Diseño de uniones roscadas autorroscantes de cajas de metal

Soluciones que unen.
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Diseño de uniones roscadas
autorroscantes de cajas de metal ligero
para la fabricación de grandes series
en la producción automovilística
soluciones de unión inteligentes en Europa, han elaborado un planteamiento
para investigar los parámetros de
atornillado en aleaciones AlSi9Cu3 mediante tornillos autorroscantes de la
generación TAPTITE 2000 en la clase de
resistencia 10.9.
Uniones roscadas en engranajes de
automóviles
Los tornillos, lo mismo que sus uniones,
aunque plantean unas enormes exigencias técnicas, frecuentemente se consideran como elementos mecánicos de
segundo orden y, en consecuencia, reciben esa consideración durante el diseño
de construcción. En las aplicaciones típicas de engranajes de automóviles se
presentan las dimensiones M4 hasta
M12 con diferentes longitudes. Los
accionamientos y los platillos de tornillo
acordes al diseño del engranaje y los
recubrimientos se eligen a menudo en
función de los requisitos del cliente. Un
colectivo amplio de clientes se traduce
por tanto frecuentemente en un variado
surtido de tornillos, que tiene efectos
negativos en cuanto a los costes.
La creciente presión de los costes y los
nuevos estudios de planteamientos se
traducen, también en el campo de la
tecnología de las uniones, en aplicaciones innovadoras. Una de ellas es la creación del surco de la rosca interior por el
propio tornillo.
Aunque los costes de material de los tornillos sólo representan un 0,5 % de un
engranaje típico de un vehículo 4x4, la
proporción que suponen la fabricación
de las roscas interiores y la inversión ne-
120
100
Porcentaje [%]
Resumen
Las cajas de engranajes de metal ligero
para la producción automovilística se
unen, de forma estándar, con tornillos
métricos. El diseño se basa en los conocimientos y las experiencias adquiridas a
lo largo de muchos años y, en menor
medida, en las simulaciones y las normas como la VDI 2230. En el caso de los
típicos ámbitos de aplicación contemplados de componentes de engranajes y
motores, se plantea una combinación
de exigencias de tipo mecánico y térmico.
Debido a la creciente presión de los costes, así como al hecho de que los elementos de unión y su utilización representan un porcentaje considerable de
los costes totales de fabricación, se procura aplicar nuevas tecnologías innovadoras, como las uniones autorroscantes, que ofrecen ventajas tanto económicas como técnicas. Entre otras consideraciones, la fuerza previa, la seguridad contra el aflojamiento, el relajamiento y la posibilidad de enroscado
reiterado constituyen un factor decisivo
a la hora de diseñar la unión con tornillos autorroscantes. Para la fabricación de grandes series son factores
esenciales la facilidad del proceso de
montaje y de servicio técnico.
El departamento de Advanced Technology Engineering de MAGNA Powertrain
AG & Co KG, fabricante líder a nivel
mundial de engranajes desmultiplicadores para automóviles, y el departamento de Gestión de productos de la
empresa ARNOLD Umformtechnik, uno
de los principales fabricantes de
15,8%
80
60,2%
60
60,2%
40
21,3%
20
0
18,5%
24,0%
Atornilladura
métrica
Atornilladura
autorroscante
Ahorro
Costes de montaje
Costes de transformación
BAZ (fabricación de la rosca)
Costes de material
(tornillos)
Figura 1: Comparación de la estructura
de costes
cesaria para ello es varias veces superior.
Además, las roscas interiores mecanizadas en frío ofrecen ventajas técnicas en
cuanto al comportamiento de extracción y resistencia al desgaste por abrasión.
A fin de garantizar un atornillado segura
para el proceso en la fabricación de
grandes series es necesario tener en
cuenta los factores de influencia del
sistema de atornillado, de la fabricación
y del montaje. Además desempeña un
papel el precio del producto y de la tecnología y por ello deben mantenerse lo
más reducidos posible. Los costes adicionales debidos a inversiones suple-
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Parámetro
Requisito
Efecto sobre
Diámetro
del taladro
de rosca
Gran tolerancia
Aptitud para el proceso de
montaje
Tensión previa
Posibilidad de atornillado
repetitivo
Taladro de
rosca bisel de
desmoldeo
Elevado bisel de desmoldeo
Gran tolerancia
Duración de la herramienta
de fundición
Aptitud para el proceso de
montaje
Tensión previa
Posibilidad de atornillado
repetitivo
Tipo de
tornillo
Momento de estriado
reducido
Gran relación entre momento
de estriado/momento de fallo
Reducida profundidad de
atornillado
Elevado momento de
arranque
Compatibilidad con tornillos
métricos
Muy buena calidad de
atornillado
Costes
Facilidad para el servicio
técnico
Tensión previa
Posibilidad de atornillado
repetitivo
Tabla 1: Parámetros para el diseño de una unión roscada en metales ligeros
mentarias durante el proceso de montaje y de fabricación no deben mermar
el ahorro obtenido merced a una innovadora tecnología de atornillado. La
tabla 1 muestra los parámetros esenciales y sus efectos sobre la atornilladura.
El atornillado de las cajas de metal ligero
en la fabricación de engranajes se realizan hoy habitualmente con tornillos
métricos. Para ello, el diseño de la unión
roscada se realiza por lo general conforme a la directriz VDI 2230. Pero esta
directriz sólo puede aplicarse con ciertas
limitaciones a la hora de diseñar los elementos de unión autorroscantes. El motivo radica en la superposición del mo-
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mento de estriado y el momento de fricción de la rosca. Por eso es necesario
establecer para la construcción los siguientes requisitos:
• Tensión previa mínima
• Momento de arranque mínimo
• Disminución admisibles de la
tensión previa a consecuencia del
relajamiento
• Requisitos en cuanto a la posibilidad
de atornillado repetitivo de acuerdo
con el cliente
• Definición de un momento de
estriado admisible máximo para
garantizar la seguridad del montaje
Por medio de ensayos estáticos de
atornillado pueden verificarse todos los
Figura 2:
Ensayo estático de atornillado
parámetros esenciales de atornillado,
tanto en el caso de primer atornillado
como en el de atornillados repetitivos.
Los atornillados repetitivos son obligatoriamente necesarios, pero a tal fin debe tenerse en cuenta que los momentos
de apriete y las tolerancias del taladro
de rosca estén ajustados entre sí, de
manera que se eviten las plastificaciones
de la rosca interior horadada en caso de
atornillados repetitivos. Numerosos ensayos de atornillado con la correspondiente medición de la tensión previa (figura 2) han demostrado que se puede
alcanzar una ventana de tensión previa
relativamente homogénea para atornillados primeros y repetidos. A este respecto existe la especial exigencia de
que la fundición pueda respetar sin problemas las tolerancias de los taladros de
rosca y de que, con la tolerancia máxima
y mínima del taladro de rosca, se sigan
cumpliendo las exigencias en cuanto a
construcción respecto de la tensión previa mínima, el momento de arranque,
seguridad de montaje tanto en atornillados primeros como repetidos.
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Comparación de tensión previa
Tornillo autorroscante frente
a tornillo métrico
30
Tensión previa [KN]
25
20
15
10
n = Atornillado manual
n = 200 rpm
n = 350 rpm
5
0
a
b
c
d
1
Taladro de rosca
Tornillo
Tornillo
autorroscante métrico
Comparación entre tornillo
autorroscante y tornillo métrico
Si se realiza un diseño conforme a VDI
2230 para sistemas de acero, arrojaría
con un coeficiente de fricción de m =
0,14, un momento de montaje de 34
Nm y una resistencia 10,9, una tensión
previa de 24,2 KN. La figura 3 muestra
que en el caso de una aleación de aluminio AlSi9Cu3 y el correspondiente diseño de roscas para tornillos autorroscantes de diferentes diámetros de rosca
interior, la tensión previa se encuentre
en 2/3 de la magnitud de la muestra de
VDI. Pero a este respecto debe tenerse
en consideración que este diseño está
dimensionado para un montaje con seguridad de proceso. Montaje con seguridad de proceso significa que la estructura del metal fundido y la geometría de
fundición del material de la tuerca en el
ámbito del taladro de rosca están en
orden.
En los ensayos de las tensiones previas
alcanzables con tornillos previos pueden detectarse estas mismas tendencias. En este caso tampoco pueden alcanzarse con seguridad para el proceso
las tensiones previas especificadas conforme a VDI 2230 en la aplicación concreta de los engranajes.
Figura 3: Tensión previa de uniones
roscadas métricas y autorroscadas
Seguridad de liberación ML frente
a MA
Según VDA 235 – 203 puede asumirse
como no crítica una relación (ML / MA)
> 0,4 entre el momento de liberación
(ML) y el momento de apriete (MA).
Los ensayos de atornillado sobre cajas
de engranajes de GD-AlSi9Cu3 con tornillos autorroscantes Taptite 2000 CE
M8 x 40 – 10.9 han demostrado que los
momentos de liberación disminuyen sostenidamente a medida que aumenta el
número de atornillados repetidos en la
rosca previamente creada. La figura 4 lo
muestra gráficamente.
Existe una tendencia a que con un recubrimiento máximo de roscas se alcancen unos momentos de liberación algo
más elevados que con un recubrimiento
mínimo. En la figura 4 se han analizado
taladros de rosca con la tolerancia máxima de taladro (recubrimiento mínimo
de rosca) y, no obstante, se alcanzaron
momentos de desprendimiento relativamente aceptables.
0,66
MLB/MA [NM/NM]
0,64
0,62
0,60
0,58
0,56
0,54
0,52
0,50
0,48
0,46
MLB1/MA
MLB2/MA
MLB3/MA
MLB4/MA
MLB5/MA
Figura 4: Relación entre momento de liberación y momento de apriete
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F [N]
FVT0
Aumento de la tensión previa
debido a la dilatación térmica
Reducción de la tensión previa
debido al enfriamiento
FPA
FV0
Tensión previa
de apriete
Disminución de
la tensión previa
DFV=FV0-FVT
FVT
T [°C]
Calentamiento
Rango térmico (TEnsayo = 120 °C)
Enfriamiento
Zeit [h]
Figura 5: Ensayo de resistencia a la fatiga por vibración con curva de temperatura
Pérdida de tensión previa
Pérdida de tensión previa frente a fuerza matriz
Temperatura de trabajo
Tensión previa de montaje métrica
Tensión previa de montaje autorroscante
Fuerza matriz
Figura 6: Resultado del ensayo de resistencia a la fatiga por vibración
Relajamiento estático y dinámico
Por medio de ensayos de resistencia a la
fatiga por vibración bajo influjo de temperatura (-40 hasta +120 °C) se pueden
simular cargas de trabajo. Debido a la
distinta rigidez de la caja de engranajes
se produce una distribución diferenciada de la carga de trabajo sobre varios
tornillos. La figura 5 muestra esquemáticamente la evolución de la tensión pre-
via a lo largo de la duración del ensayo
de una unión roscada, estando representadas en la parte inferior los procesos de calentamiento y de enfriamiento.
Los ensayos dinámicos han demostrado
que la pérdida de tensión previa en una
unión roscada, sometida a ensayo bajo
temperatura creciente, es independiente de la fuerza matriz aplicada. Para la
pérdida de tensión previa de roscas
interiores conformadas en frío resulta
esencial la carga térmica aplicada para
una determinada geometría de taladro
de rosca (recubrimiento de rosca), mientras que las cargas térmicas alternantes
a intervalos reducidos no provocan ninguna alteración notable.
Los resultados de la resistencia a la fatiga por vibración según la figura 6 muestran que entre los tornillos métricos y
los tornillos autorroscantes no existe
ninguna diferencia significativa en
cuanto a la disminución de la tensión
previa en condiciones de influencia térmica.
El relajamiento de mediciones estáticas
de larga duración de tensiones previas
en alternancia de temperatura proporciona datos sobre la pérdida de tensión
previa por culpa de las influencias térmicas. En la figura 7 se atornilló una caja
de engranajes con sensor de tensión
previa, intercalado y resistente a la temperatura, con tornillos Taptite 2000 – CE
M8 x 65 y se sometió alternativamente a
diferentes temperaturas (condiciones
de choque térmico). Sobre la base de la
magnitud de resolución elegida se puede reconocer las bandas de dispersión
aparecidas de la tensión previa.
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20000
1º ciclo: 130 °C (aprox. 13 h)
2º ciclo: -30 °C (aprox. 8 h)
3º ciclo: 130 °C (aprox. 15 h)
4º ciclo: -30 °C (aprox. 9 h)
5º ciclo: 130 °C (aprox. 13 h)
Resultado: medición 1 a TA:
19,3 KN
FV máxima después de 0,155 h:
19,9 KN
FV mínima después de 40,87 h:
14,9 KN
Última medición: después de
58,265 h
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
10
20
30
40
50
60
Zeit [h]
Figura 7: Relajamiento estático
60
20
18
50
16
14
12
30
10
8
20
6
4
10
2
0
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Winkel [°]
60
30
50
25
40
20
30
15
20
10
10
5
0
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Winkel [°]
Figura 9: Ensayo de de sobreapretado tornillo autorroscante TAPTITE 2000
con sección trilobular
F V [kN]
Md/F V
Figura 8: Ensayo de de sobreapretado tornillo autorroscante con sección
redonda
F V [kN]
Md/F V
40
Definición de un momento de
estriado máximo admisible para
garantizar la seguridad de
montaje
En el caso de los tornillos autorroscantes, la distancia entre momento de
estriado y de sobreapriete debería ser lo
mayor posible.
La figura 8 muestra el ensayo de sobreapriete de un tornillo autorroscante con
sección redonda en la aplicación original de engranaje con sensor de medición de tensión previa intercalado. La
figura muestra un elevado momento de
estriado (unos 30 Nm). Con un momento de apriete MA de 34 Nm existe,
por tanto, el peligro de que la cabeza no
alcance el apoyo de la misma en caso de
las correspondientes dispersiones de
momento de estriado.
Al alcanzar un momento de estriado
máximo admisible, que se obtiene por
medio del diseño de la unión roscada, es
necesario realizar obligatoriamente un
atornillado posterior. Así pues, los momentos de estriado demasiado elevados
provocan unas tasas mayores de rectificado posterior en el montaje, así como
sobrecargas mecánicas y térmicas de los
atornilladores de montaje. Por lo general, a estos no se les tiene en cuenta o no
se les invita durante la planificación del
montaje. La figura 8 muestra además
que se alcanzan tensiones previas relativamente bajas a MA = 34 Nm, así como
fuerzas de desgarro reducidas en el momento de la rotura del tornillo a causa
de las mayores tensiones de torsión.
La figura 9 muestra el mismo ensayo,
aunque con un tornillo autorroscante
de la marca TAPTITE 2000, que presenta
una sección trilobular (en forma triangular). Los momentos de estriado son
aproximadamente de 12 Nm. Incluso en
el caso de la correspondiente dispersión
de los momentos de estriado está garantizado un atornillado seguro para el
proceso con una tasa mínima de rectificado posterior, alcanzándose fuerzas
previas suficientes.
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Resumen de los resultados
Los resultados de las investigaciones de
los ensayos estáticos y casi-estáticos
han demostrado que una determinada
fuerza previa depende fundamentalmente de la geometría del taladro de la
rosca, de la geometría del tornillo y de
sus tolerancias, así como de las características del material. Debido a la aplicación y las oscilaciones de temperatura
se produce una deformación que, dependiendo del material de la tuerca y del
tornillo, tiene diferentes consecuencias
sobre la tensión previa en reposo. En el
caso de un tornillo de acero en material
de tuerca de aluminio, con las típicas
geometrías sometidas a ensayo, cabe
esperar una pérdida de tensión previa
de 1/3, aproximadamente. Los resultados dinámicos bajo influencia de la temperatura han demostrado que en el caso
de tornillos de acero y material de tuerca
de aluminio, la influencia de la fuerza
matriz no es significativa. Las fuerzas
matrices aplicadas hasta 6 kN no provocaron ninguna disminución mayor de
la tensión previa. Esta conclusión fundamental permitió la reducción de las
dimensiones de las tuercas al menos en
un orden de magnitud, lo que repercute, de forma apreciable, sobre los costes de fabricación y sobre el peso total.
Pero las tolerancias de los taladros de
rosca continúan siendo iguales.
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Aspectos vitales de un atornillado
autorroscante de metal ligero
optimizado en taladro de rosca
fundido:
• La dimensión mínima del tornillo está
minimizada gracias a la fundición de
los taladros de rosca con
aseguramiento del proceso.
• Las tolerancias de fundición deben
configurarse lo más grande posible
para una fabricación de taladros de
rosca y un montaje seguros para el
proceso.
• Las profundidades de atornillado
están limitadas a 2,5 x d, como
máximo, debido a una fabricación de
taladros de rosca seguros para el
proceso y una gran tolerancia.
• Los diámetros de asiento de la cabeza
del tornillo deben fijarse sobre la base
de las tensiones previas máximas
alcanzadas y, cuando sea posible,
mediante la utilización de cabezas
estándar normalizadas.
• Como agente de impulsión del
tornillo deben utilizarse
exclusivamente geometrías interiores
merced al ahorro de costes y a la
reducción de peso.
• El sistema anticorrosión debe
ajustarse en función de la resistencia
al desgaste por abrasión.
• El recubrimiento con lubricantes debe
seleccionarse sobre la base de la
combinación de materiales.
• Optimización de la composición
química de aleaciones de aluminio
para la consecución de una textura de
la tuerca de fácil conformación.
Los autores
Thomas Jakob
Arnold
Umformtechnik
Christian
Hinteregger
Magna Powertrain
• Para conseguir un montaje seguro
para el proceso deben utilizarse
sistemas de atornillado que alcancen
reducidos momentos de estriado y
elevados momentos de sobreapriete.
A tal efecto ha demostrado su
idoneidad un sistema con una sección
de espárrago trilobular (triangular) y
un perfil lateral de rosca radial
(sistema Taptite 2000). Gracias a una
distancia suficiente entre momento
de estriado y momento de apriete se
alcanzan fuerzas previas a un nivel
superior. Además, los menores
momentos de estriado ocasionan una
menor dispersión de
Su persona de contacto:
Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG
Michael Pult
Economista diplomado (FH)
Director de Marketing
y Comunicaciones
Tel.:
0049-(0)7947-821-170
Fax:
0049-(0)7947-821-111
E-mail: [email protected]
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