LA INTERACCIÓN DE LAS FUERZAS EN UNA UNIÓN ATORNILLADA
| Figura 1 | Figura 2 |
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En términos sencillos, existen dos tipos posibles de carga estática en una unión atornillada:
- Sin fuerza de apriete: la fuerza se transmite entre las placas mediante presiones de contacto y esfuerzos cortantes en el cuerpo del tornillo o en la rosca. Las placas que se van a unir se desplazan entre sí hasta que los orificios apoyan contra el cuerpo del tornillo o contra la rosca. En este caso, los tornillos están sometidos a esfuerzo cortante por una carga transversal; consulte la figura 1.
- Con una elevada fuerza de apriete: esta fuerza impide el desplazamiento relativo de las piezas sujetas. La fuerza se transmite mediante fricción y los tornillos están sometidos a tracción por una carga axial; consulte la figura 2. Para las uniones de acero inoxidable, consulte nuestra guía sobre cómo evitar el gripado de los elementos de fijación de acero inoxidable.
ELASTICIDAD DE UNA UNIÓN ROSCADA
- Los tornillos y las piezas unidas funcionan como un conjunto elástico. Los elementos sujetos se comprimen elásticamente, mientras que el tornillo se alarga durante el montaje. Si el tornillo se alarga aún más debido a una carga externa, las piezas sujetas recuperan elásticamente parte de su deformación.
- La fuerza de tracción en el tornillo es igual a la fuerza de compresión ejercida sobre los elementos sujetos, como se muestra en la figura 3.
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UN TORNILLO MÁS ELÁSTICO PROVOCA UN MENOR AUMENTO DE LA CARGA DEL TORNILLO
EN RESUMEN
- Los elementos estructurales deben ser lo más rígidos posible.
- La fuerza de apriete debe ser tan elevada como sea posible dentro de los límites de seguridad y debe permanecer por encima de la fuerza externa de separación.
- Pueden utilizarse tornillos más elásticos. Seleccione una relación elevada entre la longitud de apriete y el diámetro, de al menos 5×D, elija una mayor longitud roscada cuando resulte adecuado y, si es necesario, utilice un tornillo con vástago reducido. Para las uniones sometidas a cargas dinámicas, consulte nuestra guía sobre métodos de bloqueo de elementos de fijación.
PARÁMETROS DE DISEÑO DE LAS UNIONES ATORNILLADAS
| Parámetro de diseño | Efecto sobre la carga del tornillo | Efecto sobre la fuerza de apriete | Recomendación |
|---|---|---|---|
| Tornillo más elástico con una relación L/D mayor | ↓ Reduce la carga adicional del tornillo Fsa | ↓ Mayor reducción de la fuerza de apriete Fpa | Utilice una longitud de apriete de al menos 5×D. |
| Materiales sujetos rígidos | ↓ Reducen la carga adicional del tornillo Fsa | ↓ Mayor reducción de la fuerza de apriete Fpa | Utilice materiales rígidos, como acero o hierro fundido, y evite las juntas blandas siempre que sea posible. |
| Mayor precarga Fm | No modifica la amplitud de Fsa para una rigidez determinada de la unión | ↑ Mayor fuerza de apriete residual Fkr | Cuando el diseño de la unión y el método de apriete lo permitan, apriete aproximadamente hasta el 90 % de la carga de prueba del tornillo. |
| Diámetro de vástago reducido | ↓ Aumenta la elasticidad del tornillo | Consulte «tornillo más elástico» | Utilice tornillos específicamente diseñados con vástago reducido. Cuando sea apropiado, un tornillo parcialmente roscado como DIN 931 puede disponer de una sección lisa más larga que un tornillo DIN 933. |
| Mayor longitud roscada dentro de la longitud de apriete | ↓ Aumenta la elasticidad del tornillo | Consulte «tornillo más elástico» | Seleccione una mayor longitud roscada cuando el diseño de la unión y los requisitos de acoplamiento de la rosca lo permitan. |
| Juntas o arandelas blandas | ↑ Aumentan la fluctuación de la carga del tornillo | ↑ Mayor pérdida de precarga con el paso del tiempo | Evite los elementos blandos siempre que sea posible. Si son inevitables, considere el uso de arandelas de muelle o muelles de disco y un método de bloqueo adecuado. |
| Carga dinámica o vibraciones | ↑ Aumenta el riesgo de fatiga | ↓ Riesgo de pérdida total de la fuerza de apriete | Utilice una solución de bloqueo adecuada, como arandelas de bloqueo por cuña Nord-Lock o roscas Spiralock. Consulte nuestra guía sobre métodos de bloqueo. |
PREGUNTAS FRECUENTES SOBRE LAS FUERZAS EN LAS UNIONES ATORNILLADAS
¿Qué es la precarga en una unión atornillada?
La precarga, identificada como Fm, es la fuerza de apriete inicial que se crea cuando se aprieta un tornillo. Comprime las piezas sujetas y alarga el tornillo, creando un sistema elástico que resiste las cargas externas. Sin una precarga suficiente, las fuerzas externas actúan más directamente sobre el tornillo, aumentando el riesgo de rotura por fatiga. Una precarga insuficiente o perdida está asociada con aproximadamente el 80 % de las roturas de tornillos durante el servicio.
¿Por qué se aflojan las uniones atornilladas bajo vibraciones?
Las vibraciones pueden provocar microdeslizamientos entre las superficies sujetas, reduciendo gradualmente la fuerza de apriete o precarga. A medida que disminuye la fuerza de apriete residual Fkr, una mayor parte de cada ciclo de carga se transmite directamente al tornillo en forma de tensión fluctuante. Cuando Fkr llega a cero, la unión puede separarse. Los dispositivos de bloqueo, como las arandelas de bloqueo por cuña Nord-Lock o las roscas Spiralock, ayudan a mantener la precarga bajo cargas dinámicas. Consulte nuestra guía sobre métodos de bloqueo de elementos de fijación.
¿Cómo afecta la elasticidad del tornillo a la vida útil a fatiga?
Puede obtenerse un tornillo más elástico mediante una mayor relación entre la longitud de apriete y el diámetro, de al menos 5×D, una sección roscada más larga dentro de la longitud de apriete o un vástago reducido. En el diagrama fuerza-deformación, una curva más plana del tornillo significa que una menor parte de la fuerza externa Fa se transforma en un aumento de la carga del tornillo Fsa. Dado que las fluctuaciones de Fsa contribuyen a la fatiga, reducir este aumento puede prolongar la vida útil a fatiga del tornillo.
¿Qué es la relación entre la longitud de apriete y el diámetro del tornillo y por qué es importante?
La relación entre la longitud de apriete y el diámetro del tornillo, también denominada relación L/D, es el espesor total del material sujeto dividido por el diámetro nominal del tornillo. Se recomienda una relación mínima de 5:1 porque hace que el tornillo sea suficientemente elástico para soportar cargas externas sin fluctuaciones excesivas de tensión. Los tornillos cortos con una relación L/D baja son relativamente rígidos y transmiten una mayor parte de la carga dinámica directamente al tornillo.
¿Cómo elijo entre una unión atornillada sometida a cortante y una sometida a tracción?
En las uniones sometidas a cortante con carga transversal, la fuerza se transmite mediante el contacto del cuerpo del tornillo o de la rosca contra la pared del orificio. Esto puede requerir tornillos ajustados, orificios con tolerancias reducidas u orificios escariados. En las uniones sometidas a tracción con carga axial, la fuerza de apriete genera una fricción que impide el desplazamiento de las placas. Las uniones a tracción con una elevada precarga suelen ser más predecibles, más fáciles de diseñar frente a la fatiga y compatibles con orificios de paso estándar. Para entornos corrosivos, consulte nuestra guía sobre elementos de fijación de acero inoxidable.
Última actualización: 12 de julio de 2026
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