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Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2025-01-20 Origen:Sitio
Al diseñar uniones, planificar la precarga mínima esperada generada por los pernos puede evitar eficazmente el riesgo de aflojamiento. Si no utiliza un 'factor de seguridad' y en su lugar diseña basándose en una precarga promedio, es probable que muchos pernos se aflojen. También es necesario tener en cuenta la pérdida de precarga debido al empotramiento, que generalmente ocurre en las roscas y debajo de la superficie de contacto entre la cabeza del perno y la tuerca cuando la superficie de contacto se asienta.
De hecho, los sujetadores roscados desempeñan un papel integral en cualquier producto de ingeniería, sin importar cuán complejo sea. Una ventaja clave de los sujetadores roscados sobre la mayoría de los otros métodos de conexión es que son extraíbles y reutilizables. Esta característica suele ser una razón importante por la que los sujetadores roscados se destacan y se prefieren a otros métodos de conexión. A menudo desempeñan un papel vital en el mantenimiento de la integridad estructural del producto. Sin embargo, no se debe pasar por alto que los sujetadores roscados también suelen ser una fuente importante de problemas en la maquinaria y otros componentes. Esto se debe en parte a que pueden aflojarse sin darse cuenta.
El aflojamiento automático de elementos de fijación roscados ha sido un fenómeno desde el comienzo de la Revolución Industrial. Los inventores han pasado los últimos 150 años buscando soluciones eficaces para prevenir este fenómeno. Muchos métodos comunes de bloqueo de sujetadores roscados se inventaron hace más de 100 años. Sin embargo, sólo recientemente se han comprendido los principales mecanismos que conducen al autoaflojamiento. De hecho, existen muchos mecanismos diferentes que conducen al aflojamiento de los sujetadores roscados, que se pueden dividir aproximadamente en dos categorías: aflojamiento rotacional y aflojamiento no rotacional.
En la gran mayoría de aplicaciones, los sujetadores roscados se aprietan para aplicar precarga a la junta. El aflojamiento se puede definir como la pérdida posterior de precarga una vez completado el proceso de apriete. Esto puede ocurrir de dos maneras. El aflojamiento rotacional, a menudo llamado 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 se produce una pérdida de precarga.
Puede producirse un aflojamiento no rotacional debido a la deformación del propio sujetador o de la junta después del montaje. Esto puede ser el resultado de un colapso plástico parcial de estas interfaces.
Cuando dos superficies entran en contacto entre sí, las asperezas de cada superficie soportan una carga. Debido a que el área de contacto real puede ser significativamente menor que el área aparente, incluso con cargas moderadas, las asperezas son mayores que el límite elástico del material.
Esto hace que las superficies colapsen parcialmente una vez completada la operación de apriete. Este plegado a menudo se denomina incrustación. La cantidad de fuerza de sujeción perdida debido al empotramiento depende de la rigidez del perno y la junta, el número de interfaces de perno presentes en la junta, la rugosidad de la superficie y las tensiones de soporte aplicadas. En condiciones de tensión superficial moderada, el colapso inicial normalmente da como resultado que se pierda aproximadamente del 1% al 5% de la fuerza de sujeción dentro de los primeros segundos después de apretar la junta. Cuando la articulación se somete posteriormente a cargas dinámicas debido a las fuerzas aplicadas, se produce una reducción adicional debido a los cambios de presión que se producen en las interfaces de la articulación.
El aflojamiento debido a la pérdida de incrustación es problemático en uniones que incluyen varias superficies de contacto delgadas y una longitud de sujeción de perno pequeña. Si la tensión de soporte de la superficie se mantiene 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.
Gerhard Junker publicó un artículo técnico en 1969 ('A New Standard for Self-Loosening of Fasteners Under Vibration' SAE Paper 690055, 1969) en el que presentaba los resultados de las pruebas que había realizado para respaldar su teoría sobre por qué los sujetadores roscados se aflojan automáticamente. . Su principal hallazgo: los sujetadores pretensados pueden aflojarse por rotación tan pronto como se produce un movimiento relativo entre las roscas coincidentes y entre la superficie de soporte del sujetador y el material sujeto. Junker descubrió que las cargas dinámicas transversales producen condiciones de autoaflojamiento que son mucho más severas que las cargas axiales dinámicas. La razón de esto es que el movimiento radial bajo cargas axiales es significativamente menor que el movimiento radial bajo cargas transversales.
Junker demostró que los sujetadores pretensados pueden aflojarse automáticamente cuando se produce un movimiento relativo entre las roscas coincidentes y la superficie de apoyo del sujetador. Este movimiento relativo ocurre cuando las fuerzas transversales que actúan sobre la articulación son mayores que la resistencia de fricción creada por la precarga del perno. En desplazamientos transversales pequeños pueden producirse movimientos relativos entre los flancos de rosca y las superficies de contacto en la zona de apoyo. Una vez superado el juego de la rosca, el perno estará sujeto a fuerzas de flexión y, si el deslizamiento lateral continúa, la superficie de apoyo de la cabeza del perno se deslizará. Una vez iniciado, las roscas y la cabeza del perno quedarán temporalmente libres de fricción. El par de cierre interno presente debido a la precarga que actúa sobre el ángulo de la hélice de la rosca crea una rotación correlacionada entre la tuerca y el perno.
Con movimientos laterales repetidos, este mecanismo puede aflojar completamente el sujetador. Para investigar las causas del aflojamiento, Junker desarrolló una máquina de prueba, la llamada 'máquina Junker', que cuantificará la eficacia de las propiedades antiaflojamiento del diseño del elemento de fijación.
Los rodamientos de rodillos se utilizan para eliminar los efectos de la fricción entre la placa móvil y la placa fija. Las celdas de carga pueden monitorear continuamente la carga del perno mientras se aplica movimiento lateral a la placa móvil sobre la cual se sujeta la tuerca. Esta es una gran ventaja sobre los estándares de prueba de impacto, ya que la pérdida de precarga se puede medir durante la prueba y representar gráficamente como una función de la precarga versus el período. La idea detrás de la máquina Junker es que el desplazamiento lateral creado por la leva provoca una acción de balanceo en el sujetador. Superar la fricción en el sujetador crea una acción de autoaflojamiento.
Pruebas como la prueba Junker (detalles de la prueba en la especificación DIN 65151) permiten comparar el rendimiento de varios diseños de sujetadores con el autoaflojamiento. Durante las últimas dos décadas, se ha trabajado mucho para investigar los diseños de sujetadores existentes con el fin de compararlos con el aflojamiento por vibración. Para realizar una comparación válida, es esencial que se utilice la misma amplitud, ya que esto tiene un impacto significativo en los resultados. Aquí se muestran los resultados de pruebas típicos para una arandela elástica helicoidal.
Algunas pruebas han demostrado que colocar una arandela de resorte helicoidal debajo de la cabeza del perno puede acelerar el aflojamiento; otras pruebas han demostrado que el uso de dicha arandela proporciona un rendimiento similar al uso de un perno sin ningún dispositivo de bloqueo. Muchos grandes fabricantes de equipos originales son conscientes de estos hallazgos y ya no especifican este tipo de arandelas en sus normas internas. Sin embargo, a juzgar por el uso continuo de estas lavadoras, muchas organizaciones parecen desconocer estos hallazgos.
Muchos dispositivos de bloqueo para sujetadores roscados se basan en evitar el movimiento relativo de la rosca entre el perno y la tuerca (como con las tuercas de inserción de nailon) o en evitar el movimiento de la tuerca con respecto a la junta (como con varios tipos de arandelas de 'seguridad'). ). Sin embargo, Junker y otros investigadores posteriores han señalado la importancia de prevenir el movimiento lateral de las articulaciones. Las uniones atornilladas están diseñadas de manera que la fuerza de sujeción de los pernos sea suficiente para evitar el movimiento lateral causado por la fricción entre las placas de la unión y evitar el aflojamiento. Esto se puede lograr en la etapa de diseño seleccionando el tamaño y la resistencia del sujetador de manera que la precarga pueda generar suficiente fricción para evitar que cargas externas provoquen el movimiento de la junta.
Con respecto al fenómeno de autoaflojamiento en sujetadores roscados, generalmente se cree que el movimiento de la junta, especialmente el deslizamiento lateral entre las roscas del perno y la superficie de apoyo, es la causa principal, y la vibración no es el factor más crítico. Si se puede obtener suficiente precarga del perno para mantener la junta estacionaria, entonces no hay necesidad de dispositivos de bloqueo adicionales porque la fricción es suficiente para mantener las piezas firmemente juntas. Al diseñar con sujetadores roscados, la cuestión principal es garantizar que la precarga sea suficiente para mantener las piezas firmemente en su lugar incluso ante condiciones cambiantes de fricción. La siguiente figura muestra el efecto de los cambios de fricción en la precarga del perno. Normalmente, las especificaciones de apriete establecen un rango de torsión para cumplir con los requisitos de ensamblaje de la junta teniendo en cuenta la economía. Teniendo en cuenta este rango de par, así como los posibles pares principales (con límites máximo y mínimo), se puede dibujar un diagrama que muestra la variación de la precarga debido a las diferentes especificaciones de montaje. Diseñar la unión de acuerdo con la precarga mínima esperada generada por los pernos elimina efectivamente el riesgo de aflojamiento. Por otro lado, si no se aplica el 'factor de seguridad' y el diseño se basa en la precarga promedio, es probable que muchos pernos se aflojen. Además, se debe tener en cuenta la pérdida de precarga debido a la incrustación en el área roscada y debajo de la cabeza del perno y la cara de la tuerca cuando la superficie de contacto se asienta. Para controlar el empotramiento, es necesario asegurarse de que las tensiones de soporte en la cara de la tuerca, la cabeza del perno y el interior de la junta estén siempre dentro del rango máximo de tensiones de soporte permitido por los materiales sujetados. En algunos casos en los que no se puede evitar el movimiento de las articulaciones, como el movimiento de las articulaciones causado por la expansión térmica, se deben utilizar dispositivos de bloqueo confiables.
