¿Ha pensado alguna vez en el papel fundamental que desempeñan las humildes arandelas elásticas en la maquinaria? Estos pequeños y discretos componentes desempeñan un papel fundamental para que las máquinas funcionen sin problemas y de forma segura. En este artículo exploraremos el fascinante mundo de las arandelas elásticas, sus tipos y sus diversas aplicaciones en ingeniería mecánica. Descubra cómo estos elementos, a menudo pasados por alto, marcan una gran diferencia en la fiabilidad y el rendimiento de innumerables máquinas y dispositivos.
En la industria de la tornillería, las arandelas elásticas, también conocidas como "arandelas elásticas" o "arandelas de seguridad", desempeñan un papel crucial en el mantenimiento de la integridad de las juntas. Estos componentes se fabrican principalmente a partir de acero inoxidable austenítico (como los grados 304 o 316) o acero al carbono medio (normalmente SAE 1060 a 1075), y estos últimos suelen recibir un acabado protector como el cincado para mejorar la resistencia a la corrosión.
Los tamaños métricos más utilizados para las arandelas elásticas son M3, M4, M5, M6, M8, M10, M12, M14 y M16. Estas dimensiones se adoptan ampliamente en diversas aplicaciones industriales debido a su compatibilidad con los tamaños estándar de pernos y tornillos. La norma nacional china GB/T 94.1-87 regula las especificaciones de las arandelas elásticas y abarca una amplia gama de tamaños, desde 2 mm hasta 48 mm de diámetro interior.
Las arandelas elásticas están diseñadas para proporcionar una superficie de carga para la cabeza del tornillo o la tuerca, al tiempo que ofrecen una funcionalidad adicional. Su diseño de anillo dividido crea tensión cuando se comprime, lo que ayuda a:
Es importante señalar que, aunque las arandelas elásticas son muy utilizadas, su eficacia para evitar el autoaflojamiento ha sido objeto de debate en recientes estudios de ingeniería. Para aplicaciones críticas, los ingenieros suelen considerar métodos de bloqueo alternativos, como las arandelas Nord-Lock o los adhesivos de bloqueo de roscas.
Las arandelas elásticas se fabrican principalmente con aleaciones de alto rendimiento diseñadas para proporcionar una elasticidad y durabilidad óptimas. Los materiales más comunes incluyen:
La selección del material depende de los requisitos específicos de la aplicación, incluida la temperatura de funcionamiento, las condiciones de carga, las necesidades de resistencia a la corrosión y las consideraciones de coste. Cada material ofrece propiedades únicas que pueden aprovecharse para optimizar el rendimiento de las arandelas elásticas en diversos entornos industriales.
Las arandelas elásticas se utilizan principalmente para evitar que se aflojen las tuercas, tal como se especifica en las normas nacionales. Su aplicación es crucial en diversos conjuntos mecánicos, especialmente los sometidos a cargas dinámicas.
Las tuercas hexagonales ranuradas están diseñadas específicamente para su uso con pernos que presentan orificios en los extremos. Este diseño permite la inserción de un pasador de chaveta a través de la ranura de la tuerca en el orificio del perno, lo que impide el aflojamiento automático. Estas tuercas se emplean sobre todo en entornos caracterizados por cargas vibratorias o alternantes, garantizando una fijación segura en condiciones difíciles.
En diseño y fabricación mecánica, se emplean varios métodos para evitar el aflojamiento automático de tuercas o tornillos:
Las arandelas elásticas son muy utilizadas por su eficacia y facilidad de instalación. Por ejemplo, los pernos que conectan los motores a las bases de las máquinas suelen necesitar arandelas elásticas para contrarrestar el aflojamiento causado por las vibraciones del motor. Esta aplicación pone de relieve la capacidad de la arandela para mantener la integridad de la fijación en entornos de altas vibraciones.
Por lo general, las fijaciones de los equipos sometidos a vibraciones se equipan con arandelas elásticas. Sin embargo, su uso en bridas es más selectivo. La decisión de emplear arandelas elásticas en las bridas depende del medio fluido específico y de las condiciones de funcionamiento. Las arandelas elásticas se recomiendan para conexiones con bridas cuando:
Es importante tener en cuenta que estas directrices pueden no ser de aplicación universal. Algunos componentes especializados, como ciertas válvulas y bridas de la tapa de presión de la caja de llenado, pueden requerir arandelas elásticas independientemente de las recomendaciones generales.
Para una selección eficaz de las arandelas elásticas adecuadas, los ingenieros y técnicos pueden utilizar el sistema automatizado Fastener Expert. Esta herramienta agiliza el proceso de elección de la arandela correcta en función de los requisitos específicos de la aplicación, garantizando un rendimiento y una fiabilidad óptimos en los ensamblajes mecánicos.
Las arandelas elásticas y las arandelas planas cumplen distintas funciones en aplicaciones de fijación, cada una con sus propias ventajas y limitaciones. Las arandelas elásticas, diseñadas con un anillo dividido o una estructura ondulada, sirven principalmente para evitar el aflojamiento y mantener la fuerza de precarga en entornos dinámicos. Esto se consigue gracias a su capacidad para almacenar y liberar energía bajo compresión, contrarrestando eficazmente el aflojamiento inducido por las vibraciones. Por el contrario, las arandelas planas no poseen esta capacidad antiaflojamiento.
Las arandelas planas, caracterizadas por su sencilla forma de disco, cumplen múltiples funciones esenciales:
En las conexiones de carga crítica en las que la rigidez de la unión es primordial, como en las estructuras de acero o los motores de alto rendimiento, se suelen evitar las arandelas elásticas. Su naturaleza compresible puede introducir elasticidad en la unión, reduciendo potencialmente su rigidez general y su capacidad de carga. En estos casos, se prefieren arandelas planas o fijaciones con brida para maximizar el área de contacto y mantener la rigidez de la junta.
Sin embargo, en aplicaciones sometidas a vibraciones importantes, cargas cíclicas o dilataciones y contracciones térmicas, las arandelas elásticas se vuelven indispensables. Su capacidad para mantener la tensión en el elemento de fijación en condiciones dinámicas ayuda a evitar fallos por fatiga y garantiza la longevidad de la conexión. Algunos ejemplos comunes son las suspensiones de automóviles, las fijaciones de vías férreas y la maquinaria industrial.
Es fundamental tener en cuenta que la selección entre arandelas elásticas y planas debe basarse en un análisis exhaustivo de los requisitos de la aplicación, incluidas las características de la carga, los factores ambientales y las consideraciones de seguridad. En algunos casos, puede emplearse una combinación de ambos tipos de arandelas para lograr un rendimiento y una fiabilidad óptimos en la unión fijada.
El "hinchamiento" de las arandelas elásticas no suele ser un defecto inherente a las propias arandelas, sino más bien el resultado de fuerzas externas y condiciones de montaje.
El fenómeno del hinchamiento de la arandela elástica se produce cuando la arandela se ve sometida a fuerzas radiales excesivas hacia el exterior. Estas fuerzas proceden principalmente de la fuerza de apriete axial generada por el par de apriete aplicado durante el montaje. La magnitud de esta fuerza es fundamental para determinar la probabilidad y el alcance del hinchamiento.
Un factor clave que contribuye al hinchamiento de la arandela elástica es la geometría de los componentes de acoplamiento, en particular la superficie de apoyo de la tuerca. El chaflán exterior de la superficie de apoyo de la tuerca produce una fuerza de división radial, que puede hacer que la abertura de la arandela elástica se agrande. La relación entre el diámetro del chaflán y la propensión al hinchamiento es inversa: un chaflán de menor diámetro concentra la fuerza en un área más pequeña, lo que aumenta la probabilidad y la gravedad del hinchamiento.
Para mitigar el hinchamiento, los ingenieros suelen emplear una arandela plana entre la tuerca y la arandela elástica. Este componente adicional ayuda a distribuir la carga de forma más uniforme, reduciendo las fuerzas radiales concentradas. Sin embargo, la eficacia de esta solución depende de las propiedades de la arandela plana. Si la arandela plana es demasiado fina o está fabricada con un material de dureza insuficiente, puede deformarse bajo carga y no evitar eficazmente el hinchamiento de la arandela elástica.
Otro problema crítico que afecta a las arandelas elásticas es la fractura por fragilización por hidrógeno. Este tipo de fallo suele atribuirse a dos factores principales en el proceso de fabricación:
Estas conclusiones no son meramente teóricas, sino que han sido corroboradas mediante exhaustivas pruebas de laboratorio y corroboradas por la experiencia práctica a largo plazo en diversas aplicaciones industriales. La interacción entre las propiedades de los materiales, los procesos de fabricación y las condiciones de montaje subraya la complejidad de garantizar un rendimiento fiable de las arandelas elásticas en aplicaciones de fijación críticas.
Arandela elástica dentada interior, arandela elástica dentada exterior
Hay muchos dientes elásticos afilados en la circunferencia, que perforan la superficie de apoyo y evitan que el tornillo se afloje. La arandela elástica dentada interna se utiliza bajo el tamaño de cabeza más pequeño del tornillo; la arandela elástica dentada externa se utiliza sobre todo bajo la cabeza del tornillo y la tuerca.
La arandela elástica dentada tiene un volumen menor que la arandela elástica ordinaria, y el elemento de fijación está sometido a una fuerza uniforme, lo que puede evitar el aflojamiento de forma fiable, pero no es adecuada para desmontajes frecuentes.
Arandela elástica ondulada
Norma nacional: GB/T 7246-1987
Las arandelas elásticas onduladas se dividen en los tipos WG, WL y WN.
Arandela elástica ondulada tipo WG
La arandela elástica ondulada tipo WG es una arandela elástica de tipo abierto, que normalmente puede instalarse en un espacio reducido, como por ejemplo para aplicar precarga a los rodamientos, reducir el ruido de funcionamiento de los rodamientos, mejorar la precisión de funcionamiento y la estabilidad de los rodamientos. Además, se utiliza ampliamente en electrónica y electrodomésticos, con materiales como acero al carbono, acero inoxidable y aleación de cobre.
Arandela elástica ondulada tipo WL
La arandela elástica ondulada tipo WL es una arandela elástica de junta solapada, que normalmente puede instalarse en un espacio reducido, como aplicar precarga a los rodamientos, reducir el ruido de funcionamiento de los rodamientos, mejorar la precisión de funcionamiento y la estabilidad de los rodamientos. Además, se utiliza ampliamente en electrónica y electrodomésticos, con materiales como acero al carbono, acero inoxidable y aleación de cobre.
Arandela elástica ondulada tipo WN
La arandela elástica ondulada tipo WN es una arandela elástica superpuesta de pico ondulado multicapa. En comparación con el tipo WL, esta serie se compone de múltiples capas de material, por lo que la curva de valor K bajo la misma carrera de compresión es más plana que la del tipo WL, lo que resulta adecuado para situaciones en las que la elasticidad es mayor y toda la carrera de trabajo requiere una liberación uniforme de la elasticidad. Los materiales utilizados incluyen acero al carbono, acero inoxidable y aleación de cobre.
Arandela elástica del disco
La arandela elástica de disco, también conocida como arandela elástica Belleville, fue inventada por el francés Belleville. La arandela elástica de disco DIN6796 (serie HDS) está diseñada para arandelas antiaflojamiento para uniones de pernos y tornillos.
Está diseñada y fabricada de acuerdo con la norma DIN 6796 y se utiliza para conectar pernos y tornillos de resistencia media o alta. La gran carga de soporte y la recuperación elástica hacen que la serie HDS sea muy eficaz. La tensión del perno puede soportar la relajación causada por el desgaste de las piezas vulnerables, la fluencia, la relajación, la expansión térmica, la contracción o el apriete de las piezas de sellado.
La serie HDS aumenta varias veces el efecto elástico de los pernos y puede sustituir eficazmente a las arandelas elásticas ordinarias, pero no es adecuada para su uso como arandela de bloqueo o combinación de arandelas planas.
Como la serie HDS es un muelle de disco que puede emparejarse o solaparse, el emparejamiento puede aumentar la deformación del grupo de muelles de disco, y el solapamiento puede aumentar la fuerza del muelle del grupo de muelles de disco.
El método de instalación ideal es apretarlo lo más plano posible. Cuanto más se acerque al estado plano, más rápido aumentará el par de apriete. Se puede obtener una tensión adecuada de los tornillos sin necesidad de una llave dinamométrica.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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