Cómo obtener la fuerza de compresión adecuada en montajes con tornillos

Cuando compramos una tuerca y un tornillo compramos, con pocas excepciones, sólo una cosa: la fuerza de compresión adecuada. Queremos predecir cuál será la fuerza y por cuánto tiempo esta permanecerá. Además, pasado un tiempo, es posible que queramos eliminar la fuerza de compresión. Las tuercas y tornillos desempeñan bien esta función, sin embargo, deben proyectarse de forma adecuada con el objetivo de entregar resultados satisfactorios a largo plazo.

Una rosca o un tornillo puede apretarse mediante la aplicación de torque en la cabeza. Los torques en el sentido de las horas del reloj disminuyen la distancia desde el tornillo a la tuerca. Si se detecta una resistencia (por ejemplo, fijando un empalme), el tornillo continuará girando hasta obtener un balance entre el torque aplicado y la reacción del montaje. Existen tres componentes que contribuyen al torque de reacción: el roce bajo la cabeza del tornillo, entre las roscas de unión y un torque originado por la tensión del tornillo. La distribución del torque entre estos tres factores se muestra a continuación:

Cómo obtener la fuerza de compresión adecuada en montajes con tornillos

La imagen muestra cómo las fuerzas actúan en el montaje roscado.

La relación del equilibrio con frecuencia se expresa de forma matemática agregar

Donde

T = Torque

D = Diámetro nominal del tornillo

F = Fuerza inducida o carga de compresión

K = Constante empírica, que considera el roce, el diámetro variable bajo el asiento y el de las rocas, donde actúa el roce. (No es el coeficiente de roce, aunque esté relacionado con el mismo.)

Cómo obtener la fuerza de compresión adecuada en montajes con tornillos

Absorción del torque en un tornillo montado.

Los valores de K pueden determinarse de forma experimental como se indica a continuación:

Cómo obtener la fuerza de compresión adecuada en montajes con tornillos

Valores típicos de K-trabas químicas lubricantes en materiales diversos.

La variación del roce y, por lo tanto, K, es amplia pues es el resultado de la presión extremadamente alta entre las superficies, las cuales pueden ser ásperas, lisas, oxidadas, tratadas químicamente y/o lubricadas. El acero aceitado posee un K que varía entre 0,11 y 0,17 ó +/- 20%. El roce total absorbe 80-90% del torque de apriete. Es decir, es prudente probar una combinación específica en un dispositivo de prueba para determinar los valores de torque adecuados y para asegurar un control perfecto de la tensión en el tornillo. Los datos técnicos de los lubricantes y otros materiales utilizados en el tratamiento de la rosca con frecuencia tendrán los valores K pueden trazarse gráficos de tensión vs. torque, tal como la imagen que puede verse más abajo. Estos valores se obtuvieron en tuercas y tornillos 3/8 x 16 (aproximadamente M10), donde la tuerca fue redondeada. Tanto las roscas como la cara de la tuerca fueron lubricadas. Las superficies de soporte no lubricadas, tanto de tuercas como de cabezas de tornillos, pueden casi duplicar el valor de K. Los traba roscas químicos, como los fijadores de la marca Loctite producen curvas de tensión vs. torque controladas y por esto son excelentes para la producción en serie. Los factores que influyen en el valor de K son: materiales de los elementos de fijación y empalmes, velocidad de montaje, calidad del tornillo, traba química seleccionada, tolerancia de la rosca y acabado superficial.

Cómo obtener la fuerza de compresión adecuada en montajes con tornillos

Tensión x Torque.

Tensión x Torque. Para una fuerza F requerida para montaje, el proyectista necesita escoger el elemento de fijación apropiado. La fuerza aplicada en el montaje se relaciona con la tensión en el tornillo S mediante la siguiente fórmula:

S=F/A

Donde A es el área de sección transversal del tornillo o, normalmente, la suma de las áreas de varios tornillos utilizados para proveer la fuerza de compresión. Si el material del tornillo resulta ser una pre-condición, se obtendrá el mejor valor de S (frecuentemente se usa 75% de la fuerza de prueba) y, de este modo, puede calcularse. Esto quiere decir que el tamaño y la cantidad de tornillos puede determinarse a partir de la fórmula de tensión del torque:

T=KDF

T=KDF El torque de apriete producirá una tensión de cizallamiento torsional en el tornillo. Si esta excede la tensión nominal del tornillo, será necesario aumentar la cantidad de tornillos, lo que de esta forma reducirá la demanda de cada tornillo de manera individual. Los cálculos pueden efectuarse de manera inversa a la que se utilizó en la determinación del número de tornillos para determinar el material del tornillo a utilizar.

En la práctica, el valor de K es específico de la aplicación y necesita determinarse empíricamente para cada situación.

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