ES2912745T3 - Sistema de fijación con presolicitación calibrada - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fabricación de un sistema de fijación con esfuerzo de tensión axial calibrada (1), para la fijación de al menos dos elementos (3 y 4) entre sí, comprendiendo el sistema (1) una pieza de fijación (2) y una pieza de bloqueo (5), comprendiendo la pieza de bloqueo (5) dos partes separadas (5a, 5b) por una ranura (7) adecuada para romperse bajo un par de apriete, caracterizado por que consiste en: - determinar el coeficiente de rozamiento entre la pieza de fijación (2) y la pieza de bloqueo (5); - cuando la pieza de fijación (2) está destinada a ser arrastrada en rotación, determinar el coeficiente de rozamiento entre la pieza de fijación (2) y el elemento en contacto (3); - cuando la pieza de bloqueo (5) está destinada a ser arrastrada en rotación: - determinar el coeficiente de rozamiento entre la pieza de bloqueo (5) y el elemento en contacto (4), o, - si una arandela (6) está dispuesta entre la pieza de bloqueo (5) y el elemento a fijar (4), determinar el coeficiente de rozamiento entre la pieza de bloqueo (5) y la arandela (6); - calcular el par de apriete a alcanzar para obtener el esfuerzo de tensión axial calibrada tomando en cuenta los coeficientes de rozamientos determinados; - dimensionar la ranura (7) para que sea adecuada para romperse cuando se alcanza el par de apriete calculado, que corresponde, entonces, a la obtención de la tensión axial calibrada en el sistema de fijación.
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de fijación con presolicitación calibrada
Campo técnico
La presente invención está relacionada con el campo técnico del material de fijación de al menos dos elementos entre sí y se refiere, más particularmente, a unas uniones por bulones.
Técnica anterior
En este campo, se conoce que se aplica una presolicitación en una unión por bulones, tal como, por ejemplo, constituida por un tornillo y una tuerca. La presolicitación es necesaria para asegurar un buen comportamiento estático, principalmente, una tenacidad a unas cargas y un buen comportamiento dinámico, para reducir, incluso evitar, la fatiga prematura de la unión por bulones.
De este modo, el control de un nivel de presolicitación es una exigencia importante, especialmente, en unos campos relacionados directamente con la seguridad de los usuarios, tales como la aviación o la ingeniería civil.
Se conocen varios métodos para obtener una presolicitación definida. Por ejemplo, un método conocido consiste en aplicar un par de apriete definido con un sistema dinamométrico. Sin embargo, este método necesita la utilización de herramientas específicas costosas.
Otro método consiste en utilizar unos medidores de extensión. La precisión es elevada, pero la instauración de este método es complicada y costosa.
Se conoce, igualmente, que se utiliza un tornillo específico que comprende una zona fusible adecuada para romperse bajo un par definido. Sin embargo, este método implica la utilización de una herramienta específica para el apriete, particularmente, costosa.
Se conoce, igualmente, un sistema de fijación con una tuerca fusible que comprende dos partes separadas por una ranura adecuada para romperse bajo un cierto par de apriete. Esta tuerca presenta la ventaja de poder atornillarse sin utilizar herramientas específicas. Sin embargo, este tipo de tuerca no permite controlar la tensión axial en el sistema de fijación, con el fin de realizar una presolicitación calibrada.
El documento US2940495A describe una contratuerca con una porción de arrastre con una zona fusible.
Exposición de la invención
Una de las finalidades de la invención es proporcionar un procedimiento de fabricación de un sistema de fijación de al menos dos elementos entre sí, permitiendo al mismo tiempo calibrar y controlar la presolicitación axial entre los elementos de fijación, sin necesitar herramientas específicas.
A tal efecto, se ha desarrollado un procedimiento de fabricación de un sistema de fijación de acuerdo con el objeto de la reivindicación 1.
De esta forma, la invención permite asegurar una presolicitación axial en el sistema de fijación, de una manera simple, eficaz, repetible y calibrada.
Preferentemente, el sistema de fijación comprende un agente lubricante entre la pieza de fijación y la pieza de bloqueo o un agente lubricante entre la de la pieza de fijación o de la pieza de bloqueo que se arrastra en rotación y el elemento en contacto.
De esta forma, se controlan los coeficientes de rozamientos y se calibra de manera precisa el sistema para asegurar una presolicitación requerida.
Según una forma de realización particular, la pieza de fijación es un tornillo y la pieza de bloqueo es una tuerca. El sistema es simple y no necesita ninguna herramienta específica para el apriete de la tuerca.
Ventajosamente y con el fin de asegurar un carácter desmontable del sistema de fijación después de rotura de la ranura, las dos partes de la tuerca comprenden unos lados inclinados para el atornillado/desatornillado.
Según una forma de realización particular, el sistema de fijación comprende una arandela dispuesta entre la tuerca y uno de los elementos a fijar
Ventajosamente, el sistema de fijación comprende un anillo elástico posicionado en la ranura para formar un tope para
un medio de apriete de la pieza de bloqueo.
Descripción somera de las figuras
Surgirán claramente otras características y ventajas de la invención de la descripción que se realiza de ello, a continuación, a título indicativo y en ningún caso limitativo, con referencia a las figuras adjuntas en las que:
- la figura 1 representa, en corte longitudinal, una unión por bulones fabricada según la invención antes de la aplicación del par de apriete;
- la figura 2 es similar a la figura 1, después de la aplicación del par de apriete y la rotura de tuerca que permite asegurar una tensión axial determinada en el sistema de fijación;
- la figura 3 representa la tuerca en detalle y en corte longitudinal.
Descripción detallada de la invención
Las figuras 1 y 2 ilustran un sistema de fijación con presolicitación calibrada (1), para la fijación de al menos dos elementos (3, 4), entre sí, permitiendo al mismo tiempo asegurar una presolicitación axial determinada en el sistema de fijación.
El sistema de fijación (1) comprende una pieza de fijación roscada (2), por ejemplo, un tornillo y al menos una pieza de bloqueo aterrajada (5), por ejemplo, una tuerca. Son posibles otras realizaciones para la pieza de fijación y la pieza de bloqueo sin salirse del marco de invención. Por ejemplo, la pieza de fijación puede estar constituida por una varilla o un eje roscado dotado de una tuerca en cada uno de sus extremos. Para unas razones de simplificación, en la continuación de la descripción, la invención se describe en relación con un tornillo (2) y una tuerca (5).
La tuerca (5) comprende dos partes (5a, 5b), separadas por una ranura (7) adecuada para romperse cuando se aplica un par de apriete definido.
La tuerca (5) comprende un diámetro de fondo de ranura determinado (7) y el sistema de fijación (1) comprende unos coeficientes de rozamiento determinados entre el tornillo (2) y la tuerca (5) y entre el del tornillo (2) o de la tuerca (5) que se arrastra en rotación y el elemento en contacto (3 o 4). El diámetro del fondo de ranura (7) y dichos coeficientes de rozamiento se determinan para asegurar una rotura de la ranura (7) cuando se alcanza un esfuerzo determinado de tensión axial entre el tornillo (2) y la tuerca (5).
Ventajosamente, con el fin de asegurar un carácter desmontable del sistema de fijación después de rotura de la ranura, las dos partes (5a, 5b) de la tuerca (5) comprenden unos lados inclinados para el atornillado/desatornillado. Preferentemente, un anillo elástico está posicionado en la ranura (7) para formar un tope para un medio de apriete de la pieza de bloqueo (5).
Según una forma de realización particular, el sistema de fijación (1) comprende una arandela (6) que está dispuesta entre la tuerca (5) y el elemento a fijar (4).
Preferentemente, el sistema de fijación (1) comprende un agente lubricante entre la arandela (6) y la tuerca (5) y también entre el tornillo (2) y la tuerca (5).
En la figura 2, el sistema de fijación (1) se representa en un estado apretado y, en concreto, después de rotura de la ranura (7) que corresponde a una presolicitación de tensión axial determinada entre el tornillo (2) y la tuerca (5). Solo queda la parte (5b) de la tuerca (5) sobre el tornillo (2).
En la figura 3, la tuerca (5) se representa en detalle. Como se ha indicado, comprende dos partes (5a, 5b). La parte (5b) comprende un aterrajado (8), mientras que la parte (5a) presenta una pared interna lisa, que le permite retirarse fácilmente después de rotura de la ranura (7).
La invención se refiere a un procedimiento de fabricación de dicho sistema de fijación (1). Para comprender mejor el procedimiento, se detallará más abajo un ejemplo de bulón M20x90. El bulón comprende un tornillo (2) del tipo M20x90 HR10.9, una tuerca (5) del tipo M20 HR10 y dos arandelas (6) de 20 mm de diámetro.
Según las normas EN 1090-2 y EN 14399, la tensión axial para un tornillo M20x90 HR10.9 se determina por una fórmula:
Fp,c — 0,7 fubAs
donde fub es el límite de rotura igual a 1.000 N/mm2 y As es la sección del tornillo igual a 245 mm2. De este modo, la tensión axial requerida entre el tornillo y la tuerca es de 172 kN.
A continuación, es conveniente calcular el par de apriete a alcanzar tomando en cuenta los coeficientes de rozamientos
y el esfuerzo de tensión axial determinado.
Para poder definir la relación entre el par al que se debe romper la ranura y la tensión, es necesaria la determinación de los coeficientes de rozamiento. Ahora bien, en este ejemplo, los coeficientes definidos son los siguientes:
|Jth = 0,10, coeficiente de rozamiento sobre roscado entre el tornillo (2) y la tuerca (5);
|Jb = 0,10, coeficiente de rozamiento sobre apoyo entre la tuerca (5) y la arandela (6);
Preferentemente, para controlar los coeficientes, el agente lubricante está dispuesto entre el tornillo (2) y la tuerca (5) y entre la arandela (6) y la tuerca (5) que está destinada a ser arrastrada en rotación.
En consecuencia, la relación entre el par y la tensión es la siguiente:
Ahora bien, cuando la tensión objetivo F es 172.000 N y con:
P = 2,5 mm, de paso de roscado de tornillo;
d2 = 0,0182 mm, de diámetro de flanco de rosca de tornillo;
d0 = 0,0295 mm, de diámetro de apoyo exterior entre la tuerca (5) y la arandela (6)
dh = 0,023 mm, de diámetro de apoyo interior entre la tuerca (5) y el chaflán de la arandela (6)
el par de apriete a alcanzar es de C = 475 Nm.
De este modo, el dimensionamiento de la ranura debe realizarse, con el fin de asegurar obtener la rotura en torsión de esta cuando se alcanza este par. Cuando se alcanza este par de apriete y estando los coeficientes de rozamiento validados, la tensión obtenida durante la rotura corresponde a Fp,c, es decir, a la tensión axial determinada y calibrada.
Durante la fabricación del sistema de fijación, hay que respetar varias solicitaciones dimensionales, a saber:
- el diámetro interno de la parte (5a) de la tuerca (5) debe ser superior al diámetro interno de la parte (5b);
- la zona de intersección entre el aterrajado de la parte (5b) y la pared interna lisa de la parte (5a) debe estar en la proximidad del diámetro de fondo de ranura;
- la ranura (7) debe corresponder a una zona reducida, con el fin de obtener una rotura limpia y no dispersiva. De este modo, es necesario prever una zona de concentración de solicitaciones, por ejemplo, con un ángulo y/o radio de fondo de ranura escaso u otros métodos conocidos por el experto en la materia.
Las fórmulas de resistencia de los materiales se utilizan para realizar el dimensionamiento del diámetro de fondo de ranura. En efecto, la tuerca (5) con una ranura (7) se puede modelar como un tubo. De este modo, la solicitación de cizallado t bajo torsión es igual a
Con
C = par
D = diámetro del fondo de ranura,
d = diámetro interior liso
Por último, se debe tomar en cuenta un coeficiente Kts de concentración de solicitación según el ángulo y/o el radio de fondo de ranura. Unos monogramas de los coeficientes de concentración de solicitación los conoce bien el experto en la materia, de modo que sabrá adaptar el buen coeficiente en función de la tuerca diseñada (5).
Por lo tanto, la solicitación de cizallado t se multiplica por el coeficiente de concentración para obtener un valor final Tmáx, que debe superar la resistencia de material de la tuerca (5).
De esta forma, la ranura (7) es adecuada para romperse bajo un par de apriete que corresponde a un esfuerzo de tensión axial predeterminado entre el tornillo (2) y la tuerca (5), de modo que el procedimiento de fabricación del sistema de fijación (1 ) según la invención permite calibrar y controlar la presolicitación axial entre los elementos de fijación, sin necesitar herramientas específicas.
Claims (3)
1. Procedimiento de fabricación de un sistema de fijación con esfuerzo de tensión axial calibrada (1), para la fijación de al menos dos elementos (3 y 4) entre sí, comprendiendo el sistema (1) una pieza de fijación (2) y una pieza de bloqueo (5), comprendiendo la pieza de bloqueo (5) dos partes separadas (5a, 5b) por una ranura (7) adecuada para romperse bajo un par de apriete, caracterizado por que consiste en:
- determinar el coeficiente de rozamiento entre la pieza de fijación (2) y la pieza de bloqueo (5);
- cuando la pieza de fijación (2 ) está destinada a ser arrastrada en rotación, determinar el coeficiente de rozamiento entre la pieza de fijación (2) y el elemento en contacto (3);
- cuando la pieza de bloqueo (5) está destinada a ser arrastrada en rotación:
o determinar el coeficiente de rozamiento entre la pieza de bloqueo (5) y el elemento en contacto (4),
o,
o si una arandela (6) está dispuesta entre la pieza de bloqueo (5) y el elemento a fijar (4), determinar el coeficiente de rozamiento entre la pieza de bloqueo (5) y la arandela (6);
- calcular el par de apriete a alcanzar para obtener el esfuerzo de tensión axial calibrada tomando en cuenta los coeficientes de rozamientos determinados;
- dimensionar la ranura (7) para que sea adecuada para romperse cuando se alcanza el par de apriete calculado, que corresponde, entonces, a la obtención de la tensión axial calibrada en el sistema de fijación.
2. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 1 caracterizado por que, para hacer variar y controlar los coeficientes de rozamientos, un agente lubricante está dispuesto:
- entre la pieza de fijación (2) y la pieza de bloqueo (5) o
- cuando la pieza de fijación (2 ) está destinada a ser arrastrada en rotación, entre la pieza de fijación (2 ) y el elemento en contacto (3) o
- cuando la pieza de bloqueo (5) está destinada a ser arrastrada en rotación:
o entre la pieza de bloqueo (5) y el elemento en contacto (4) o
o si una arandela (6) está dispuesta entre la pieza de bloqueo (5) y el elemento a fijar (4), entre la pieza de bloqueo (5) y la arandela (6).
3. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 1 caracterizado por que la pieza de fijación (2) es un tornillo y la pieza de bloqueo (5) es una tuerca.
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