04/04/2020
Seleccionar el torque adecuado para los tornillos es crucial para asegurar la integridad de cualquier ensamblaje. Un torque insuficiente puede provocar fugas o fallos prematuros, mientras que un torque excesivo puede dañar las roscas o incluso romper el tornillo. Este artículo proporciona una información sobre cómo determinar el torque máximo para sus aplicaciones.
Modos de Falla en Juntas Atornilladas
Antes de determinar el torque máximo, es esencial entender los posibles modos de fallo en una junta atornillada. Los tres principales son:
- Falla por tensión en el cuerpo del tornillo: El tornillo se rompe debido a la tensión excesiva.
- Falla por cizallamiento en las roscas del tornillo: Las roscas del tornillo fallan debido a fuerzas de cizallamiento.
- Falla por cizallamiento en las roscas internas: Las roscas internas en el material donde se enrosca el tornillo fallan debido a fuerzas de cizallamiento.
El torque máximo está determinado por el modo de fallo que ocurre a la carga más baja. Para calcularlo, debemos considerar el área de tensión, el área de cizallamiento del tornillo y el área de cizallamiento de las roscas internas.
Cálculo del Torque Máximo
El cálculo del torque máximo requiere considerar varios factores y realizar diferentes cálculos. A continuación se describe un método para determinar el torque máximo :
Área de Tensión (At):
Se calcula utilizando la fórmula establecida en ASME B1-1989 Apéndice B. Esta fórmula considera el diámetro básico del tornillo (Db) y la altura de la rosca (H). Es importante destacar que el valor calculado (At) es ligeramente superior al área definida por el diámetro mínimo de raíz, para tener en cuenta la resistencia adicional de la rosca real en la sección transversal del tornillo. Para piezas roscadas huecas, se debe utilizar el diámetro mínimo de raíz.
Carga de Tensión Permisible (Pt):
Se calcula a partir del área de tensión (At), la resistencia a la prueba del tornillo (St) y un factor de seguridad (Fs). Para aplicaciones estáticas típicas, Fs = 2La fórmula es: Pt = St At / Fs
Área de Cizallamiento del Tornillo (As):
El área de cizallamiento del tornillo depende de la longitud de enganche. Se calcula como el área efectiva en el diámetro menor máximo de la rosca interna multiplicada por el número de roscas engranadas. Una opción es calcular el área de cizallamiento por unidad de longitud de enganche para minimizar los recálculos si esta longitud cambia.
Carga de Cizallamiento Permisible del Tornillo (Ps):
Se calcula a partir del área de cizallamiento del tornillo (As), la resistencia a la prueba del tornillo (St) y el factor de seguridad (Fs). La fórmula es: Ps = 0.5 St As / Fs
Área de Cizallamiento de las Roscas Internas (Ai):
Similar al área de cizallamiento del tornillo, el área de cizallamiento de las roscas internas depende de la longitud de enganche. Se calcula como el área efectiva en el diámetro mayor mínimo de la rosca externa multiplicada por el número de roscas engranadas.
Carga de Cizallamiento Permisible de las Roscas Internas (Pi):
Se calcula a partir del área de cizallamiento de las roscas internas (Ai), la resistencia a la fluencia de las roscas internas (Si) y el factor de seguridad (Fs). La fórmula es: Pi = 0.5 Si Ai / Fs
Determinación del Torque Máximo:
La carga permisible más baja entre Pt, Ps y Pi determina el torque máximo. Una vez determinada esta carga, se puede calcular el torque máximo usando la siguiente ecuación:
T = K F Db
Donde:
- T = Torque
- K = Coeficiente de torque (depende de los coeficientes de fricción)
- F = Carga permisible (la más baja entre Pt, Ps y Pi)
- Db = Diámetro básico del tornillo
Para acero sobre acero limpio, K ≈ 0.20. Para otros materiales, se deben determinar valores apropiados mediante pruebas o datos de aplicaciones similares.
Tabla de Coeficientes de Torque (K)
| Material | K |
|---|---|
| Acero sobre acero limpio | 0.20 |
| Otros materiales | Determinar mediante pruebas |
Consideraciones Adicionales:
- La longitud de enganche es un factor crítico en el cálculo del torque máximo , especialmente cuando la resistencia a la fluencia de las roscas internas es menor que la resistencia a la prueba del tornillo.
- Las tablas de torque especializadas pueden simplificar el proceso de cálculo y considerar factores adicionales, como la concentración de tensiones en la primera rosca engranada.
- Siempre es recomendable utilizar un factor de seguridad adecuado para asegurar la integridad de la junta atornillada.
Determinar el torque máximo para los tornillos requiere un análisis cuidadoso de los diferentes modos de fallo y la aplicación de las fórmulas apropiadas. Utilizar tablas de torque especializadas o consultar a un ingeniero puede ayudar a asegurar la correcta aplicación del torque en cualquier ensamblaje.