Deslizamiento y Separación en Uniones Atornilladas: Criterios y Contramedidas de Diseño para Dos Modos de Falla
Resumen Ejecutivo
Las uniones atornilladas tienen dos modos típicos de falla: deslizamiento y separación. Este artículo explica sus criterios mecánicos, condiciones de ocurrencia y relación mutua, y proporciona contramedidas de diseño específicas.
Tabla de Contenidos
Dos fallos, dos mecanismos
Una unión atornillada desliza bajo carga transversal y se separa bajo carga de tracción axial. Estos dos fallos parecen distintos, pero en esencia ambos resultan de que la reserva de fricción o la reserva de aprieto establecidas por la precarga se agotan. Comprender sus criterios es la habilidad fundamental más práctica en el diseño de uniones.
Fallo por deslizamiento: la reserva de fricción se agota
Condición de aparición
Cuando la carga de trabajo transversal FQ supera la reserva de fricción de las superficies de contacto, se produce un deslizamiento relativo entre las piezas aprisionadas. El criterio es:
FQ ≤ μ × FK,res / SG
μ: coeficiente de fricción de la superficie de contacto; FK,res: fuerza de aprieto residual; SG: factor de seguridad antideslizamiento (típicamente 1,2～1,5)
Consecuencias del deslizamiento
El deslizamiento en sí no causa necesariamente un fallo inmediato, pero desencadena una serie de problemas secundarios:
- El perno soporta cortadura: una vez que se produce el deslizamiento, el perno pasa de "transmitir carga por fricción" a "transmitir carga por cortadura del perno", y el estado de tensión cambia por completo; el perno debe entonces verificarse de nuevo frente a la resistencia a cortadura.
- Redistribución de la precarga: tras el deslizamiento, el estado de la superficie de contacto cambia y el coeficiente de fricción puede descender, formando un círculo vicioso.
- Daños por extrusión en la pared del agujero: el deslizamiento repetido desgasta la pared del agujero y lo agranda, debilitando aún más la unión.
- Fatiga acelerada: el desgaste por rozamiento microscópico genera microfisuras en la superficie, que se convierten en puntos de iniciación de la fatiga.
Valores del coeficiente de fricción
| Estado de la superficie de contacto | Rango típico de μ | Notas |
|---|---|---|
| Acero–acero, superficie mecanizada en seco | 0,10～0,20 | Desciende notablemente con contaminación por aceite |
| Acero–acero, arenado o granallado | 0,30～0,50 | El rugizado de la superficie aumenta la fricción |
| Acero–aluminio | 0,15～0,25 | Vigilar la corrosión galvánica |
| Con capa de recubrimiento intermedia | 0,05～0,15 | Las capas de pintura reducen mucho la fricción |
| Con lubricante o anticorrosivo | 0,05～0,12 | Si está permitido debe definirse en el diseño |
Fallo por separación: la reserva de aprieto se agota
Condición de aparición
La carga de tracción axial FA reduce la fuerza de aprieto sobre las piezas aprisionadas. Cuando la carga es suficientemente grande, la fuerza de aprieto llega a cero y las superficies de contacto se abren. El criterio es:
FA × (1 − Φ) < FM / SD
SD: factor de seguridad anti-separación (típicamente 1,2～1,5)
Consecuencias de la separación
- Cambio brusco de rigidez de la unión: una vez abierta, la carga externa es soportada íntegramente por el perno (Φ pasa de ser menor que 1 a ser 1), la tensión del perno se dispara y la vida a fatiga suele descender bruscamente.
- Fallo de estanqueidad: para uniones con requisitos de sellado, la apertura significa fuga.
- Carga de impacto: el ciclo de apertura-cierre produce impactos, acelerando la fatiga y el desgaste.
- Deformación plástica del perno: si la carga supera el límite elástico tras la apertura, el perno se alarga permanentemente; incluso si se vuelve a apretar después, no puede restaurarse la precarga original.
La relación entre los dos fallos
El deslizamiento y la separación no son eventos independientes; a menudo se desencadenan mutuamente:
| Fallo inicial | Efecto secundario | Manifestación final |
|---|---|---|
| Deslizamiento | Desgaste de la superficie de contacto, descenso del coeficiente de fricción, aflojamiento de la precarga | La separación y el aflojamiento se intensifican |
| Separación | Las superficies de contacto se abren y cierran repetidamente, desgaste por rozamiento | La capacidad antideslizamiento desciende, deslizamiento gradual |
| Ambos simultáneamente | El perno soporta una carga combinada de tracción-cortadura | El riesgo de fractura aumenta significativamente |
Por ello, para uniones que soportan cargas tanto axiales como transversales, los dos criterios deben verificarse simultáneamente, y debe considerarse la tensión equivalente bajo carga combinada de tracción-cortadura.
Contramedidas de diseño: seis vías prácticas
Frente al deslizamiento
- Aumentar la precarga: dentro de los límites del material, aumentar la precarga para incrementar directamente la reserva de fricción. Esta es la medida más eficaz.
- Aumentar el coeficiente de fricción: arenar o granallar las superficies de contacto, o utilizar arandelas especiales con patrón de fricción.
- Añadir elementos resistentes a la cortadura: añadir pasadores cilíndricos, manguitos de cortadura o chavetas a la unión, de modo que la carga transversal sea soportada por los elementos resistentes a la cortadura mientras el perno solo se encarga del aprieto.
- Aumentar el número de superficies de contacto: con la misma fuerza de aprieto, múltiples superficies de contacto aportan múltiples veces el área de fricción (asegurarse de que la presión esté uniformemente distribuida).
Frente a la separación
- Reducir el factor de distribución de carga Φ: aumentar la rigidez de la pieza aprisionada (ampliar la superficie de apoyo, aumentar el grosor de la brida, añadir bujes).
- Controlar el recorrido de la carga: dejar que la carga externa sea soportada por la propia estructura en la mayor medida posible, reduciendo la carga de tracción que actúa directamente sobre la unión.
Tabla de diagnóstico rápido
| Observación en campo | Tipo de fallo probable | Dirección de investigación prioritaria |
|---|---|---|
| Agujero del perno claramente desgastado en forma de elipse | Deslizamiento | ¿Ha cambiado el coeficiente de fricción? ¿Está la precarga según especificación? |
| Marcas de óxido o fuga en las superficies de contacto | Separación | ¿Se subestimó la carga axial? ¿Es Φ demasiado grande? |
| Marcas circulares de desgaste bajo la cabeza del perno | Deslizamiento + rozamiento | Presión sobre la superficie de apoyo y estado de fricción |
| Fractura en la primera rosca | Fatiga (inducida por separación) | Amplitud de tensión y Φ; comprobar si se produjo apertura |
| Toda la unión se desplaza pero los pernos están intactos | Deslizamiento | Carga transversal frente a la reserva de fricción |
Conclusión
El deslizamiento mira a la reserva de fricción; la separación mira a la reserva de aprieto. Su fundamento común es la precarga. Gestionar adecuadamente el estado de fricción, aplicar una precarga suficiente y elevar la rigidez de la pieza aprisionada: ambos fallos pueden controlarse eficazmente. Por el contrario, si solo se modifica el tamaño del perno sin mejorar estas tres condiciones fundamentales, el problema tiende a reaparecer en otro lugar.
