¿Por qué los pernos se aprietan más cuanto más los aprietas?

En ingeniería mecánica, la falla de un perno es un problema común y sus causas generalmente se analizan desde cuatro aspectos principales: la calidad del perno, el par de precarga, la resistencia del perno y la resistencia a la fatiga del perno. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el fallo de los pernos no se debe a una resistencia o capacidad de fatiga insuficientes, sino más bien a un aflojamiento, lo que provoca daños.

1. La falla del perno no se debe a la resistencia a la tracción

Tomando como ejemplo un perno de alta resistencia M20×80 de grado 8,8, pesa sólo 0,2 kilogramos, pero su carga de tracción mínima es de 20 toneladas, 100.000 veces su propio peso. En la práctica, este perno se utiliza normalmente para sujetar componentes que sólo pesan unos 20 kilogramos, utilizando sólo una fracción (aproximadamente el 0,001%) de su capacidad de tracción. Por lo tanto, la resistencia a la tracción del perno es más que suficiente y la falla no es causada por la resistencia del perno.

2. La falla del perno no se debe a la resistencia a la fatiga

En las pruebas de vibración lateral, los sujetadores roscados pueden aflojarse después de menos de 100 ciclos. Sin embargo, en las pruebas de fatiga, deben soportar millones de ciclos. En otras palabras, el sujetador se afloja después de experimentar sólo una pequeña fracción (1/10.000) de su resistencia a la fatiga. Por tanto, el aflojamiento del perno no es el resultado de una resistencia a la fatiga insuficiente.

3. La verdadera causa de la falla del perno: aflojamiento

Cuando un perno se afloja, genera una energía cinética significativa (mv²), que impacta directamente en el sujetador y sus componentes conectados, causando daños. Una vez que el sujetador falla, el equipo no puede funcionar correctamente, lo que provoca más daños. Si el sujetador se somete a una fuerza axial, las roscas pueden dañarse y provocar que el perno se rompa. Cuando se somete a fuerzas radiales, el perno puede romperse y el orificio del perno puede deformarse hasta adoptar una forma ovalada.

4. La clave para resolver el problema: medidas eficaces contra el aflojamiento

Por ejemplo, en el martillo hidráulico GT80, los pernos de la placa lateral son pernos M42 de grado 10,9 con una resistencia a la tracción de 110 toneladas cada uno, y la precarga se establece en el 50% de la resistencia a la tracción (alrededor de 300 a 400 toneladas). A pesar de esto, los tornillos siguen fallando. La solución no es simplemente aumentar el diámetro o la resistencia del perno, sino mejorar las medidas antiaflojamiento. La causa fundamental de la falla del perno no es la resistencia del perno sino la incapacidad de evitar que se afloje. En resumen, los tornillos son: 'Si no se aflojan, no se romperán; pero una vez que se aflojan, se romperán'.

Análisis de las causas de aflojamiento de pernos

El aflojamiento de pernos generalmente se debe a una reducción o pérdida de la fuerza de fricción entre las roscas. Bajo carga estática, la fricción entre el par roscado asegura que el perno permanezca apretado. Sin embargo, en condiciones dinámicas como golpes, vibraciones, cargas variables o cambios significativos de temperatura, la fuerza de fricción puede disminuir o incluso desaparecer, provocando que el perno se afloje.

Métodos comunes anti-aflojamiento

Existen tres métodos principales para prevenir el aflojamiento de los pernos: métodos basados ​​en fricción, mecánicos y antiaflojamiento permanente.

1. Métodos antiaflojamiento basados ​​en fricción

1. Arandela Resorte Antiaflojamiento: Una arandela de resorte genera una fuerza de resorte continua después de comprimirse, manteniendo la fricción entre la tuerca y las roscas del perno, lo que evita que la tuerca se afloje.

2. Contratuerca (Doble Tuerca) Antiaflojamiento: Se utilizan dos tuercas para aumentar la fricción y evitar que se afloje.

3. Tuerca Autoblocante Antiaflojamiento: La tuerca está diseñada con una abertura no circular o ranurada. Cuando se aprieta, la abertura se expande y aplica fuerza adicional para comprimir los hilos.

4. Tuerca Elástica Antiaflojamiento: Un anillo elástico dentro de la tuerca proporciona fricción adicional para evitar que se afloje.

2. Métodos mecánicos antiaflojamiento

1. Tuerca ranurada y pasador antiaflojamiento: Se utiliza una tuerca ranurada o un pasador de chaveta para evitar que se afloje.

2. Arandelas de bloqueo: Después de apretar la tuerca, se dobla una arandela de seguridad de una o dos orejas contra la tuerca y la pieza conectada para evitar que se afloje.

3. Bloqueo de alambre antiaflojamiento: Se inserta un alambre de acero con bajo contenido de carbono a través de orificios en las cabezas de los pernos y se unen entre sí para evitar que se aflojen mediante enclavamiento mecánico.

3. Métodos permanentes anti-aflojamiento

1. Soldadura por puntos: La tuerca o el perno están soldados por puntos para evitar que se aflojen.

2. remachar: Los remaches se utilizan para fijar permanentemente el perno y las piezas conectadas.

3. Adhesivo Anti-Aflojamiento: Se aplica adhesivo antiaflojamiento a las roscas del perno, que cura y evita que se afloje una vez que se aprieta la tuerca.

Resumen

El aflojamiento de los pernos y la falla resultante son problemas comunes en los sistemas mecánicos, generalmente causados ​​por fuerzas dinámicas y no debido a la resistencia a la tracción o a la fatiga del perno. La clave para prevenir fallas en los pernos radica en el uso de métodos eficaces contra el aflojamiento, como soluciones basadas en fricción, mecánicas o permanentes. Las medidas antiaflojamiento adecuadas pueden mejorar significativamente la estabilidad del equipo y evitar fallas causadas por el aflojamiento de los pernos y los daños posteriores.