallazgos.

Conclusiones de la investigación

La causa más ampliamente aceptada del aflojamiento automático en sujetadores roscados no es la vibración per se sino el movimiento de la articulación, particularmente el deslizamiento transversal entre las roscas del perno y las superficies de apoyo. Si se puede obtener suficiente precarga del perno para evitar el movimiento de la articulación, los dispositivos de bloqueo son innecesarios, ya que la fricción mantendrá unidas las piezas. El principal desafío al diseñar con sujetadores roscados es garantizar suficiente precarga para mantener unidas las piezas de forma segura a pesar de los cambios en las condiciones de fricción. El gráfico muestra el impacto de los cambios de fricción en la precarga del perno.

La clave para evitar el aflojamiento automático: carga adecuada del perno

Normalmente, las especificaciones de apriete incluyen un rango de torsión para permitir un montaje económico de la junta. Considerando esto, junto con las posibles variaciones de torque primario (con límites máximo y mínimo), se puede generar un gráfico que muestre las variaciones de precarga causadas por las especificaciones del ensamblaje.

Diseñar las uniones basándose en la precarga mínima esperada generada por el perno elimina cualquier riesgo de aflojamiento. Sin embargo, el diseño basado en la precarga promedio sin aplicar un 'factor de seguridad' puede provocar que muchos pernos se aflojen. También es necesario tener en cuenta la pérdida de precarga debido a la incrustación, que ocurre en la interfaz de la rosca y debajo de la cabeza del perno y la cara de la tuerca. Para limitar el empotramiento, asegúrese de que la tensión del cojinete debajo de la cara de la tuerca, la cabeza del perno y dentro de la junta permanezca dentro del rango permitido para el material sujeto.

En los casos en los que no se pueda evitar el movimiento de la junta, como durante la expansión térmica, se debe especificar un dispositivo de bloqueo confiable.