UN DETALLE, LAS ARANDELAS

Problemas de aflojamiento de tornillos en maquinaria agrícola, esfuerzos, vibraciones, variaciones de carga

DOLOR DE CABEZA COMÚN: ¡LOS TORNILLOS PIERDEN SU PAR DE APRIETE!

Si no eres especial amante de la mecánica, quizá pienses que una “simple arandela” no puede dar mucho de sí, pero la realidad te sorprendería.

La maquinaria debe ser fiable. El aflojamiento de tornillos y pernos no debe ser opción. Comprobar y reapretar las uniones atornilladas tiene un impacto económico muy alto por la enorme cantidad de tiempo que requiere.

Nuestras máquinas agrícolas operan en condiciones extremas, también de temperatura muy dispar, sufren constantes variaciones de cargas dinámicas y de las vibraciones constantes, y a múltiples frecuencias; los problemas de aflojamiento de tornillos es algo que, o bien haces un correcto mantenimiento, o bien puedes tener un “fuerte dolor de cabeza”.

La seguridad depende, en gran medida, de que todo se mantenga unido: ejes; sistemas de suspensión; componentes de frenos; dirección; cosidos de las carcasas; sistema de escape y turbocompresor; llanta con disco; disco con buje…

Par de apriete

Cuando se aprieta un tornillo se debe aplicar un par (producto de esfuerzo por distancia) hasta alcanzar la precarga requerida entre tornillo y tuerca, entre “macho y hembra”.

En cada unión atornillada existe una fuerza axial y una fuerza transversal. La precarga es vital para mantener unidas las piezas y evitar que giren, ya que una eventual pérdida de tensión; provocaría el fallo de la unión atornillada.

Precarga de unión atornillada: Es la tensión generada en una unión cuando se aprieta un tornillo con el fin de evitar el aflojamiento, y la separación, de las partes. Cuando se da un par de apriete al tornillo se dice que la unión tiene una determinada precarga (El par es el producto de la fuerza aplicada por la distancia a la que se aplica)

El par necesario para alcanzar la precarga requerida es la suma de dos pares, veamos:

• Hay que vencer el par ocasionado por el rozamiento bajo la cabeza del tornillo y la rosca
• Se debe alcanzar el par estimado de precarga

En cuanto a la magnitud de los dos pares anteriormente citados, el lector se hará una idea si conoce que, de forma aproximada, el 90 % del par de apriete se utiliza para vencer los rozamientos.

Los “trucos” caseros para reducir el esfuerzo de apriete ya se conocen, desde engrasar las superficies de contacto utilizando grasas, aceites, aflojatodo (disulfuro de molibdeno) a la “icónica coca cola”.

Los pares de apriete son diferentes según la calidad de los tornillos, también, por supuesto, de su función.

Pero hay unos factores externos que afectan a la precarga de los tornillos, y de ahí los aflojamientos; estos factores externos pueden venir por la forma de trabajar del tornillo, por ejemplo con esfuerzos cortantes (la vibración con cargas dinámicas en las máquinas agrícolas producen esfuerzos cortantes en los tornillos); o por la existencia de vibraciones; o por los cambios de temperatura…

De tornillos y pares de apriete: Algunos ejemplos, grosso modo, de pares de apriete en tornillos de acero. Para un tornillo 6.8 de métrica 14 y paso 1,5 el par de apriete ronda los 95 Nm

En tornillos clase 8.8, para una métrica 20 y paso de 1,5 sobre 350 Nm

Un tornillo clase 10.9, métrica 20 paso 1,5 el par de apriete estará sobre 450 Nm

Ejemplo de tornillo clase 8.8

Resistencia a la tracción: 8*100 = 800 N/mm²

Punto de fluencia: 8*10= 80 % de la resistencia a la tracción. 80%*8= 640 N/mm²

Tornillo clase 8.8, M10 y paso 1.5; con diámetro 10 mm (8,16 mm de diámetro del núcleo; sección de 52,29 mm²) tendría: 41.840 N (4266 kg) de resistencia a la tracción y 33.472 N (3413 kg) de límite elástico.

Lo que ocurre es que los tornillos raramente trabajan a tracción pura en las utilizaciones normales en agricultura; su forma de trabajo corresponde más al cizallamiento. Para el cálculo de la resistencia a cizalla (corte) se hace igual pero en este caso se toma el 70 % de la tensión de fluencia.

LAS ARANDELAS

Para qué sirve una arandela: Lo primero que hay que saber es la función de la arandela. Una arandela se encarga de repartir la presión de un tornillo o tuerca. Con la arandela se protege el material atornillado, evitando que las fuerzas se ejerzan en puntos muy concretos; las uniones se fortalecen.

Tipos de arandelas

Arandelas planas: Son las más comunes y aunque se hacen en diferentes materiales, lo más común es encontrarlas en acero galvanizado e incluso inoxidable.

Arandelas dentadas: Se suele emplear para disminuir el efecto de la vibración que sufre el tornillo. Disponen de un dentado interno y externo. Normalmente se fabrican en acero, pero también las hay en carbono.

Arandelas cónicas: También conocidas como Belleville (en honor a su inventor Julien Belleville, 1835) o muelle de disco cónico. Su forma tronco-cónica le proporciona un comportamiento elástico que consigue fijar el tornillo con gran fuerza e impide en gran medida el aflojamiento.

Arandelas elásticas: Fácilmente reconocibles por estar partidas, con un extremo más elevado que el otro. Al apretar, la hélice absorbe esfuerzo y queda completamente plana. Se le conoce comúnmente como arandela grower. Su uso asegura a las uniones atornilladas una distribución uniforme de las cargas, convirtiéndose la sujeción en muy efectiva. Pero además, al disminuir la carga por efecto de las vibraciones, y durante, un periodo, la grower es capaz de seguir suministrando esa resistencia para impedir el aflojamiento del tornillo y tuerca o pieza roscada.

Preparando el test de Junker

Se fabrican en aceros de alto carbono (para conseguir la hélice que haga de resorte) con tratamientos superficiales (cincado electrolítico, galvanizado) y también en inoxidable (industria alimentaria o química) e incluso en titanio para ambientes muy agresivos.

Por supuesto que hay más arandelas (por ejemplo, las de estanqueidad) pero no vienen al caso que nos ocupa.

Arandelas de bloqueo por cuña: Son el objeto de este artículo y se describen a continuación.

ARANDELAS BLOQUEO POR CUÑA

Son arandelas que, gracias a su geometría, bloquean la unión atornillada evitando que se pueda aflojar por vibraciones, cargas dinámicas, etc. Garantizando que no habrá que reapretar aquellos tornillos donde se instalen.

Para realizar su trabajo, obligatoriamente, deben colocarse por parejas. Su forma de trabajo no es por fricción como otras arandelas, si no por tensión. En realidad, su forma de trabajo está en su propia geometría.

Las arandelas llevan en su cara de trabajo unas levas por un lado y por el otro un estriado radial. Como ya se ha comentado, el sistema debe trabajar en pareja y enfrentando el estriado con las levas.

Por la geometría que conforma el sistema de leva-estriado, para aflojar es necesario dar un sobrepar que permitiese superar la pendiente, en este caso ascendente, de la cuña.

Tornillo con arandelas de cuña

Cuando el tornillo se aprieta, los dientes de las caras externas de las arandelas se asientan, tanto en la base del tornillo como en la superficie de contacto, dejando marcas en ambos. La fuerza de amarre creada por el tornillo, mantendrá la unión atornillada sin cambios. Los resultados son espectaculares incluso para uniones atornilladas incluso expuestas a vibraciones severas y cargas dinámicas.

Observando los croquis anexos se comprueba que el ángulo alfa es mayor que el ángulo del paso de rosca beta y así se crea un efecto cuña que evite que el tornillo gire y se afloje.

En la cara exterior de ambas arandelas se hace un dentado para agarrarse a la superficie.

Cuando el elemento de sujeción es desatornillado, se producirá deslizamiento entre las dos arandelas. La arandela superior está agarrada por la parte dentada a la tuerca o a la cabeza del tornillo. La arandela inferior no girará debido a que los dientes se encuentran asentados en la superficie de contacto.

Cuando las levas se deslizan una sobre la otra, inicialmente aumentará la carga de sujeción del tornillo al estirarse, para luego ceder cuando sea superada la resistencia de las levas.

Una vez que se haya realizado el apriete de la unión atornillada, la precisión de la geometría de las levas prevendrá cualquier aflojamiento debido a vibraciones, ya que en caso de que el tornillo intente girar, aumentará la carga. A este efecto se le llama bloqueo por cuña; no es un bloqueo por fricción.

Apriete y aflojamiento con arandela cuña

Este efecto de cuña es lo que consigue que este tipo de arandelas no puedan aflojarse de forma accidental.

PRUEBA DE LABORATORIO Y CAMPO DE LAS ARANDELAS DE BLOQUEO POR CUÑA

La experiencia en “laboratorio”

Contaremos como fue. Tras varias conversaciones telefónicas, quedamos con Aida, técnico de la empresa Nord-Lock para que nos mostrase esas arandelas “milagrosas”. Tras la presentación “física” de las arandelas se procedió a simular el trabajo de las arandelas; para ello se utiliza un dispositivo que es un acelerador de vibraciones (es decir intenta simular las vibraciones de los tornillos pero de forma muy rápida, para poder realizar el experimento en corto espacio de tiempo) El experimento se denomina test de Junker y se usa para comparar como se comportan los diferentes métodos de bloqueo cuando son expuestos a movimientos transversales bajo la cabeza del tornillo o tuerca; a la par que se mide, de forma continua, la tensión.

Durante la realización del test de Junker (conforme a la norma DIN 65151), el gráfico muestra cómo la fuerza de amarre de todas las aplicaciones se reduce drásticamente después de unos segundos, a excepción de las arandelas Nord-Lock. Todas las demás soluciones se basan en la fricción, en lugar de en la tensión, para asegurar la unión atornillada. La geometría constituye un método de bloqueo fiable para controlar la tensión a lo largo del tiempo. Esto previene las costosas paradas productivas o los potenciales accidentes.

Test de Junker: Se trata de una prueba mecánica que estandarizó el ingeniero Gerhard Junker en 1969 para intentar cuantificar el autoaflojamiento de uniones atornilladas. En la actualidad la normativa del test la recoge la DIN 65151.

El test de Junker determina el punto en el que una junta atornillada pierde su precarga al ser sometida a una carga mediante vibración. Es una prueba muy utilizada en ingeniería para determinar el aflojamiento por vibración.

Test de Junker

Se comprobaron varios tipos de arandelas y tuercas: arandela plana con tuerca normal; tuerca antiaflojamiento con nylon; arandela grower con tuerca normal; arandela cónica. Y por último se probó la arandela objeto de este estudio, la nord-lock y con una tuerca normal. El resultado fue espectacular (ver gráfica) y es que se consigue un sistema que no se puede aflojar de forma involuntaria; incluso para el aflojamiento voluntario hay que provocar un sobrepar para vencer el efecto de cuña bajo el tornillo o tuerca.

La experiencia en “campo”

Una vez que se realizó (julio 2022) las pruebas de laboratorio, quisimos comprobar el funcionamiento del sistema en la realidad. Para ello se han dispuesto de dos ensayos en campo, por una parte en el tractor, y por otra parte en un cultivador randsome (rabo de gorrino) de 11 brazos.

Dos precauciones que hay que conocer antes de realizar los ensayos. La primera precaución que conviene aclarar para usuarios de este tipo de arandela: si se instala la arandela en cuña, no se puede compatibilizar con otro tipo de arandela porque entonces perdería la eficacia del diseño.

La segunda precaución es conocer el tipo de acero de los tornillos (si son inoxidable, o acero cincado) e instalar la arandela del mismo acero y así evitar posibles corrosiones del tipo galvánico.

En tractor: Se ha procedido a instalar estas arandelas en la unión de los contrapesos traseros al disco. El tractor es un antiguo, no viejo, John Deere 1640. La unión del contrapeso

al disco se realiza por medio de 6 tornillos.

En apero: Se ha procedido a atornillar las golondrinas de 5 brazos en un cultivador de 11 brazos. Cada golondrina se une al brazo (40*40) con 2 tornillos. Se ha realizado en la mitad de los brazos para así poder comparar con las uniones convencionales.

Hasta el momento solamente se han realizado 28 h de trabajo con el tractor y que se han repartido de la siguiente forma: trabajo con cultivador (17 h), transporte (8 h) y trabajos con pulverizador (3 h)

De momento las uniones no presentan ningún tipo de problema y tampoco han sufrido ningún aflojamiento visible. Por supuesto es pronto para certificar el resultado y desgraciadamente no dispongo de llave dinamométrica para poder medir los pares de apriete; sin embargo, seguiré vigilando el experimento y en algún artículo futuro informaré del mismo.

Nota: Las horas de trabajo referidas se refieren a horas del cuentahoras del tractor, no de reloj, por lo que la estimación de horas reales de trabajo es de un 20 % más.

Otra utilización frecuente y muy interesante es la utilización de estas arandelas en las uniones disco-llanta y que tantos problemas ocasiona a muchos agricultores. En este caso la opción ideal son las tuercas con arandela.

A considerar

Tuerca para ruedas

En cuanto a la instalación se hace como con cualquier arandela. Por supuesto si se utiliza el sistema de arandela en cuña se debe saber que trabajan en pareja, luego obligatoriamente irán dos arandelas. Tampoco se deberá colocar la arandela en cuña con otras arandelas pues entonces se pierde el efecto de la cuña.

Las arandelas de bloqueo por cuña son arandelas totalmente reutilizables. No se debe pensar que el sobrecoste de adquisición no compensa, pues son 100 % reutilizables.

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By: Catalán Mogorrón, H.

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