Sujetadores versus vibración

La vibración, la expansión y la contracción pueden crear un movimiento del hilo de lado a lado, lo que provoca que se afloje y, en última instancia, falle el sujetador (izquierda). Los sujetadores que aseguran las juntas deben reapretarse periódicamente para contrarrestar la deformación por compresión de la junta con el tiempo. De lo contrario, los sujetadores se relajarán y su rendimiento se degradará. Gráficos cortesía de Henkel Corp.

Las contratuercas autoremachables tipo SL tienen roscas deformadas y una función de bloqueo tipo Tri-Dent que evita que el sujetador se afloje debido a la vibración. Foto cortesía de PennEngineering

El probador Analyze de Schatz USA mide varias características de los sujetadores mecánicos. Estos incluyen los coeficientes de fricción de la superficie de apoyo de la rosca, la cabeza o la tuerca. Foto cortesía de Bossard Norteamérica

El tornillo formador de roscas Delta PT para plástico tiene un ángulo de hélice de 30 grados que retrocede rápidamente a un ángulo de 20 grados para un flujo de material sin obstáculos durante la instalación. Los flancos del tornillo crean áreas de corte que producen altas cargas de sujeción. Foto cortesía de Semblex Corp.

Cada año, los fanáticos de los juegos Winter X ven a los corredores de motos de nieve luchar contra los elementos y las leyes de la gravedad para realizar hazañas asombrosas, incluidos saltos de larga distancia y dobles volteretas hacia atrás. Lo que los fanáticos no ven es la batalla constante entre los sujetadores y la vibración dentro de cada unión atornillada de la moto de nieve.

Polaris Industries Inc. es un fabricante líder de motos de nieve y patrocina al equipo Polaris Racing que participa en el circuito de carreras de snowcross. Los miembros del equipo ganan frecuentemente medallas en los X Games y otros eventos de snowcross. Los ingenieros de diseño de Polaris siempre especifican el uso de fijadores de roscas Loctite en los sujetadores para mantenerlos seguros.

"Aplicamos fijadores de roscas [a los sujetadores] en todos nuestros motores SDI", dice Jason Miller, gerente de productos de motos de nieve de Polaris Industries. "Una interfaz muy crítica es el soporte entre el motor y el chasis, donde hay vibraciones extremas y variaciones de temperatura".

El fijador de roscas Loctite 242 se aplica con una bomba manual sobre los soportes. La bomba garantiza que los ensambladores utilicen la cantidad correcta de producto. Loctite 243 se aplica a la contratuerca del embrague de transmisión de la moto de nieve, así como al conjunto de araña del embrague.

Los fijadores de roscas son uno de los cuatro tipos de productos diseñados específicamente para evitar que los sujetadores se aflojen debido a la vibración. Los otros tres son tornillos, pernos y tuercas especiales. Todos ellos ayudan a mantener las uniones atornilladas tan fuertes como el día en que se ensamblaron por primera vez.

Aunque la vibración es una causa común de aflojamiento de los sujetadores, los fabricantes no deben asumir que siempre es la causa, recomienda Ken Gomes, vicepresidente de ingeniería y desarrollo de productos de REMINC. El aflojamiento puede ser el resultado de una pérdida de precarga debido al empotramiento, que ocurre cuando la superficie metálica de contacto se distorsiona, deforma o cambia dimensionalmente durante la instalación del sujetador. El empotramiento provoca la relajación del sujetador, haciéndolo propenso a fallar por fatiga.

Otra causa del aflojamiento son las diferencias entre los coeficientes de fricción de los materiales de unión y los sujetadores roscados. Cualquier reducción de la fricción en las roscas, debajo de la cabeza del tornillo o en la cara de la tuerca puede provocar una reducción de la fuerza de sujeción general en la junta.

Bossard North America prueba a menudo los sujetadores que suministra con el probador Analyze de Schatz USA. Este dispositivo sigue la norma internacional ISO 16047 para determinar varias características de apriete de sujetadores mecánicos. Estos incluyen el coeficiente de fricción total; los coeficientes de fricción de la superficie de apoyo de la rosca, la cabeza o la tuerca; fuerza de precarga en el límite elástico; y fuerza de ruptura. Joe Stephan, ingeniero de aplicaciones de Bossard, dice que su empresa utiliza a menudo el dispositivo para probar los sujetadores que proporciona a John Deere.

La corrosión, las cargas desequilibradas en una junta y los parches de fijación de roscas inadecuados pueden hacer que un sujetador se afloje. Los parches que rompen las capas de óxido de los sujetadores y tuercas de acero inoxidable pueden provocar que se desgasten o se suelden en frío. Si continúa apretando una vez que comienza el desgaste, la cabeza del sujetador puede torcerse o sus roscas pueden desprenderse, lo que aumenta la posibilidad de que se afloje.

Un sujetador puede estar sujeto a uno o más tipos de vibración, incluidas axiales, transversales, orbitales (circulares desplazadas) y aleatorias. Dependiendo de la unión, una combinación de vibraciones puede aflojar el sujetador o no tener ningún impacto sobre él. Incluso podrían apretar la articulación.

La vibración axial o paralela corre a lo largo del eje del sujetador y puede reducir la precarga entre un 30 y un 40 por ciento durante un período prolongado de tiempo. Si dicha vibración es intensa, también puede provocar una dilatación periódica de la tuerca. Una vibración transversal intensa, que es perpendicular al eje del perno, puede provocar una pérdida total de la precarga.

“La vibración que impacta un elemento de fijación en un ángulo exactamente recto es la peor”, explica Gomes. “Provoca el aflojamiento mediante el movimiento de rotación inversa, que es el camino de menor resistencia. Las vibraciones fluctuantes también son malas. Golpea continuamente el cierre, por así decirlo, provocando que se afloje”.

La prueba Junker, que lleva el nombre del ingeniero alemán Gerhard Junker, permite a los fabricantes determinar el punto en el que una unión atornillada pierde su precarga cuando se somete a una carga de corte provocada por una vibración transversal. Desarrollada en 1969, la prueba dura 62 segundos, tiempo durante el cual un elemento de fijación se somete a 2.000 ciclos de vibración transversal. La longitud de la carrera de cada ciclo es igual al 10 por ciento del diámetro del sujetador. Esta prueba forma parte de las normas internacionales de fijación DIN 65151 y DIN 25201-4.

Los productos ensamblados frecuentemente experimentan vibraciones fluctuantes mientras están en tránsito hacia sus usuarios finales. Todas las formas de transporte (vehículo, ferrocarril o aire) transfieren vibraciones a los productos, según Jarrod Neff, gerente de marketing de Visumatic Industrial Products. Visumatic se especializa en sistemas de fijación automatizados.

"El camión o el avión sacuden la caja y ésta sacude el producto que contiene", dice Neff. “Es realmente difícil aislar el producto de las vibraciones. Por lo tanto, normalmente aplicamos un fijador de roscas azul Loctite semipermanente a cada sujetador y hacemos una pequeña marca de pintura para indicar dónde debe estar la parte superior de la cabeza del perno cuando el sujetador está correctamente apretado”.

La tendencia actual hacia productos más livianos y más pequeños tiende a aumentar la cantidad de vibración en una articulación, afirma Gene Simpson, vicepresidente de calidad e ingeniería de Semblex Corp. Simpson dice que estas dos tendencias a veces pueden funcionar en conjunto. Por ejemplo, los materiales más ligeros vibran más, mientras que los sujetadores más pequeños, en general, pueden soportar menos vibraciones. Como resultado, los sujetadores en productos pequeños y livianos son más susceptibles a aflojarse, a menos que se consideren opciones de diseño para abordar este riesgo. Dichas opciones podrían incluir diseños de roscas especiales, materiales bloqueadores de roscas o contratuercas.

Los sujetadores fatigados pueden agrietarse, especialmente aquellos en uniones de alta tensión y aquellos con microfisuras inherentes y otras imperfecciones. Dichos sujetadores pueden salir disparados si se rompen, en lugar de simplemente caer al suelo, lo que representa una amenaza para los trabajadores y el equipo.

Los fabricantes de productos electrónicos de consumo prefieren cada vez más microfijadores especiales, como los fijadores tipo TA TackPin, a los tornillos. Un fabricante utiliza sujetadores TackPin a presión para ensamblar teclados de computadora porque no se aflojan ni se salen debido a la vibración, dice Doug McLeod, ingeniero senior de aplicaciones de PennEngineering.

“Se instalaron manualmente más de 100 tornillos, cada uno tratado con un parche fijador de roscas, para fijar una membrana súper delgada a un sustrato muy delgado dentro del teclado”, explica McLeod. "Ahora se necesitan menos pasadores y la instalación tarda aproximadamente un minuto con una máquina automatizada (la M1500 fabricada por DWFritz Automation Inc.)".

Anualmente se instalan miles de millones de tornillos roscadores TapTite y TapTite 2000, principalmente por ensambladores de Ford Motor Co., General Motors Corp. y sus proveedores de nivel 1. A diferencia de los tornillos estándar, que tienen roscas de ángulo trilateral, estos tornillos de alta resistencia cuentan con un cuerpo de rosca trilobular con una sección transversal triangular en lugar de circular.

La forma trilobular requiere un torque bajo durante la formación de la rosca. También genera hilos de acoplamiento fuertes para una alta resistencia a la vibración y al pelado. Gomes dice que los tornillos TapTite originales cuentan con roscas de 60 grados, aunque los flancos de las roscas de la serie 2000 presentan un perfil de radio convexo que permite la formación de roscas con un torque más bajo.

Los sujetadores FasTite 2000 y Powerlok II de REMINC también cuentan con roscas trilobulares. Los dentados opcionales debajo del cabezal en FasTite 2000 aumentan la resistencia al aflojamiento y al pelado en aplicaciones de chapa delgada. La forma de rosca de doble ángulo del Powerlok II presenta una punta de 30 grados que crea un bloqueo de "energía almacenada". Esta acción de bloqueo no se ve afectada por la vibración o la temperatura. Los tornillos Powerlok II se utilizan en tuercas roscadas.

Otro tornillo formador de rosca es el Rolok de Semblex. Cada una de sus roscas presenta tres lóbulos asimétricos que forman roscas coincidentes en la tuerca o el miembro de tuerca.

"Gracias a su cuerpo de perfil en espiral, el elemento de fijación encaja completamente en canales en C de aluminio y en orificios no redondos", afirma Simpson. "Una vez instalado, la geometría de su rosca tiene una resistencia natural a la vibración".

El tornillo se puede utilizar en acero, aluminio, bronce, latón y cualquier acero inoxidable con suficiente ductilidad para formar roscas a juego. Simpson dice que se utiliza ampliamente en una amplia gama de industrias, incluidas la automotriz, la electrónica, la maquinaria pesada y el entretenimiento en el hogar.

Para aplicaciones de plástico, Semblex ofrece el tornillo formador de rosca Delta PT. Su ángulo de hélice de 30 grados retrocede rápidamente a un ángulo de 20 grados, lo que permite el flujo sin obstáculos del plástico durante la instalación. Los flancos del tornillo crean áreas de corte que producen altas cargas de sujeción.

Simpson dice que el diámetro del núcleo en ángulo del tornillo reduce la tensión durante la formación de la rosca, mientras que el ángulo de hélice bajo controla el retroceso del tornillo en aplicaciones dinámicas. Ambas características maximizan el compromiso con el plástico. El diseño general mejora la estabilidad de las articulaciones al reducir la fluencia y aumentar el par de aflojamiento.

Los fabricantes de una amplia gama de industrias, desde submarinos hasta muebles, utilizan el fijador de roscas Nuts N' Bolts 434 de Hernon Manufacturing Inc. Sus propiedades tixotrópicas permiten una fácil aplicación, señala Edgardo Rodríguez, director de ventas y marketing de Hernon Manufacturing Inc.

El fijador de roscas azul es ideal para sujetadores roscados y tuercas chapadas o hechas de sustancias pasivas como el acero inoxidable. Se puede aplicar a superficies no prístinas y cura anaeróbicamente. Los sujetadores y tuercas tratados se pueden quitar con herramientas manuales estándar.

Hernon también formula fijadores de roscas personalizados. Rodríguez dice que un fabricante de productos electrónicos aplica un fijador de roscas personalizado a los sujetadores que se utilizan para ensamblar una radio de consumo especializada. Para esta aplicación de gran volumen, el fijador de roscas está formulado para mantener los sujetadores apretados en temperaturas bajo cero.

En 2010, Henkel Corp. introdujo varios fijadores de roscas robustos basados ​​en investigaciones patentadas que identificaron una necesidad en el mercado de productos que no requieran limpieza o imprimación de sujetadores. Uno es Loctite 243, un fijador de roscas azul de resistencia media y uso general.

Doug Lescarbeau, gerente de desarrollo de mercado de Henkel Corp., dice que el fijador de roscas sin imprimación tolera contaminaciones superficiales menores provenientes de diversos aceites, como fluidos de corte, lubricación, anticorrosión y de protección. Funciona bien con sujetadores de 0,25 a 0,75 pulgadas de ancho en ambientes de alta temperatura (hasta 180 C). Los sujetadores tratados se pueden quitar con herramientas manuales.

Otro fijador de roscas robusto es Loctite 263, que proporciona bloqueo y sellado permanentes. El producto rojo es especialmente adecuado para aplicaciones de alta resistencia, como espárragos en carcasas de motores y tuercas en espárragos en carcasas de bombas. Su viscosidad es de 450 centipoises.

La empresa también fabrica Loctite 2047, un fijador de roscas especialmente formulado con aditivos para igualar la lubricidad que normalmente se logra con los lubricantes antiagarrotamiento sin metales. Su perfil de curado lento permite apretar varios pernos en un solo conjunto antes del curado. Todos los fijadores de roscas Loctite curan anaeróbicamente.

Los sujetadores autoadhesivos también están disponibles con características antivibración. Las tuercas y contratuercas autoadhesivos de torsión predominante de PennEngineering mantienen el valor de torsión instalado de un sujetador independientemente de la cantidad de carga axial aplicada. Las contratuercas tipo SL tienen roscas deformadas y una función de bloqueo tipo Tri-Dent que evita que se afloje debido a la vibración. McLeod dice que los fabricantes de automóviles los utilizan para asegurar los componentes interiores de las puertas.

Introducidas recientemente, las tuercas flotantes autoadhesivos PEM tipo LA4 cuentan con roscas exprimidas elípticamente que se ajustan hasta 0,03 pulgadas para garantizar la alineación del orificio de acoplamiento. Las tuercas LA4 se instalan en láminas delgadas de acero inoxidable. Otro sujetador de bloqueo, el tipo CFN, está diseñado para aplicaciones cercanas al borde. Cuando el tornillo entra en el anillo de nailon de la tuerca CFN (azul o negro), la interferencia en el diámetro de paso de la rosca genera un par predominante.

“Cuando los pernos para aplicaciones críticas se instalan correctamente, siempre permanecen apretados a pesar de la vibración extrema y constante”, concluye Gomes. "Si no lo hicieran, nuestros autos se desmoronarían mientras conducíamos".

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Jim es editor senior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.