Influencia del tratamiento superficial en el apriete de pernos

Análisis teórico del impacto del coeficiente de fricción en el consumo de energía

Analizar la influencia del coeficiente de fricción en el consumo de energía durante el apriete de pernos, incluida la pérdida de energía en la fricción de la cabeza del perno, la fricción de la rosca y el trabajo de precarga. Se realizó un análisis experimental sobre la relación entre diferentes tratamientos superficiales, coeficientes de fricción de sujetadores roscados y la relación par-precarga.

Los hallazgos revelaron cómo el espesor del revestimiento de zinc y diversos tratamientos de cromato afectan los coeficientes de fricción y los coeficientes de torsión. Se observó que la reducción del coeficiente de fricción mejora significativamente la tensión axial, lo cual es crucial para mejorar la eficiencia de los pernos.

Figuras:

- Figura 1: Análisis de fuerza de fricción en superficies planas y de ranura

- Figura 2: Análisis de fuerza de la junta de tornillo triangular

1. Análisis teórico del impacto del coeficiente de fricción en el coeficiente de par

Cálculo del par en el apriete de conexiones de pernos:

La fricción en uniones roscadas de rosca triangular se puede dividir en fricción plana, fricción plana inclinada y fricción de superficie de ranura según la forma de la superficie de contacto. Para simplificar, la fricción se calcula como si todos los contactos ocurrieran a lo largo de un solo plano (Figura 1). La fórmula unificada se expresa como:

Donde los coeficientes de par son:

2. Análisis experimental del impacto del tratamiento superficial en el coeficiente de torsión

Utilizando un sistema multifuncional de análisis de fijación de pernos de la empresa alemana Schatz, la relación entre la fuerza de sujeción y el par se mide en tiempo real. Este sistema también calcula los coeficientes de fricción para la cabeza del perno y la rosca. Se realizaron estudios experimentales en pernos con espesores de galvanizado y tratamientos de cromado comunes.

Parámetros experimentales:

Pernos probados: , grado de resistencia 10.9, tratamientos superficiales:

Los valores promedio de 20 conjuntos de datos por tratamiento se muestran en la Tabla 2.

Resultados y Análisis:

1. Espesor del galvanizado y tratamiento de cromato:

- Para los pernos tratados con , el aumento del espesor de zinc de 5 μm a 12 μm no mostró cambios significativos en el coeficiente de fricción de la cabeza del perno, pero aumentó el coeficiente de fricción de la rosca en un 12,4 % y el coeficiente de torsión en un 4,75 %.

- Para , un espesor de zinc similar aumenta el coeficiente de fricción de la rosca elevada en un 20,34 % y el coeficiente de torsión en un 5,23 %.

2. Comparación de tratamientos con cromato:

- Los pernos con tratamiento tuvieron coeficientes de fricción significativamente más altos en comparación con. Las reducciones en la fricción de la cabeza del perno (40%) y la fricción de la rosca (50%) llevaron a una disminución del 40% en el coeficiente de torsión.

Figura 3: Coeficientes de fricción de pernos con diferentes tratamientos superficiales.

3. Impacto del tratamiento superficial en la resistencia permitida del perno

Durante el apriete, los sujetadores roscados experimentan esfuerzos combinados de torsión y tracción. Con base en la tercera teoría de la resistencia, la tensión equivalente permitida se calcula como:

Al reducir el esfuerzo cortante torsional debido a las pérdidas por fricción, se convierte más torque en precarga, lo que mejora el estrés axial. El análisis muestra:

- La reducción de los coeficientes de fricción aumenta la relación de conversión de par a precarga en un 43%.

- Para tornillos con y, la tensión axial máxima aumentó un 4% con un par de apriete de 200 N·m.

- En comparación con , la reducción del coeficiente de fricción en un 45 % aumentó la fuerza axial máxima en un 38,9 %.

4. Conclusión

1. Impacto del coeficiente de fricción:

Pequeños cambios en los coeficientes de fricción afectan significativamente la distribución de energía durante el apriete y la fuerza de precarga.

2. Análisis del tratamiento superficial:

Las capas de zinc más gruesas aumentan los coeficientes de fricción. El tratamiento con cromato mostró una menor fricción en comparación con.

3. Mejoras de eficiencia:

Los pernos con tratamiento lograron una mayor precarga axial con menos energía, optimizando la eficiencia.

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