La selección de pernos para una unión mecánica no depende únicamente de su diámetro, material o resistencia. La longitud de agarre también desempeña un papel importante en el comportamiento de la unión, especialmente en la conservación de la precarga y la resistencia al aflojamiento.
Una relación elevada entre la longitud de agarre y el diámetro del perno puede ayudar a reducir las pérdidas de precarga y mejorar el comportamiento de la unión cuando está sometida a cargas transversales. Por el contrario, los pernos con una longitud de agarre reducida pueden ser más susceptibles a perder precarga cuando se producen asentamientos en las superficies de contacto.
Comprender esta relación permite tomar mejores decisiones durante el diseño de uniones atornilladas utilizadas en equipos, estructuras y sistemas industriales.
¿Qué es la longitud de agarre de un perno?
La longitud de agarre es la distancia correspondiente al espesor total de los componentes que quedan sujetos por el perno, entre las superficies de apoyo de la cabeza y la tuerca. En una unión con varias placas, por ejemplo, corresponde al espesor combinado de las piezas sujetadas.
Para analizar la relación entre esta longitud y el diámetro del perno, se utilizan dos variables:
- L: longitud de agarre de la unión, expresada en milímetros.
- D: diámetro nominal del perno, expresado en milímetros.
La relación entre ambas magnitudes se obtiene dividiendo la longitud de agarre entre el diámetro nominal del perno.
¿Cómo calcular la relación entre longitud de agarre y diámetro?
La fórmula es la siguiente:
Relación L/D = Longitud de agarre (L) / Diámetro del perno (D)
Por ejemplo, si se utiliza un perno M10 en una unión cuyo espesor total de agarre es de 40 mm, el cálculo sería:
- Longitud de agarre (L): 40 mm.
- Diámetro nominal del perno (D): 10 mm.
- Relación L/D: 40 / 10 = 4.
Por tanto, la relación entre la longitud de agarre y el diámetro es igual a 4.
Como regla orientativa, el documento técnico de Bolt Science señala que resulta preferible una relación L/D de 4 o superior frente a relaciones considerablemente menores. Sin embargo, este valor debe entenderse como una recomendación general, no como un requisito universal aplicable a todas las uniones atornilladas.
¿Por qué es importante una relación L/D elevada?
La longitud de agarre influye en cuánto se estira el perno cuando se aprieta y, por consiguiente, en cómo responde la unión ante los asentamientos de las superficies de contacto.
Cuando un perno se aprieta, experimenta una pequeña elongación. La resistencia del material a esa deformación genera la precarga que mantiene unidos los componentes.
El problema aparece cuando las superficies de contacto se asientan después del montaje. Si ese asentamiento reduce la elongación del perno, también puede disminuir la precarga de la unión.
Una longitud de agarre mayor permite que el perno se estire más para una misma precarga, en condiciones comparables. Esto hace que una pérdida determinada de elongación represente una proporción menor de su estiramiento inicial.
Pérdida de precarga por asentamiento de las superficies
El asentamiento, también denominado embedding en la documentación técnica, consiste en la deformación o el aplanamiento de las pequeñas irregularidades presentes en las superficies de contacto de los componentes y del elemento de fijación.
Este fenómeno puede producirse después del montaje, cuando la unión comienza a soportar cargas externas.
El documento de Bolt Science presenta un ejemplo con un perno M10 de clase de propiedad 8.8, instalado en una unión con una longitud de agarre de 40 mm. En ese caso, el perno experimenta una elongación aproximada de 0,1 mm al apretarse.
Si el asentamiento reduce esa elongación entre 0,01 y 0,02 mm, la pérdida de precarga puede situarse aproximadamente entre el 10 % y el 20 %.
En una unión con una longitud de agarre menor, la pérdida proporcional puede ser superior. El documento explica que, en el ejemplo de una unión con 20 mm de longitud de agarre, la elongación del perno sería de aproximadamente 0,064 mm y la pérdida de precarga por asentamiento podría alcanzar entre el 15 % y el 30 %.
En uniones con relaciones L/D muy bajas, esta pérdida puede superar el 50 %, dependiendo de las condiciones de la unión.
Estos valores corresponden a los ejemplos analizados en el documento y no deben interpretarse como porcentajes universales para cualquier perno o montaje.
¿Cómo influye la longitud de agarre en el aflojamiento de los pernos?
Además de ayudar a conservar la precarga, una longitud de agarre mayor puede mejorar la resistencia al aflojamiento provocado por movimientos transversales de la unión.
Cuando una unión atornillada recibe una carga transversal superior a la fricción disponible entre sus superficies, puede producirse un desplazamiento relativo de los componentes.
Inicialmente, el perno puede flexionarse ligeramente para resistir ese movimiento. Si el desplazamiento aumenta, puede llegar un momento en el que se produzca deslizamiento entre las superficies de apoyo de la cabeza del perno o de la tuerca y las piezas sujetadas.
Este deslizamiento puede favorecer el autoaflojamiento de la unión.
Los pernos con una longitud de agarre mayor tienden a admitir un desplazamiento transversal superior antes de que se produzca el deslizamiento que favorece el aflojamiento. En cambio, los pernos cortos pueden alcanzar esa condición con desplazamientos menores.
¿Qué es la distancia crítica de deslizamiento?
La distancia crítica de deslizamiento es el desplazamiento relativo de la unión necesario para iniciar el deslizamiento de las superficies de apoyo del elemento de fijación.
Según los ejemplos presentados en el documento, un perno con una longitud de agarre corta puede tener una distancia crítica inferior a 0,1 mm, mientras que uno con una longitud de agarre mayor puede alcanzar 0,5 mm o más.
El documento plantea un caso ilustrativo en el que el movimiento transversal de la unión está limitado a 0,2 mm. Bajo las condiciones de ese ejemplo, el perno corto podría comenzar a aflojarse, mientras que el perno largo podría resistir el movimiento sin experimentar el mismo mecanismo de deslizamiento.
Estos valores ilustran el efecto de la longitud de agarre; el comportamiento real depende de las características del perno, la precarga, la fricción y la configuración de la unión.
¿Qué alternativas existen cuando la longitud de agarre es reducida?
En determinadas aplicaciones, la geometría de los componentes obliga a utilizar pernos con una longitud de agarre pequeña. Aumentarla mediante separadores puede no ser viable debido a limitaciones de espacio, peso, coste o diseño.
En estos casos, existen alternativas que pueden ayudar a reducir determinados efectos asociados con la pérdida de precarga.
Arandelas cónicas de resorte
Las arandelas cónicas de resorte, también conocidas como arandelas Belleville, se deforman elásticamente bajo una carga de compresión.
Su función en la aplicación descrita por el documento es incrementar la flexibilidad del conjunto formado por el perno y la unión. De esta manera, el asentamiento de las superficies puede representar una proporción menor de la deformación total del sistema.
El documento presenta un ejemplo en el que la incorporación de una arandela cónica reduce la pérdida de precarga estimada por asentamiento desde un intervalo del 15 % al 30 % hasta aproximadamente un 5 %.
Este resultado corresponde al caso analizado y no garantiza la misma reducción en todas las aplicaciones. La arandela debe seleccionarse de acuerdo con las características de la unión y la precarga requerida.
La documentación también menciona la norma DIN 6796, relativa a arandelas cónicas de resorte para conjuntos de perno y tuerca.
Controlar el movimiento transversal de la unión
Otra alternativa descrita en el documento consiste en limitar el desplazamiento relativo de los componentes mediante agujeros con una holgura adecuada.
En determinadas configuraciones, esta medida permite que el vástago del perno entre en contacto con la pared del agujero antes de que se produzca el deslizamiento de las superficies de apoyo que favorece el autoaflojamiento.
La viabilidad de esta solución depende de la geometría de la unión, las cargas y los requisitos de diseño.
¿Qué relación existe entre el aflojamiento y la fatiga del perno?
El aflojamiento y la fatiga son fenómenos diferentes, aunque pueden estar relacionados cuando una unión está sometida a movimientos repetitivos.
El autoaflojamiento puede producirse cuando los desplazamientos transversales provocan deslizamientos que permiten que el perno gire progresivamente y pierda carga.
Por su parte, la fatiga puede aparecer cuando el perno soporta esfuerzos repetidos durante un número elevado de ciclos. Estas solicitaciones pueden favorecer la propagación de grietas y, finalmente, la fractura del elemento de fijación.
El documento menciona el ensayo de Junker como un método para evaluar la resistencia al autoaflojamiento de las uniones atornilladas. En esta prueba, la unión se somete repetidamente a movimientos transversales mientras se controla la carga que conserva el perno.
También señala que impedir el autoaflojamiento no elimina necesariamente el riesgo de fatiga si persisten los movimientos repetitivos. Por ello, el diseño debe considerar tanto la conservación de la precarga como las solicitaciones que soportará el perno durante su vida útil.
Conclusión: la longitud de agarre también importa en el diseño de uniones atornilladas
La relación entre la longitud de agarre y el diámetro del perno es un factor relevante para comprender el comportamiento de las uniones mecánicas.
Una relación L/D elevada puede contribuir a reducir la pérdida proporcional de precarga provocada por el asentamiento de las superficies y mejorar la resistencia al autoaflojamiento ante movimientos transversales.
Cuando las limitaciones de diseño obligan a utilizar pernos con una longitud de agarre reducida, pueden evaluarse alternativas como las arandelas cónicas de resorte y las medidas destinadas a controlar el desplazamiento de la unión.
No obstante, la selección final del perno y de sus elementos auxiliares debe considerar las cargas aplicadas, la geometría de los componentes, la precarga requerida, las condiciones de servicio y los criterios de diseño correspondientes a cada aplicación.
Por tanto, evaluar la longitud de agarre junto con el diámetro, y no únicamente el tamaño del perno, permite comprender mejor los factores que influyen en la fiabilidad de una unión atornillada industrial.
Fuente técnica
Artículo original: The Importance of the Grip Length to Bolt Diameter Ratio, publicado por Bolt Science.
Para profundizar en el tema, puede consultarse también su material técnico sobre el autoaflojamiento de pernos y la distancia crítica de deslizamiento.
