La interacción de fuerzas en una unión roscada

 

¿Qué es una unión roscada?

La unión roscada es un sistema de unión desmontable basado en la combinación de dos piezas, en una de las cuales (habitualmente llamada tornillo, perno o espárrago) se ha labrado una rosca  helicoidal por el exterior  y en la otra (habitualmente llamada tuerca) una rosca helicoidal complementaria por el interior. Para realizar la unión hay que girar el tornillo respecto a la tuerca alrededor del eje de la hélice. Habitualmente el sistema incluye una o más piezas entre el tornillo y la tuerca que quedan comprimidas y unidas entre sí al apretar el tornillo sobre la tuerca. Por supuesto, es deseable que las uniones roscadas sean confiables y que no haya riesgo de soltarse solas. Para un alto grado de confiabilidad, es extremadamente importante que tenga cierta comprensión de las fuerzas que pueden ocurrir en una unión roscada. Esto porque todos los elementos de la unión influencian el resultado final

 

De forma simple, existen dos tipos de carga estática posibles en una unión roscada:
Figura 1
  • Sin fuerza de apriete – La fuerza se transmite entre las placas por fuerzas perturbadoras y por fuerzas de corte en el cuerpo del tornillo o en la rosca. Las placas que deben ser conectadas se mueven relativamente unas a otras hasta que los agujeros quedan contra el cuerpo del tornillo o contra la rosca. En este caso, los tornillos tienen carga de corte (carga transversal), figura 1.

 

 

Figura 2

 

  • Con una fuerza de apriete elevada – Esta fuerza de apriete impide que las partes que están fijas se desplomen. La fuerza es transferida por fricción. Los tornillos se cargan en extensión (carga axial), figura 2.

 

Generalmente, un desplazamiento mutuo de las partes a fijar no es deseable. Debemos, por lo tanto, aplicar fuerza de apriete suficiente en la unión atornillada. Esto es la precarga, que se alcanza después de que la tuerca o el tornillo se hayan apretado.
Si las fuerzas en la estructura cambian regularmente de dirección o no son constantes, entonces hay una carga dinámica. Se mostrará abajo que una carga dinámica puede ser una de las razones para que las uniones atornilladas se aflojen o incluso para que los tornillos se rompan. Para que una unión cumpla su función, especialmente si una carga dinámica está presente, la fuerza de apriete debe mantenerse.
Una unión roscada es una unidad elásticamente resistente
Al diseñar y hacer una unión roscada, es muy importante entender:
  • Los tornillos y las piezas que están conectadas para funcionar como una unidad resistente elásticamente: los elementos se presionan elásticamente comprimidos, mientras que el tornillo se estira durante el montaje. Si el tornillo se estira aún más debido a una carga externa, harán efecto de muelle;
  • La fuerza de tensión en los tornillos también es igual a la fuerza de presión de los elementos fijados. Podemos ilustrar esto en base a la figura 3

 

 

Figura 3

Fpm= fuerza de tensión en el tornillo
Fsm= fuerza de presión en los elementos fijados.
La interacción de fuerzas y deformación se presenta en un llamado triángulo de fuerza / deformación, ver gráfico A (abajo). La línea 1 en el gráfico muestra la deformación que un tornillo sufre debido a una fuerza de tracción. La línea 2 se refiere al conjunto apretado que se deforma bajo la influencia de la fuerza de presión debido al tornillo.
fsm= estiramiento del tornillo debido a la fuerza de apriete Fm
 fpm= compresión de los elementos fijados debido a la fuerza de apriete Fm.
En el gráfico anterior se puede ver que una fuerza de apriete Fm el estiramiento del tornillo es igual a fsm y la compresión de las partes fijas fpm. Porque los materiales utilizados para los tornillos y las piezas a fijar son diferentes, así como el diseño, fsm y fpm generalmente no son iguales.
Para esta unión roscada aplicamos una carga externa Fa, ver figura 4.
ver figura 4.
Si trazamos esa fuerza de tracción externa Fa en gráfico A, entonces tendrá que ser encajada entre ambas características de deformación. Si el tornillo se extiende debido a la fuerza externa, el material a fijar va a reaccionar el equivalente, ver gráfico B.
Fm = fuerzas de apriete original en el acoplamiento
Fa  = carga axial externa
Fpa = reducción en la fuerza de apriete debido a Fa
Fsa = aumento en la carga del tornillo debido a Fa
Fkr = fuerza de apriete residual en la unión
Fs  = carga total en el tornillo.
Un tornillo más elástico causará un aumento menor de la carga del tornillo.
Por un lado, Fa produce una reducción en la fuerza de apriete (Fpa) y por otro lado, provoca un aumento de la carga en el tornillo (Fsa).
Es deseable que el aumento de carga sea el menor posible, no sólo para evitar que el tornillo quede con sobrecarga. Esto es porque, si la carga externa es dinámica, el tornillo va a sentir sólo las fluctuaciones en Fsa. Si la amplitud de esta fuerza Fsa es grande, esto puede pronto dar lugar a la fractura debido a la fatiga. Además, la fuerza de apriete residual Fkr nunca debe convertirse en cero! Si esto ocurre, la conexión se va a partir.
El aumento en la carga del tornillo Fsa puede ser limitado, en la medida de lo posible, usando un tornillo muy elástico. Como resultado, la curva de deformación del tornillo es menos inclinada. Lo que vemos es que la fuerza externa es absorbida mucho más por una reducción en la fuerza de apriete, ver gráfico C.
Se obtiene el mismo efecto utilizando materiales a fijar muy rígidos: como resultado, la curva de deformación de los materiales a fijar se vuelve muy empinada y la fuerza externa es casi completamente absorbida por una reducción en la fuerza de apriete, ver gráfico D.
Los materiales a fijar más rígidos causarán un aumento menor de la carga del Tornillo.
En particular con una carga dinámica es extremamente importante mantener cualquier carga adicional en el tornillo lo más bajo posible: debido a la fatiga, la fractura repentina puede ocurrir.
Con una carga externa, con el fin de limitar la fuerza adicional en el tornillo, tanto como sea posible:
  • Los miembros estructurales deben ser lo más rígidos posible.
  • Los tornillos elásticos se pueden utilizar:
    • Elija una relación alta de, longitud de apriete/diámetro (≥ 5xD)
    • Seleccione una longitud de rosca mayor
    • Si es necesario, utilice un diámetro reducido del vástago (tornillos de vástago reducido)
  • La fuerza de apriete debe ser tan grande como sea posible, definitivamente mayor que la carga externa.
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