Siempre es una sorpresa cuando aprendes algo nuevo sobre un tema sobre el que pensabas que sabías todo. Bueno, ¿qué podría ser más básico para un ingeniero que las tuercas y los tornillos, verdad?
… ¡La clase de ciencia Fastener está en sesión!
ACTUALIZADO EN MARZO DE 2017: Me ha llamado la atención que hay datos de prueba disponibles que constituyen el argumento contrario a mi primer punto en este artículo. En aras de la transparencia y la buena discusión científica, he proporcionado enlaces a todas las fuentes mencionadas al final del punto # 1. Cuando nos enfrentamos a resultados de pruebas contradictorias, si asumimos que la metodología y la integridad de todas las fuentes no tienen fallas, es razonable concluir que sus resultados pueden variar. Muchos factores podrían afectar significativamente los resultados de las pruebas, incluidas las variaciones del proceso de fabricación, los materiales de sujeción y sujeción, el tratamiento térmico, los acabados de superficies, las condiciones ambientales y el diámetro de los pernos.
1. Las arandelas divididas han sido probadas experimentalmente como dispositivos de bloqueo ineficaces e incluso pueden ayudar a aflojarse con el tiempo. Y sin embargo, veo estas cosas en uso en todas partes , entonces, ¿qué da?
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En teoría, las arandelas divididas (también conocidas como arandelas de seguridad o arandelas de resorte helicoidales) deben funcionar aplastando entre la tuerca y la superficie de montaje cuando las aprieta. En este punto, se supone que los bordes afilados de la arandela se hunden en la tuerca y la superficie de montaje para evitar la rotación en sentido contrario a las agujas del reloj.
En la práctica, una arandela dividida no puede obtener ninguna compra contra superficies duras y en realidad no evita la rotación. El problema es que las arandelas divididas hacen que los resortes sean defectuosos y que se caigan de fondo después de solo un pequeño porcentaje (en el orden del 10%) de la carga de sujeción total de un tornillo.
Lo único El tiempo en que una arandela dividida podría ser útil sería para sujetarlo sobre superficies blandas fácilmente deformadas, como la madera, donde las arandelas elásticas y los bordes afilados podrían funcionar.
La evidencia contra lavadoras partidas comenzó a acumularse en la década de 1960 cuando un caballero llamado Gerhard Junker publicó algunos de sus experimentos de laboratorio. Inventó una máquina específicamente para probar el efecto de las vibraciones en sujetadores roscados. Lo primero que descubrió fue que las cargas de vibración transversal generan un efecto de aflojamiento mucho mayor que las vibraciones axiales. Bueno saber.
Su segundo descubrimiento se realizó trazando la tensión del perno frente a los ciclos de vibración para crear un “gráfico de decaimiento de precarga”. Cuando comparó la decadencia de precarga de un combo de arandela dividida y perno para atornillar por su soledad, descubrió que la arandela dividida hizo que la conexión se aflojara antes, como se ve a continuación. *
No se preocupe, hay mejores opciones de bloqueo disponibles. Casilleros químicos como Loctite, tuercas de rosca deformadas, y Las tuercas Nyloc deben ser tus dispositivos de bloqueo diarios. Si tiene algo de dinero para quemar, entonces las arandelas de bloqueo de cuña (Nord-lock) y
Las tuercas de brida dentadas son probablemente la mejor manera de ir.
Cuando haya vidas en la línea, es posible que desee emplear un “dispositivo de bloqueo positivo”, como una tuerca de castillo o una tuerca ranurada. Ninguna cantidad de vibración romperá este tipo de conexión:
Como es seguro que esto despertará las cosas cuando lo mencione a los chicos de la oficina, les proporcioné mis fuentes a continuación.
A) El artículo 1 n boltscience.com y el artículo 2 en Boltscience.com y el artículo 3 en Boltscience.com, todos condenan las arandelas divididas
B) archivo pdf de hillcountryengineering.com que condena lavadoras partidas
D) Video impresionante que muestra las pruebas reales y cómo se generan las tablas de decaimiento de precarga.
* E) Alternate Testing Video # 1 haciendo el argumento contrario en favor de las lavadoras divididas.
* F) Alternate Testing Video # 2 haciendo el argumento contrario a favor de las lavadoras divididas.
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# 2. Las juntas de doble tuerca con tuercas de atasco se ven afectadas por el orden de sujeción. Mientras estoy hablando de técnicas de bloqueo de pernos, compartiré otra interesante: para las conexiones de doble tuerca que involucran el uso de una contratuerca y una tuerca estándar, REALMENTE importa en qué orden las instale.
¡La tuerca de bloqueo debe ir primero! De lo contrario, la efectividad del par de tuercas se reduce considerablemente. Fuente de doble tuerca.
Antes de pasar al siguiente, necesito aclarar la diferencia entre cargas estáticas y cargas de fatiga. Las cargas estáticas no cambian con el tiempo. Si un tornillo está clasificado para rendir a 3,000 libras de tensión, cualquier carga estática menor que eso no tendrá un efecto permanente.
Sin embargo, si tuviera que variar la carga aplicada con el tiempo, puede fatigar el perno hasta que se rompa con menos de 3,000 lbs. De la misma manera en que un pequeño arroyo puede dividir el Gran Cañón, las cargas de fatiga se desgastan gradualmente en la integridad estructural de los sujetadores a lo largo del tiempo.
# 3. La relación entre la carga de fatiga y el número de ciclos hasta que se produce la falla del perno se puede predecir mediante la experimentación. Resulta que puede hacer predicciones razonablemente precisas del recuento de ciclos en caso de fallo realizando tan solo tres experimentos (aunque recomendaría hacer al menos 6 para lograr cierta precisión real). Todo lo que se necesita son unos pocos puntos de datos y una línea de regresión para crear una curva de vida de fatiga de ciclo alto (también conocida como curva SN).
No colocamos la carga estática definitiva en el gráfico, pero si lo hiciéramos sería el punto más alto en el eje de ‘carga aplicada’ y el punto cero en el eje de ‘ciclos’.
¿Por qué es esto útil? Ahora que sabe que los pernos pueden romperse por pequeñas cargas de fatiga, imagine que intenta construir un puente utilizando conexiones remachadas o atornilladas. ¿Cómo puedes confiar en que alguna vez tuviste un cierre lo suficientemente grande? Resulta que las cargas de fatiga por debajo de un cierto umbral nunca harán que el sujetador se rompa.
Como estimación general, un perno requerirá un número infinito de ciclos para romperse si la carga de fatiga es de alrededor del 30% (+/- 15%) de la carga estática final. Puede esperar que el perno se rompa en unos pocos miles de ciclos si la carga de fatiga es aproximadamente el 80% (+/- 10%) de la carga estática final. (Nota: el porcentaje exacto puede variar dramáticamente según la composición del material y las condiciones ambientales).
# 4. (ACTUALIZADO) Para una resistencia máxima, apriete los pernos hasta el punto de elasticidad … ¡Para una máxima durabilidad, no lo haga! Existe un malentendido común de que un perno dentro de una conexión bien sujeta es impermeable a las fuerzas externas si no exceden la carga sujeta de la conexión.
Es decir, el mito dice que un perno sujeto a 500 libras no experimentará una tensión adicional a menos que las fuerzas externas aplicadas a la abrazadera superen las 500 libras. ¡Esto no es así! De hecho, CUALQUIER carga adicional, no importa cuán pequeña sea, aumentará la tensión en el perno. Pero no a una tasa de 1: 1.
Piense en tirar de una conexión sujeta como si fueran 2 resortes apilados. Ambos muelles se estiran de manera considerable, pero el más débil se estira más. Parte de la carga externa es absorbida por la junta y parte por el sujetador.
Para que quede claro, al apretar la tuerca, el perno comprimirá las dos partes juntas. El perno tiene una fuerza de reacción interna igual a la amplitud de la fuerza de compresión, pero el perno está en tensión. Si tuviera que graficar la tensión en el perno mientras aprieta la tuerca, la gráfica se vería como la gráfica a continuación. Para obtener la mayor fuerza de sujeción fuera del perno, deberíamos apretarlo hasta el punto de elasticidad. Cualquier fuerza adicional y el perno entrarán en la región plástica y se deformarán permanentemente.
En la práctica, los ingenieros no diseñan de esa manera. Dado que cualquier fuerza adicional comenzará a producir el perno, debes darte un margen de error. Los ingenieros seleccionan una tensión de tornillo que se encuentra en algún lugar entre la fuerza de sujeción funcional mínima calculable y la fuerza de cesión … Mientras que también se tiene en cuenta el error en el método de medición de tensión.
(Fuentes: Manual y artículo estándar de Shingley sobre Fastenal)
# 5. En realidad, es bastante difícil determinar la carga exacta que ve el sujetador durante la sujeción. Ahora sabemos lo importante que es evitar apretar demasiado un perno, pero ¿cómo sabemos cuándo está rindiendo?
Para fines cotidianos, la fuerza de sujeción puede aproximarse midiendo el par de apriete. Puede consultar el par de apriete recomendado para un tamaño de sujetador dado en mi calculadora de tamaño de perno o en una tabla como la que se encuentra aquí. Un método alternativo se denomina “giro de la tuerca” en el que se aprieta el perno hasta que se “sienta apretado” antes de girarlo otros 90 grados para garantizar un ajuste adecuado.
Esos métodos funcionan bien para la mayoría de las cosas, pero algunas aplicaciones críticas requieren que esté seguro de la fuerza de sujeción (piense en una nave espacial o en grandes pesos sobre su cabeza). El método de torsión dificulta la fricción y la lubricación, pero al menos el par está matemáticamente correlacionado con la fuerza de sujeción. Por otro lado, el método de giro de la tuerca utiliza el desplazamiento rotacional para desviar los efectos de la lubricación, pero ni siquiera considera las fuerzas en absoluto.
Aunque hay mejores opciones. Las arandelas indicadoras de carga pueden verificar con precisión las cargas de los pernos aplastando un saco de pintura después de alcanzar una carga específica. El inconveniente de estos es que solo funcionan una vez. http://www.boltscience.com/pages… La otra opción proviene de una compañía llamada pernos inteligentes que sacó un cierre con un indicador de tensión incorporado. Este es, con mucho, el método más preciso para medir la carga de sujeción de los pernos. Por otro lado, ¡una sola caja de estos tornillos puede costar alrededor de 10 veces más que un cierre estándar!
Limpio, solo desearía poder permitirme uno.
Cómo se comparan los diferentes métodos de apriete en términos de precisión.
# 6. Si alguna vez ha diseñado una pieza con un orificio roscado, es posible que se haya preguntado: ‘ ¿Cuántos hilos necesito para hacer una conexión fuerte?’ La respuesta es que varía, pero seis como máximo .
Los pernos se estiran muy ligeramente cuando se aplica la fuerza, lo que hace que la carga en cada hilo sea diferente. Debido a este estiramiento, cuando aplica una carga de tracción en un sujetador roscado, el primer hilo en el punto de conexión ve el porcentaje más alto de la carga. La carga en cada hilo sucesivo disminuye desde allí, como se ve en la tabla a continuación.
Subprocesos adicionales más allá del sexto no seguirán distribuyendo la carga y no harán la conexión más fuerte.
¿Entonces se romperá un perno antes de las tiras de la tuerca? ¡Sí! Por lo general, las tuercas no tienen menos de tres roscas internas, pero los estándares de grosor de la tuerca se han seleccionado sobre la base de que el tornillo siempre sostendrá la fractura por tracción antes de que la tuerca se desprenda.
# 7. ¿Alguna vez has visto un cierre etiquetado con una clasificación de 2A o 3B y te has preguntado qué significaba eso? Ese combo de letras y números se usa para indicar la clase de hilo del sujetador. Las clases de hilos incluyen 1-4 (flojo a apretado), A (externo) y B (interno). Estas clasificaciones son ajustes de holgura que indican el nivel de interferencia durante el montaje.
- La Clase 1 es una buena opción cuando el montaje rápido y el desmontaje son una prioridad.
- La clase 2 es la clase de hilo más común porque ofrece un buen equilibrio entre precio y calidad.
- La clase 3 se usa mejor en aplicaciones que requieren tolerancias cercanas y una conexión fuerte.
- La clase 4 es de precisión ajustada, se usa generalmente para tornillos de plomo y similares.
# 8. Todos los sujetadores están disponibles con roscas gruesas o finas y cada opción tiene sus propias ventajas distintivas.
Los pernos finamente roscados tienen áreas de sección transversal ligeramente más grandes que los pernos gruesos del mismo diámetro, por lo que si está limitado en el tamaño del perno debido a restricciones dimensionales, elija un hilo fino para una mayor resistencia. Las roscas finas también son una mejor opción cuando se rosca un miembro de pared delgada. Cuando no tiene mucha profundidad para trabajar, desea utilizar su mayor número de hilos por pulgada. Las roscas finas también permiten una mayor precisión de ajuste al requerir que más rotaciones se muevan linealmente.
Por otro lado, es menos probable que los pernos con rosca gruesa se crucen durante el montaje. También permiten un montaje y desmontaje más rápido, así que elija estos cuando vuelva a ensamblar una pieza a menudo. Si las roscas están expuestas a condiciones severas o productos químicos, se debe considerar un sujetador con rosca gruesa para su recubrimiento / recubrimiento más grueso. Los sujetadores de rosca gruesa son mucho más comunes en los Estados Unidos.
# 9. ¿Esperaría que un perno sea más fuerte o más débil a temperaturas muy altas? ¿Qué tal a temperaturas criogénicas?
La mayoría de las personas responden “más débil” a ambas preguntas, pero ser más débil a ambas temperaturas no tiene sentido cuando piensas en ello. ¿Por qué el acero sería más fuerte a cualquier temperatura típica de la habitación? No es
Como regla general, los metales son fuertes y frágiles a bajas temperaturas y blandos y dúctiles a altas temperaturas, dentro de su rango de temperatura de fase sólida . La temperatura ambiente es solo otro punto no extremo de la curva.
# 10. Puede hacer que las conexiones con pernos sean más resistentes a las cargas de corte utilizando un diseño inteligente en lugar de pernos más grandes. Para obtener la máxima resistencia, intente utilizar la longitud de rosca correcta para la conexión. En la imagen de abajo puede ver dos conexiones que son idénticas, excepto que la de la derecha tiene una longitud de rosca del tamaño adecuado. Expone el vástago del tornillo (en lugar de las roscas) a la carga aplicada en la costura de conexión.
Todo lo demás permanece igual, la conexión a la derecha será más fuerte porque el vástago tiene un área de sección transversal más grande y no hay concentraciones de tensión.
Otro truco inteligente es diseñar conexiones para que la carga aplicada esté en varias secciones del perno, en lugar de una sola sección. En las imágenes de abajo hay dos conexiones. El de la derecha es el doble de fuerte que el de la izquierda porque tendría que cortar el tornillo en dos lugares para liberarse. Además, la configuración de corte único también puede llevar a doblar las cargas en el sujetador y aflojar la conexión (ver # 1).
# 11. ¿Alguna vez has maldecido el día en que naciste porque acabas de quitar un tornillo de cabeza Phillips? Si bien es bueno que los destornilladores Phillips no se salgan de los tornillos como lo hacen las cabezas planas, es un verdadero dolor cuando la cabeza ya no se puede girar porque la cabeza del tornillo se ha fundido en un cono hueco.
Por frustrante que sea, resulta que los tornillos de cabeza Phillips están diseñados para desprenderse a través del punto cónico y los bordes redondeados. El término técnico se denomina leva y cada vez que sucede, el movimiento relativo de la superficie desgasta el tornillo. Las cabezas de tornillo alternativas como torx y pozidriv están diseñadas específicamente para que no salgan.
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Referencias más útiles:
Cuando se diseña un orificio de paso para un perno, es útil consultar una tabla para seleccionar el tamaño correcto del orificio. Una referencia útil se puede encontrar aquí. De manera similar, cuando se perfora previamente un orificio que se va a perforar, es útil tener una tabla para referirse al orificio piloto del tamaño apropiado. Tal tabla se puede encontrar aquí.
Si lee esta respuesta completa mientras sacude su cabeza en total desconcierto, puede familiarizarse con los tipos básicos de sujetadores con este gran recurso gratuito.
EDITADO: Reemplazado con la versión actualizada de este artículo con de mi blog EngineerDog.com . Gracias por los comentarios positivos!
