Mecanismo de aflojamiento de sujetadores roscados

Casi todos los productos de ingeniería de diversa complejidad utilizan roscas. sujetadores. En comparación con la mayoría de los otros métodos de conexión, una ventaja clave de los sujetadores roscados es que se pueden desmontar y reutilizar.

Esta característica suele ser la razón por la que se prefieren los sujetadores roscados a otros métodos de conexión y, a menudo, desempeñan un papel crucial en el mantenimiento de la integridad estructural de los productos.

Sin embargo, también son una fuente importante de problemas en la maquinaria y otros componentes. La causa de estos problemas reside en su mecanismo de autoaflojamiento. Este mecanismo de autoaflojamiento ha sido un problema durante mucho tiempo y, durante los últimos 150 años, los diseñadores han estado desarrollando métodos para evitar que esto ocurra.

Muchos tipos comunes de métodos de bloqueo para sujetadores roscados se inventaron hace más de 100 años, pero sólo en los últimos años se han comprendido los principales mecanismos que conducen al autoaflojamiento. Existen muchos mecanismos que pueden hacer que los sujetadores roscados se aflojen, que se pueden dividir en aflojamiento rotacional y aflojamiento no rotacional.

Aflojamiento rotacional y no rotacional

En la gran mayoría de aplicaciones, los sujetadores roscados se aprietan y se aplica precarga a la conexión. El aflojamiento puede entenderse como la pérdida posterior de precarga una vez finalizado el proceso de apriete. Esto puede ocurrir de dos maneras:

El aflojamiento rotacional, comúnmente denominado autoaflojamiento, se refiere a la rotación del sujetador bajo la acción de cargas externas.

El aflojamiento no rotacional se refiere a la pérdida de precarga sin movimiento relativo entre las roscas interna y externa.

Aflojamiento del sujetador causado por aflojamiento no rotacional

Puede producirse un aflojamiento no giratorio debido a la deformación del propio sujetador o de los componentes conectados después del montaje. Este es el resultado del colapso plástico parcial de estas interfaces.

Vista ampliada del contacto de superficie rugosa

Cuando dos superficies están en contacto entre sí, cada superficie soporta la carga de la superficie de apoyo. Debido a que el área de contacto real es mucho menor que el área de la superficie, incluso bajo cargas moderadas, se soportan continuamente tensiones locales muy altas, que exceden el límite elástico del material.

Esto puede provocar un colapso parcial de la superficie una vez completada la operación de apriete; este colapso se suele denominar empotramiento.

La cantidad de fuerza de sujeción perdida debido al empotramiento depende de la rigidez del perno y de los componentes conectados, el número de superficies de contacto presentes en la conexión, la rugosidad de la superficie y la tensión aplicada en la superficie de apoyo.

En condiciones de tensión superficial moderada, el empotramiento generalmente causa una pérdida de fuerza de sujeción de aproximadamente 1% a 5% dentro de los primeros segundos después de apretar la unión. Cuando la junta se somete posteriormente a cargas dinámicas aplicadas, la fuerza de sujeción puede disminuir aún más debido a los cambios de presión que se producen en la superficie de contacto de la junta.

Si la tensión de soporte de la superficie se mantiene por debajo del límite elástico de compresión del material del componente conectado, la cantidad de pérdida por empotramiento se puede calcular y compensar en el diseño de la conexión.

La teoría de Junker sobre el autoaflojamiento del elemento de fijación

En 1969, Gerhard Junker utilizó los resultados de pruebas de ingeniería para fundamentar su teoría sobre por qué las uniones roscadas se aflojan automáticamente. Su hallazgo clave fue que una vez que se produce un movimiento relativo entre las roscas coincidentes y entre la superficie de apoyo del sujetador y el material de sujeción, el sujetador precargado se aflojará debido a la rotación.

También se encontró que las cargas dinámicas transversales causan un aflojamiento más severo que las cargas dinámicas axiales. La razón es que el movimiento radial bajo cargas axiales es significativamente menor que bajo cargas transversales.

Movimiento transversal de conexiones atornilladas

Junker demostró que un sujetador precargado se afloja automáticamente cuando se produce un movimiento relativo entre las roscas coincidentes y la superficie de apoyo del sujetador. Esto sucede cuando la fuerza transversal que actúa sobre la articulación es mayor que la fuerza de fricción generada por la precarga del perno.

En caso de pequeños desplazamientos transversales pueden producirse movimientos relativos entre los flancos de rosca y las superficies de apoyo. Una vez superada la holgura de la rosca, el perno quedará sujeto a fuerzas de flexión y, si persiste el deslizamiento transversal, se producirá deslizamiento en la superficie de apoyo debajo de la cabeza del perno.

Una vez iniciado, temporalmente no habrá fricción en las roscas ni debajo de la cabeza del perno. El par de aflojamiento automático generado por la precarga que actúa sobre el ángulo de la hélice de la rosca provoca la rotación correspondiente entre la tuerca y el perno. Con movimientos transversales repetidos, este mecanismo puede provocar un aflojamiento completo del sujetador.

Para estudiar las causas del aflojamiento, Junker desarrolló una máquina de prueba, como se muestra en la figura siguiente, que cuantifica la eficacia antiaflojamiento de los diseños de sujetadores.

Máquina de prueba de sujetadores Junker

Los rodamientos de bolas se utilizan para eliminar el efecto de fricción entre las placas fijas y móviles. Cuando se aplica un movimiento transversal desde la placa móvil que sujeta la tuerca, la celda de carga monitorea continuamente la carga del perno.

En comparación con los estándares de prueba de vibración ordinarios, la pérdida de precarga se puede medir durante la prueba y se puede trazar un gráfico de precarga versus número de ciclos.

El principio de la máquina Junker es que el desplazamiento transversal generado por la leva hace que el sujetador oscile, superando la fuerza de fricción del sujetador para producir un aflojamiento.

Captura de pantalla de la máquina de pruebas Junker

Curva de aflojamiento del ensayo de vibración Junker

Mediante las pruebas Junker, se puede comparar el rendimiento de varios diseños antiaflojamiento de sujetadores. Durante las últimas dos décadas, se han completado una gran cantidad de estudios sobre diseños antiaflojamiento de sujetadores existentes para comparar sus propiedades antiaflojamiento.

Para una comparación eficaz, es fundamental utilizar la misma amplitud de vibración, ya que esto tiene un impacto significativo en los resultados. La siguiente figura muestra un resultado de prueba típico de una arandela elástica.

La prueba demostró que colocar una arandela de resorte helicoidal debajo de la cabeza del perno en realidad aceleraba el aflojamiento. Otros también han demostrado que el uso de dichas arandelas tiene un rendimiento similar al uso de pernos sin ningún dispositivo de bloqueo.

Muchos grandes fabricantes de equipos originales, conscientes de estos hallazgos, ya no especifican este tipo de arandelas en sus normas internas.

Muchos dispositivos de bloqueo utilizados para sujetadores roscados se basan en evitar el movimiento relativo entre las roscas (por ejemplo, tuercas de seguridad de nailon) o el movimiento relativo entre la superficie de apoyo y los componentes conectados (por ejemplo, varios tipos de arandelas de "bloqueo").

Sin embargo, tanto Junker como otros investigadores posteriores han señalado la importancia de evitar el movimiento transversal de la articulación: un diseño adecuado de la conexión atornillada garantiza que la fuerza de sujeción del perno sea suficiente para evitar el movimiento transversal debido a la fricción de las placas de conexión, evitando así el aflojamiento.

Durante la fase de diseño, esto se puede lograr seleccionando el tamaño y la resistencia adecuados del sujetador para que la precarga pueda generar suficiente fricción para resistir el movimiento de la junta causado por cargas externas.

Al diablo con la conclusión de Jun

La causa fundamental del aflojamiento de los tornillos roscados es el movimiento de las articulaciones, especialmente el deslizamiento transversal de los tornillos.roscas de pernoy superficies de apoyo. Si se puede obtener suficiente precarga del perno para evitar el movimiento de la articulación, no se necesita ningún dispositivo de bloqueo, ya que la fricción mantendrá las piezas juntas.

El principal problema en el diseño de sujetadores roscados es garantizar que la precarga sea suficiente para mantener las piezas firmemente unidas cuando se incluyen cambios en las condiciones de fricción.

Este gráfico muestra el efecto de los cambios de fricción en la precarga del perno.

La clave para evitar que se afloje es proporcionar suficiente precarga del perno

Generalmente, las uniones deben diseñarse en base a la precarga mínima generada al máximo coeficiente de fricción; diseñar utilizando el valor de precarga promedio conducirá a que se aflojen muchos pernos.

Al mismo tiempo, también es necesario considerar la pérdida de precarga provocada por el empotramiento. Para limitar la cantidad de empotramiento, es necesario garantizar el rango de tensión máximo que puede soportar el material sujetado.

En los casos en los que no se pueda evitar el movimiento de la junta, por ejemplo, en presencia de expansión térmica, se debe especificar un dispositivo de bloqueo con capacidad probada.