ES2278057T3 - Un montaje de sujecion. - Google Patents
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Abstract
Un montaje de sujeción (10), compuesto por un elemento de torsión (19) y un elemento de fijación (30), el elemento de torsión (19) incluye roscas (25) que están situadas sobre un eje del elemento(19), según el cual se inclinan de manera helicoidal; estas roscas se suministran con un paso de rosca y una superficie de soporte del cojinete en forma de anillo (23) que está situada en un extremo del eje del elemento de torsión (19); el elemento de fijación (30) incluye una superficie de soporte del cojinete en forma de anillo (33) en un extremo que está frente a la superficie del cojinete en forma de anillo(23) del elemento de torsión (19) y está situado sobre un eje del elemento de fijación (3), la superficie del cojinete en forma de anillo(23) sobre el elemento de torsión (19) incluye una primera serie de segmentos de superficie que se inclinan de manera helicoidal (23 R) y una segunda serie de segmentos de superficie que se inclinan de manera helicoidal (23 L), la superficie del cojinete en forma de anillo(33) sobre el elemento de fijación (30) incluye una tercera serie de segmentos de superficie que se inclinan de manera helicoidal (33 R) y una cuarta serie de segmentos de superficie que se inclinan de manera helicoidal (33 L), el montaje de sujeción (10) se caracteriza por: a) Los segmentos de superficie inclinada de manera helicoidal (23 R) de la primera serie se inclinan en la misma dirección que las roscas (25) y se suministran con un paso que es sustancialmente igual al paso de rosca y los segmentos de superficie inclinada de manera helicoidal (23 L) de la segunda serie se encuentran, con relación a las roscas (25), inclinados en dirección contraria y se suministran con un paso que es distinto al paso de rosca, y b) Los segmentos de superficie inclinada de manera helicoidal (33 R) de la tercera serie se suministran con un paso que es sustancialmente igual al paso de rosca y los segmentos de superficie inclinada de manera helicoidal (33 L) de la cuarta serie se encuentran,con relación a las roscas (25), inclinados en dirección contraria y se suministran con un paso que es distinto al paso de rosca.
Description
Un montaje de sujeción.
Esta invención trata de una unión roscada. En
concreto, trata de una unión roscada que se caracteriza por su
capacidad para proporcionar una tensión gradual o carga de apriete y
resistencia al aflojamiento.
La magnitud física por la que las uniones
roscadas realizan su función de apriete es la tensión o carga de
apriete. Esta carga de apriete se logra mediante la aplicación de
una fuerza angular o par. Los diseñadores de uniones se basan en
datos empíricos acumulados en los ensayos que representan la
relación entre el par y la tensión. Esta relación
par-tensión puede verse afectada significativamente
por el rozamiento en la unión, tanto en la rosca como en la
superficie de apriete girada.
Un rozamiento extremadamente alto puede provocar
una carga de apriete insuficiente, lo que hace que la unión se
afloje y se pueda producir un fallo por cortadura de la pieza
roscada exteriormente. Un rozamiento extremadamente bajo originar
cargas de apriete que superen la resistencia a la tracción de la
unión en el montaje, dando lugar a un alargamiento hasta el punto
de fallo. Peor aún, la unión podría estar cercaba al límite de
tracción en el montaje y fallar en servicio debido a las cargas
adicionales normales aplicadas durante su uso. Para evitar un
posible fallo catastrófico por tracción, los diseñadores diseñan o
usan por regla general uniones que tienen mucha mayor resistencia
que la que se necesita realmente.
El rozamiento no se puede controlar bien en el
entorno típico de fabricación. En consecuencia, se diseñan los
procesos de unión de modo que se puedan identificar las uniones
sospechosas. La instalación de uniones se controla por regla
general mediante el par controlando el ángulo de par resultante para
identificar las posibles uniones sospechosas. Sin embrago, el
ángulo de par revela menos la carga de apriete que el propio par ya
que se emplea este valor de par como punto de partida de la medición
del ángulo de par. Un ángulo de par muy alto podría ser un
indicador de un rozamiento elevado que podría ir en detrimento de la
carga de apriete, o de alguna otra característica de la unión que
pueda no afectar adversamente a la carga de apriete. Es necesario
evaluar las uniones con ángulos de par elevados para determinar si
hace falta revisarlas. Esto se traduce en un empleo costoso e
ineficaz de los recursos de fabricación.
Otra debilidad de las uniones roscadas
existentes es la posibilidad de que se afloje inadvertidamente la
unión debido a cargas cíclicas o a vibraciones. Una carga cíclica
aplicada a la superficie helicoidal de la rosca puede desencadenar
un par que provoque una rotación en sentido opuesto al giro de
apriete original.
La patente francesa nº
FR-A-2 457 406 presenta un tornillo
que tiene en su parte inferior una superficie de asiento adaptada
para recibir una superficie de asiento en la pestaña de la montura
de unas gafas. La superficie de asiento del tornillo y la
superficie de asiento de la pestaña llevan una serie de salientes y
vaciados complementarios. En el sentido de giro de desenroscado,
las caras de trabajo de los salientes y vaciados tienen pendientes
mayores que el paso de los filetes de rosca del tornillo, para
evitar que se afloje accidentalmente el tornillo.
La patente de los EE.UU. nº 3,693,685 presenta
una tuerca que tiene una cara final con una serie de rampas que
tienen un punto alto. Las rampas tienen una cara con pendiente en un
sentido, desde su punto alto hasta el otro extremo que es la misma
que en el sentido de apriete de la tuerca. Las rampas tienen otra
cara que mira en el sentido de giro de desenroscado de la tuerca.
Adicionalmente, las pendientes van dotadas preferentemente de una
geometría en espiral dispuesta de modo que el punto alto de la
rampa, que es el punto de la rampa que antes actúa el panel o
sustrato sobre el que actúa la tuerca, esté dispuesto radialmente
más cerca del eje del ánima de la tuerca que el otro extremo de la
rampa. En consecuencia, cuando se aprieta la tuerca, las rampas
fuerzan el material que rodea un orificio del panel hacia los
filetes del perno, que incrusta el material de dicho panel en los
filetes de rosca del perno. Además, cuando la tuerca se aprieta, la
cara de la rampa que mira en el sentido de desenroscado de la
tuerca se incrusta en el panel y evita que se afloje la tuerca.
La presente invención está materializada en una
unión que alcanza la carga de apriete deseada con una coherencia
predecible y que se ve considerablemente menos afectada por la
variación de rozamiento que las uniones convencionales. Esta carga
de apriete se alcanza de modo gradual, lo que permite la posibilidad
de seleccionar uno entre muchos valores de carga con los mismos
componentes. Incluye además un mecanismo que resiste el aflojamiento
originado por las vibraciones o cargas cíclicas. La invención
facilita también un montaje sencillo, bien manual o con
automatización informatizada.
La unión consta de una tuerca o perno con una
arandela u otro elemento que hace de pareja y con el que encaja la
superficie de apriete de la tuerca o del perno. El diseño de las
superficies homólogas es tal que se puede aplicar gradualmente una
tensión predecible mediante control del ángulo de par. Esta
aplicación gradual de la tensión se alterna con incrementos de
rotación que imparten poco o nulo incremento de tensión de la unión.
Con esta característica se identifica el grado de rotación y se
consigue un efecto anti-aflojamiento.
Las superficies de asiento homólogas entre los
elementos constan de una serie de superficies inclinadas
helicoidalmente a derecha e izquierda alternativamente. A derecha y
a izquierda, en este contexto, significa lo mismo en relación con
la descripción de la rosca. El eje de la hélice es común con el eje
de las roscas de la tuerca o perno y del orificio de la arandela o
de cualquier otro elemento. Cada una de las superficies inclinadas
helicoidalmente a derecha tiene un paso idéntico al paso de rosca
del elemento de unión. El paso de las superficies inclinadas
helicoidalmente a la izquierda se puede variar para alcanzar la
tensión que se desee en función de la característica del ángulo de
par. Hay un número igual de segmentos de superficie a derecha e
izquierda en las superficies de asiento, cada uno de los cuales
define un arco igual. La suma de los arcos definidos por los
segmentos a derecha e izquierda es igual a 360°.
En funcionamiento, la arandela o elemento no
roscado de la unión no debe girar libremente contra la superficie
de la pieza apretada. Si es necesario, se emplean métodos
convencionales para aumentar el rozamiento o evitar mecánicamente
el giro en este acoplamiento.
Cuando se gira el elemento de unión, se alterna
el contacto entre la tuerca o el perno y la arandela entre los
segmentos de superficie a derecha e izquierda. Cuando se produce la
rotación durante el contacto entre los segmentos a derecha, la
tensión no aumenta. La rotación durante el contacto entre los
segmentos a la izquierda origina un aumento de la tensión de la
unión. El incremento de tensión en relación con el ángulo total de
par de los segmentos a derecha e izquierda es el mismo que la
tensión aplicada para el mismo ángulo de par de un elemento de
unión de diseño estándar del mismo paso de rosca.
El incremento de aumento de tensión por giro a
través de un segmento a izquierda se obtiene empíricamente mediante
ensayo. Cada aumento incremental de tensión corresponde a un
incremento del par aplicado. El par se puede medir fácilmente y se
puede establecer los aumentos incrementales. El control de estos
aumentos proporciona una carga de apriete coherente e
identificable. Se puede programar un ordenador o un autómata
programable para realizar esta tarea. En montaje manual los
aumentos incrementales se pueden identificar "al tacto" y
contarse, a fin de lograr el mismo resultado.
La carga de apriete no aumenta durante la
rotación y contacto entre los segmentos helicoidales a derecha, la
carga de apriete tampoco disminuye durante la rotación en sentido
contrario cuando estas mismas superficies están en contacto. Es
esta característica la que da al elemento de unión su capacidad
antiaflojamiento.
Se puede programar un ordenador o un autómata
programable para comparar el ángulo de par y el par aplicado. A los
efectos de esta invención, el programa se ha diseñado de modo que
distinga cuándo una rotación continua del elemento de unión da una
alternancia entre incrementos o decrementos de los segmentos de
ángulo de par. Cuando el programa distingue dos ciclos de aumento de
par identifica el punto de arranque de los ciclos de recuento. Una
vez logrado un recuento preestablecido, el equipo de montaje deja de
hacer girar el elemento de unión.
El programa, en su forma más sencilla, exigiría
que el usuario metiese el recuento de ciclo al que debe pararse la
rotación. Esto se determina dividiendo la fuerza de apriete por un
valor establecido empíricamente para el paso de la rosca que se
esté usando. Otro enfoque es que el programa tenga los valores
tabulados en función del paso de rosca. En este caso, al usuario
sólo se le pedirá que introduzca el paso de rosca y la fuerza de
apriete deseada. El programa calculará el número necesario de
ciclos.
La invención, incluida su construcción y
funcionamiento, está ilustrada con diagramas y gráficos en los
siguientes planos:
La Figura 1 es una vista lateral en perspectiva
de un elemento de unión que consta de una tuerca y una arandela
cónica y materializa las características de la presente
invención;
La Figura 2 es una vista en perspectiva desde
abajo de la tuerca roscada de la Figura 1;
La Figura 3 es una vista en perspectiva desde
abajo de la tuerca roscada de la Figura 1;
La Figura 4 es una ilustración gráfica de la
relación entre el ángulo de par y la carga de apriete durante la
aplicación de un elemento de unión que materializa las
características de la invención; y
la Figura 5 es una ilustración gráfica de un
giro de rosca de 360° en función de la interferencia de apriete
(recorrido axial de la tuerca) para un montaje típico materializado
por la invención.
Tomando como referencia los planos, y
especialmente la Figura 1, se muestra de modo general una unión que
materializa las características de la invención en 10. La unión 10
es de una configuración que podría emplearse como tuerca que
aprieta la rueda de un vehículo (no indicado) al cubo de rueda.
Incluye una cabeza de forma hexagonal 15 y una base troncocónica
16.
Tomando como referencia las Figuras 2 y 3, la
unión 10 consta de un agente de par 19, en forma de una tuerca 20
en la materialización representada, y una arandela 30. En una
materialización alternativa de la presente invención el agente de
par 19 es un perno. La cabeza hexagonal 15 está conformada en la
tuerca 20. La base troncocónica 16 está conformada en la arandela
30.
La tuerca 20 está formada por un cuerpo de
tuerca 21 que consta de una cabeza de forma hexagonal 15 y tiene
una brida interior anular 22. La brida interior anular 22 tiene una
superficie de asiento anular inferior 23 que está segmentada de
modo que se pueden establecer seis segmentos de superficie inclinada
helicoidalmente a izquierda 23L y seis segmentos de superficie
inclinada helicoidalmente a derecha 23R. El total de doce segmentos
de superficie 23L y 23R dividen uniformemente el recorrido de 360°
de la superficie 23 en segmentos de 30°.
El cuerpo de tuerca 21 está roscado internamente
en 25 de modo convencional. Las roscas 25 se extienden
helicoidalmente alrededor del interior del cuerpo de la tuerca
según un paso seleccionado convencionalmente X.
Cada uno de los seis segmentos de superficie a
derecha 23R está formado de modo que está en el mismo eje de hélice
que el de las roscas. Cada superficie 23R está, en consecuencia,
inclinada helicoidalmente en el paso X y en el mismo sentido.
Cada uno de los seis segmentos de superficie a
izquierda 23L, por otra parte, descansa en la superficie de una
hélice inclinada en sentido contrario. El paso de cada una de estas
superficies inclinadas helicoidales a izquierda es Y. El paso Y se
selecciona de modo que proporcione un aumento de tensión
predeterminada por cada grado (ángulo de par) de rotación de la
tuerca 20 a medida que gira por los 30° ocupados por cada segmento
de superficie 23L.
La arandela 30 consta de un cuerpo de arandela
31 compuesto por una base troncocónica 16 y una brida exterior
anular 32. La brida interior anular 32 tiene una superficie de
asiento anular superior 33 que está segmentada de modo que se
pueden establecer seis segmentos de superficie inclinada
helicoidalmente a izquierda 33L y seis segmentos de superficie
inclinada helicoidalmente a derecha 33R. El total de doce segmentos
de superficie 33L y 33R dividen una vez más uniformemente el
recorrido de 360° de la superficie 33 en segmentos de 30°.
El cuerpo de la arandela 31 tiene un ánima sin
roscar 35. Un asiento 36 está hecho dentro del ánima 35 a un lado
de él. El asiento 36 se ha diseñado para que coopere con un asiento
homólogo hecho en un lado del perno de un vehículo, por ejemplo,
para evitar que gire la arandela 30 mientras se mueve libremente de
modo axial. Debe entenderse, no obstante, que éste es sólo un modo
en que puede evitarse que gire la arandela 30 respecto de la tuerca
20.
Cada uno de los seis segmentos de superficie a
derecha 33R está conformado de modo que está en el mismo eje de
hélice que el de las roscas 25 de la tuerca 20. Cada superficie 33R
está, a su vez, inclinada helicoidalmente en el paso X y en el
mismo sentido.
Cada uno de los seis segmentos de superficie a
izquierda 33L descansa en la superficie de una hélice inclinada en
el sentido contrario. El paso de cada una de estas superficies
helicoidales inclinadas a izquierda es Y, el mismo paso
seleccionado para los segmentos de superficie 23L en la tuerca
20.
Cuando se instala una unión 10 en un perno de un
vehículo, la arandela 30 asienta de modo convencional contra la
chapa central de la llanta de la rueda (no dibujado), con la base
troncocónica 16 en la correspondiente depresión homóloga. La base
troncocónica 16 forma una superficie de apriete. La tuerca 20 está
roscada en el perno hasta que la superficie de asiento 23 encaje en
la superficie de asiento 33 de la arandela 30.
Al girar más la tuerca 20 se provoca que la
tensión o fuerza de apriete ejercida por la arandela aumente
incrementalmente cada vez que deslizan los segmentos de superficie
a izquierda 23L sobre los segmentos de superficie a izquierda 33L.
Cuando la tuerca 20 se aprieta más, no hay ningún incremento en la
carga de apriete ni en la tensión ya que los segmentos de
superficie a izquierda deslizan uno sobre otro. Esto queda ilustrado
gráficamente en la Figura 4, que muestra el incremento de la fuerza
de apriete. La Figura 5, por otra parte, muestra el recorrido axial
real que corresponde a un determinado paso durante un giro de 360°
de la tuerca 20, por ejemplo.
La magnitud de la tensión o presión de apriete
se determina por el número de giros que realiza la tuerca 20 y por
el paso de los segmentos 23L y 33L. Se puede lograr manualmente la
fuerza de apriete deseada contando el paso de segmentos y también
se puede hacer automáticamente programando una llave de par
informatizada a tal menester.
La invención se ha descrito en el contexto de
una tuerca de orejeta con la correspondiente arandela de base
cónica. Debe entenderse, sin embrago, que podría aplicarse también a
una amplia gama de configuraciones de unión, como uniones por
tuerca y arandela plana o uniones por perno y arandela, por
ejemplo.
Claims (7)
1. Un montaje de sujeción (10), compuesto por un
elemento de torsión (19) y un elemento de fijación (30), el
elemento de torsión (19) incluye roscas (25) que están situadas
sobre un eje del elemento(19), según el cual se inclinan de
manera helicoidal; estas roscas se suministran con un paso de rosca
y una superficie de soporte del cojinete en forma de anillo (23)
que está situada en un extremo del eje del elemento de torsión
(19); el elemento de fijación (30) incluye una superficie de soporte
del cojinete en forma de anillo (33) en un extremo que está frente
a la superficie del cojinete en forma de anillo (23) del elemento de
torsión (19) y está situado sobre un eje del elemento de fijación
(3), la superficie del cojinete en forma de anillo (23) sobre el
elemento de torsión (19) incluye una primera serie de segmentos de
superficie que se inclinan de manera helicoidal (23 R) y una
segunda serie de segmentos de superficie que se inclinan de manera
helicoidal (23 L), la superficie del cojinete en forma de anillo
(33) sobre el elemento de fijación (30) incluye una tercera serie
de segmentos de superficie que se inclinan de manera helicoidal (33
R) y una cuarta serie de segmentos de superficie que se inclinan de
manera helicoidal (33 L), el montaje de sujeción (10) se
caracteriza por:
- a)
- Los segmentos de superficie inclinada de manera helicoidal (23 R) de la primera serie se inclinan en la misma dirección que las roscas (25) y se suministran con un paso que es sustancialmente igual al paso de rosca y los segmentos de superficie inclinada de manera helicoidal (23 L) de la segunda serie se encuentran, con relación a las roscas (25), inclinados en dirección contraria y se suministran con un paso que es distinto al paso de rosca, y
- b)
- Los segmentos de superficie inclinada de manera helicoidal (33 R) de la tercera serie se suministran con un paso que es sustancialmente igual al paso de rosca y los segmentos de superficie inclinada de manera helicoidal (33 L) de la cuarta serie se encuentran, con relación a las roscas (25), inclinados en dirección contraria y se suministran con un paso que es distinto al paso de rosca.
2. El montaje de sujeción (10) del punto 1
también presenta la característica de que el elemento de torsión
(19) es un perno.
3. El montaje de sujeción (10) del punto 1
también presenta la característica de que el elemento de
torsión(19) es una tuerca (20).
4. El montaje de sujeción (10) del punto 1
también presenta la característica de que los segmentos de
superficie inclinada de manera helicoidal (23 R) de la primera serie
se alternan con los segmentos de superficie inclinada de manera
helicoidal (23 L) de la segunda serie.
5. El montaje de sujeción (10) del punto 1
también presenta la característica de que los segmentos de
superficie inclinada de manera helicoidal (33 R) de la tercera serie
se alternan con los segmentos de superficie inclinada de manera
helicoidal (33 L) de la cuarta serie.
6. El montaje de sujeción (10) del punto 1
también presenta la característica de que el número de segmentos de
superficie inclinada de manera helicoidal (23 R) de la primera serie
es igual al número de segmentos de superficie inclinada de manera
helicoidal (23 L) de la segunda serie.
7. El montaje de sujeción (10) del punto 1
también presenta la característica de que el número de segmentos de
superficie inclinada de manera helicoidal (33 R) de la tercera serie
es igual al número de segmentos de superficie inclinada de manera
helicoidal (33 L) de la cuarta serie.
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