Principio de par de pernos y seis métodos de control de apriete

En condiciones de montaje reales, la fuerza de sujeción entre los componentes conectados y la precarga axial de los pernos no se pueden medir directamente ni controlar con precisión. Por lo tanto, la industria generalmente adopta métodos de control indirecto basados ​​en el par para lograr un control de precarga estandarizado. Este artículo explica sistemáticamente los principales métodos de control de apriete de pernos basados ​​en la relación mecánica entre el par y la fuerza de sujeción durante el apriete.

1. Principio de torsión de perno y fuerza de sujeción

Cuando se aplica un par de apriete a un perno, el vástago se estira elásticamente, generando una fuerza de sujeción axial para sujetar la junta. La fórmula básica del torque se define como: Torque (M)=Fuerza (F) × Momento Brazo (L). En teoría, un ángulo de rotación mayor produce un par mayor; sin embargo, la mayor parte del par aplicado se consume por la fricción en el funcionamiento real.

El apriete general de los pernos sigue lasRegla de distribución de par 50-40-10: El 50% del torque supera la fricción debajo de la cabeza del perno, el 40% supera la fricción del par de roscas y solo el 10% se convierte efectivamente en fuerza de sujeción axial utilizable.

Por ejemplo, cuando un perno se aprieta a 10 N·m según los requisitos del proceso, solo aproximadamente 1 N·m contribuye a una sujeción axial efectiva, mientras que la mayor parte del par se pierde por fricción.

Esta relación de distribución de par no es fija. Los daños en las roscas, las rebabas, la suciedad y los contaminantes de la superficie aumentarán significativamente la pérdida por fricción. En condiciones de rosca defectuosa, la distribución cambia a 50% de fricción en la cabeza, 45% de fricción en la rosca y solo 5% de fuerza de sujeción efectiva.

En tales casos, aunque el par de apriete controlado cumple con el estándar, la fuerza de apriete real es muy insuficiente, lo que resulta enfalso apriete. Cuando se aplica a piezas móviles de alta velocidad, como volantes y cigüeñales, un ajuste incorrecto provoca fácilmente que los pernos se aflojen o se desprendan y provoca fallas en el equipo.

Además de los defectos en las roscas, las juntas elásticas blandas también provocan una disminución del par y una pérdida de precarga, lo que se conoce como atenuación del par de las juntas blandas. Los componentes blandos comunes, como las juntas de culata y las juntas del cárter de aceite, se deforman y relajan bajo una compresión continua, lo que da como resultado una reducción gradual de la precarga. Los procesos de reapriete secundario se adoptan ampliamente para minimizar la atenuación de la fuerza de sujeción en conjuntos de juntas blandas.

Un par más alto no siempre significa una mejor sujeción. Un apriete excesivo estira el perno más allá de su límite elástico e induce deformación plástica. Una vez que la tensión excede el límite elástico, el perno sufre una fractura permanente y pierde completamente la capacidad de sujeción.

2. Seis métodos convencionales de control de apriete de pernos

2.1 Método de control de par

El método de control de torque es la estrategia de apriete más simple y más utilizada. Su principio básico es la relación proporcional entre el par de apriete y la precarga axial, expresada por la fórmula:T=K·F, donde T=par de apriete, F=precarga axial y K=coeficiente de par.

Una vez finalizado el diseño del perno, se fija la precarga axial objetivo F y se puede calibrar el par de apriete estándar T. Sin embargo, los valores de par calificados no siempre garantizan una calidad de montaje calificada, principalmente debido a las fluctuaciones en el coeficiente de par K.

El coeficiente de torsión K es muy sensible al coeficiente de fricción integral, que se ve afectado por la precisión del perno, el daño de la rosca, la contaminación y las condiciones de la superficie. La temperatura también juega un papel crítico. Los experimentos de Sumitomo Japón demuestran que el coeficiente de par K disminuye en un 0,31% por cada aumento de 1 grado en la temperatura ambiente.

Según los informes de pruebas de la VDI (Asociación de Ingenieros Alemanes), incluso con un error de par cero, el error de precarga axial bajo control de par puro puede alcanzar ±27,2%, lo que indica una precisión limitada.

Características de la aplicación: El apriete se realiza dentro deltornillo región elástica. El par objetivo generalmente se establece entre el 50% y el 85% del par elástico. Aproximadamente el 90 % del par aplicado supera la fricción, lo que da como resultado una precisión de precarga de ±25 %.

Ventajas: Operación simple, bajo costo e inspeccionable con llaves dinamométricas estándar, aptas para montaje general masivo.

Desventajas: Baja precisión de apriete, utilización insuficiente del material y alta susceptibilidad a la temperatura, las condiciones de la rosca y la contaminación de la superficie, lo que conduce a una estabilidad deficiente.

2.2 Método de control de ángulo de torsión (método TA/control superelástico)

El método de control del ángulo de torsión es una estrategia mejorada de apriete de alta precisión basada en un control de torsión básico. El proceso consta de dos etapas: primero, apriete el perno a un par preliminar preestablecido (normalmente entre el 40 % y el 60 % del par estándar, determinado mediante la validación del proceso) para eliminar los espacios en las juntas y garantizar un contacto total con la superficie; luego gire el perno en un ángulo específico para lograr un alargamiento axial preciso.

La rotación de ángulo fijo controla con precisión el alargamiento del perno y la compresión de la junta, eliminando el contacto superficial desigual y la inconsistencia de la fricción. En la segunda etapa de apriete, la precarga se determina con precisión mediante el ángulo de rotación, lo que reduce en gran medida la interferencia de fricción y logra una precisión mucho mayor que el control puro del par.

Este método requiere herramientas de apriete eléctricas equipadas con motores, engranajes y sensores de alta precisión para establecer con precisión el par preliminar y los ángulos de rotación para líneas de producción de precisión.

Características de la aplicación: Apriete en dos etapas (inicialización del par + rotación del ángulo) dentro del rango elástico. Los parámetros iniciales de torsión y ángulo requieren una calibración experimental. La precisión de la precarga alcanza ±15%.

Ventajas: Mayor precisión de apriete y fuerza de sujeción axial estable, adecuada para ensamblaje de componentes de precisión media y alta.

Desventajas: Sistema de control complejo que requiere doble control del par y del ángulo; Difícil verificación de la calidad con herramientas de inspección convencionales.

2.3 Método de control del punto de fluencia (método TG)

El método de control del límite elástico es una tecnología de apriete de alta precisión basada en las propiedades plásticas del material. Monitorea continuamente la pendiente de la curva de torsión-ángulo para identificar el umbral de fluencia del perno y deja de apretar inmediatamente al alcanzar el punto de fluencia.

En la etapa de apriete inicial, la pendiente del ángulo de torsión aumenta rápidamente y luego se estabiliza dentro del rango elástico. A medida que el perno se acerca a la fluencia plástica, la pendiente disminuye gradualmente. El apriete se detiene automáticamente cuando la pendiente desciende al 50% de su valor máximo, indicando el límite elástico.

En comparación con el apriete de la región elástica, el apriete de la región de fluencia minimiza los errores de precarga causados ​​por la desviación del ángulo, maximiza la utilización del material y elimina la interferencia de fricción.

Características de la aplicación: Monitoreo de gradiente y torque en tiempo real; precisión de precarga dentro de ±8%; Los pernos alcanzan un estado de rendimiento crítico y no se pueden reutilizar después de apretarlos.

Ventajas: Precisión extremadamente alta, excelente estabilidad de precarga y pleno aprovechamiento de la resistencia mecánica del perno.

Desventajas: Requiere equipos de precisión de alta gama con costos elevados; depende en gran medida del límite elástico constante del perno y de la calidad de la materia prima.

2.4 Método de control del ángulo del punto del asiento (método SPA)

El método Seat-Point Angle (SPA) es una técnica avanzada de apriete de alta precisión optimizada a partir del método TA convencional. A diferencia del punto de partida de par fijo utilizado en el control TA, SPA calcula el origen preciso del asiento a través de la intersección de la pendiente lineal de la curva de par y el eje horizontal, eliminando la desviación del par inicial.

Las pruebas confirman que las curvas de torsión-ángulo varían significativamente bajo diferentes coeficientes de fricción, mientras que el punto de referencia del asiento permanece casi constante. La rotación desde un punto de asiento unificado elimina eficazmente los errores de precarga causados ​​por las diferencias de fricción y la desviación del par inicial, lo que ofrece una mayor precisión que el método TA.

Ventajas principales: Compensa los errores de torsión y las perturbaciones de fricción en las primeras etapas, mejorando significativamente la consistencia y la precisión del apriete para aplicaciones de alta confiabilidad, como el ensamblaje de equipos de precisión y aeroespaciales.

2.5 Método de control del alargamiento del perno (método de control de calidad)

El método de control del alargamiento del perno determina directamentetornillo precarga midiendo el alargamiento del vástago. La detección ultrasónica es el enfoque principal, que utiliza la relación lineal entre la frecuencia del eco ultrasónico y la longitud de estiramiento del perno para cuantificar con precisión el estado de elongación y rendimiento.

Este método evita la interferencia indirecta del torque y la fricción, con solo errores menores causados ​​por diferencias individuales en el límite elástico de los pernos. Cabe señalar que las curvas de frecuencia ultrasónica difieren durante el ajuste y el aflojamiento; la frecuencia de aumento bajo precarga es menor que la frecuencia de liberación durante el aflojamiento, lo que requiere una calibración diferenciada.

2.6 Método de control del gradiente de par

El método de control del gradiente de torsión monitorea los cambios de pendiente en tiempo real de la curva de torsión-ángulo para controlar con precisión la precarga inicial, apuntando a la fuerza axial de fluencia del perno. Se aplica en ensamblajes de alto estándar que requieren una dispersión mínima de la precarga y una utilización máxima de la resistencia del material.

Su lógica de control es similar al control del ángulo de la región plástica, pero proporciona una regulación más precisa del límite elástico, lo que reduce la degradación del rendimiento causada por la deformación plástica repetida. Ofrece una estabilidad superior en comparación con los métodos tradicionales de ajuste de plástico.

Desventajas: Requiere equipos de apriete sofisticados y costosos con requisitos de depuración y calibración de procesos de alta precisión.