Tres normas de arandelas planas, y solo una dice para qué sirve una arandela

Esta página no explica la mecánica de la distribución de tensiones, no da consejos de diseño ni de selección y no nombra ningún producto. Lee tres alcances y una tabla de dimensiones de cada uno. La pregunta procede de un sitio público de preguntas de ingeniería, a través de su interfaz abierta, porque las herramientas de navegador que este sitio usa normalmente siguen sin estar disponibles. Leímos la pregunta y no sus respuestas, y aquí no aparece ningún nombre de usuario.

La serie normal devuelve la pregunta

Empecemos por la arandela común, la que viene en la caja. Su norma comienza diciendo qué es: serie normal, clase de producto A, en las clases de dureza 200 HV y 300 HV, en tamaños nominales de 1,6 mm a 64 mm. Luego indica a qué elementos de fijación conviene cada clase de dureza. La arandela de 200 HV, para pernos y tornillos de clases de resistencia hasta 8.8 inclusive y tuercas hasta 8 inclusive. La de 300 HV, para clases de resistencia hasta 10.9 inclusive y tuercas hasta 10.

Es una afirmación sobre cómo emparejar una arandela con un elemento de fijación, y es la única afirmación funcional del documento. Luego viene la última línea del alcance.

Fíjese en cuáles son esas dos condiciones. Un material blando que se aprieta. Un agujero sobredimensionado. Son las dos situaciones en las que alguien recurre a una arandela en primer lugar, y la norma de la arandela común devuelve ambas de inmediato, con la instrucción de ir a comprobarlas.

Y la serie ancha las recoge

La norma siguiente es la misma arandela con un diámetro exterior mayor. Su alcance tiene las mismas clases de dureza y la misma lista de elementos de fijación, y luego una frase que la serie normal no tiene: estas arandelas están destinadas a usarse en casos en que deban apretarse piezas de material blando o en que la pieza tenga agujeros de paso grandes.

Las mismas dos condiciones, en el mismo orden, pasadas de advertencia a finalidad. Entre dos documentos publicados el mismo año por el mismo comité, los dos casos en que se suele recurrir a una arandela son rechazados por uno y reclamados por el otro.

Y luego la salvedad, que es la parte en la que conviene detenerse. «No obstante, en este último caso, debería comprobarse la idoneidad del espesor de la arandela». (traducción) Este último caso es el agujero sobredimensionado. Para un agujero demasiado grande para sostener la arandela bajo la cabeza, la magnitud que nombra la norma no es el diámetro exterior. Es el espesor, porque a una arandela sin apoyo sobre un agujero grande se le pide que se flexione más que que reparta.

Cuánta área más se obtiene en realidad

Tomemos M8 en las tres tablas. Valores nominales, todos leídos de las tablas de dimensiones publicadas.

La cara de apoyo es la corona entre esos dos diámetros, así que su área es π/4 por la diferencia de los cuadrados. Ese cálculo es nuestro.

• Normal: 145,6 mm²
• Ancha: 397,0 mm², es decir, 2,73 veces la normal
• Extra ancha: 552,1 mm², es decir, 3,79 veces

De ahí salen dos cosas. El espesor solo pasa de 1,6 a 2 y a 3, así que el área crece 3,8 veces mientras el espesor crece 1,9 veces. Y la arandela extra ancha tiene un agujero mayor, 9,00 frente a 8,40, de modo que seis décimas de milímetro de su diámetro exterior adicional se gastan en un ajuste más holgado y no en cara de apoyo.

La arandela más grande es la más blanda

Lea ahora el tercer alcance y observe que no es en absoluto una versión mayor de los dos primeros.

Pongamos en fila las tres clases de dureza, que es una comparación nuestra y no algo que los documentos presenten lado a lado. Serie normal: 200 HV o 300 HV. Serie ancha: 200 HV o 300 HV. Serie extra ancha: 100 HV. La arandela con casi cuatro veces el área de apoyo es la que se fabrica con la mitad de la dureza de la opción más blanda de las otras dos, en la clase de producto inferior, y nombra su aplicación en las últimas palabras de su propio alcance.

La consecuencia merece decirse con claridad, porque invierte el instinto habitual. Si quiere más área de apoyo bajo un perno de clase de resistencia 10.9, la arandela extra ancha no es la respuesta que dan las normas. No está prevista para ese perno. La arandela más grande que los tres documentos ofrecen para 10.9 es la serie ancha en 300 HV, que en M8 corresponde a la cifra de 2,73 veces citada arriba.

Nada de esto dice si alguna de estas arandelas protegerá un material concreto, y esta página no lo intenta. Qué arandela conviene a una unión es una cuestión de límites de presión superficial, y ningún límite aparece en las tres normas leídas aquí.

Lo que contienen realmente los tres documentos

Entre las tres, estas normas ISO para un anillo plano con un agujero contienen: clases de dureza, clases de producto, rangos de tamaños nominales, listas de a qué clases de resistencia de elementos de fijación conviene cada clase de dureza, diámetros de agujero y exteriores, espesores, rugosidad superficial y un conjunto de tolerancias remitido a otra norma.

Lo que no contienen es una explicación de la mecánica. Nada sobre la presión, nada sobre cuánto se extiende una carga bajo una cabeza, nada sobre el cono que se suele dibujar. Lo más cerca que llega cualquiera de ellas es una frase del documento intermedio que dice para qué dos situaciones están destinadas sus arandelas, y otra del primero que dice que justamente en esas dos situaciones hay que ir a comprobar.

Este sitio ya recorrió el tema de las arandelas desde otra dirección: la página sobre por qué el cobre alrededor de un agujero no es una arandela y la de la arandela dentada incluida en una lista de no utilizar para la unión equipotencial. Ninguna se repite aquí.

Qué conviene retener

• La serie normal nombra dos situaciones y le pide que las compruebe usted: material blando que se aprieta y agujero de paso grande
• La serie ancha reclama esas mismas dos como su finalidad. Mismo año, mismo comité, tratamiento opuesto
• Para el agujero sobredimensionado, la serie ancha nombra el espesor, no el diámetro exterior
• En M8 las áreas de apoyo son 145,6, 397,0 y 552,1 milímetros cuadrados, una relación de 1, 2,73 y 3,79, según nuestro cálculo con los diámetros publicados
• El área crece más rápido que el espesor, 3,8 veces frente a 1,9
• La arandela extra ancha tiene un agujero mayor, así que parte de su diámetro adicional compra holgura y no cara de apoyo
• La arandela extra ancha es de 100 HV, clase de producto C, y solo está prevista hasta la clase de resistencia 6.8, en madera
• Por tanto, la arandela más grande disponible bajo un perno 10.9 es la serie ancha en 300 HV, no la extra ancha
• Ninguna de las tres incluye un límite de presión superficial, así que ninguna dice si el material de debajo resistirá

La pregunta era por qué una arandela distribuye la tensión. Los tres documentos que definen las arandelas no la responden, y eso es el hallazgo, no una queja. Son normas dimensionales con una clase de dureza añadida, y la única frase funcional del conjunto es una línea sobre dos situaciones, en el documento intermedio.

Tampoco dicen de qué lado va. El único documento que tuvo que resolverlo es una norma de ensayo, y fija la arandela para que no pueda girar en lugar de nombrar un extremo del perno.

Este artículo no pertenece a un solo paso de los seis: abarca varios o aparece después del montaje. Las decisiones se explican en el artículo inglés Specifying a screw.

Preguntas frecuentes

¿Dicen las normas de arandelas planas para qué sirve una arandela?

Solo una de las tres. La norma de la serie ancha dice que sus arandelas están destinadas a usarse donde deban apretarse piezas de material blando o donde la pieza tenga agujeros de paso grandes. La norma de la serie normal nombra las mismas dos situaciones pero pide al usuario que compruebe la idoneidad técnica de ese tipo de arandela, y la norma de la serie extra ancha declara una aplicación y no una función.

¿Cuánta área de apoyo más da una arandela de serie ancha?

En M8, la serie normal mide 16,00 mm de exterior sobre un agujero de 8,40 mm, y la serie ancha 24,00 sobre el mismo agujero. Tratando la cara de apoyo como la corona entre ambos, nuestro cálculo da 145,6 y 397,0 milímetros cuadrados, así que la serie ancha es 2,73 veces la normal. La serie extra ancha, 28,0 sobre un agujero de 9,00, da 552,1 milímetros cuadrados, o 3,79 veces.

¿Por qué la norma de la serie ancha menciona el espesor?

Por el segundo de sus dos casos. Dice que cuando hay agujeros de paso grandes debería comprobarse la idoneidad del espesor de la arandela. Una arandela que salva un agujero demasiado grande para sostenerla tiene que resistir flexión, y lo que gobierna eso es el espesor, no el diámetro exterior.

¿Es la arandela extra ancha solo una versión mayor de la normal?

No. Se especifica en la clase de dureza 100 HV y clase de producto C, frente a 200 HV y 300 HV en clase de producto A para las otras dos. Es adecuada para pernos y tornillos de clase de producto C de clases de resistencia hasta 6.8 inclusive y tuercas hasta 6 inclusive, utilizados en estructuras de madera.

¿Qué arandela debe ir bajo un perno de clase de resistencia 10.9?

Esta página no da consejos de selección. Lo que puede informar es que, de las tres normas leídas, solo la serie normal y la ancha incluyen una clase de dureza adecuada hasta 10.9, a saber, 300 HV. La serie extra ancha solo está prevista hasta 6.8, así que no figura entre las opciones que esos documentos ofrecen para un perno 10.9.

¿Qué clases de dureza existen para arandelas planas?

En estas tres normas, 200 HV y 300 HV para la serie normal y la ancha en clase de producto A, y 100 HV para la serie extra ancha en clase de producto C. La dureza es Vickers, ensayada según una norma aparte que no se leyó para esta página.

¿Dicen las normas cuánta presión soporta el material bajo la arandela?

No. Ninguna de las tres incluye un límite de presión superficial. Dan clases de dureza, dimensiones, espesores y rugosidad superficial, y remiten las tolerancias a otro documento. Si el material apretado resistirá no es una pregunta que respondan.

¿Una arandela más gruesa reparte la carga más lejos?

Esta página no lo afirma, porque ninguna de las tres normas lo hace. Lo que dice la norma de la serie ancha es más acotado: cuando el agujero de paso es grande, comprobar el espesor. Es una afirmación sobre qué dimensión comprobar, no sobre hasta dónde llega una carga.

¿Por qué, exactamente, una arandela ayuda a distribuir la tensión?

Esta página no responde la mecánica ni lo intenta. Informa de lo que contienen las normas de producto: dimensiones, clases de dureza, listas de clases de resistencia compatibles y una frase de finalidad declarada en el documento intermedio de los tres.

Referencias

• ISO 7089:2000, Plain washers, Normal series, Product grade A. Vista previa gratuita de 9 páginas con el alcance y la tabla de dimensiones preferentes
• ISO 7093-1:2000, Plain washers, Large series, Part 1: Product grade A. Vista previa gratuita de 9 páginas con el alcance y la tabla de dimensiones preferentes
• ISO 7094:2000, Plain washers, Extra large series, Product grade C. Vista previa gratuita de 8 páginas con el alcance y la tabla de dimensiones preferentes
• La pregunta, en un sitio público de preguntas de ingeniería (en inglés). 24 votos, 5 respuestas

Se leyeron tres vistas previas gratuitas, una por serie: la normal, la ancha y la extra ancha, todas publicadas en 2000. En cada caso la vista previa incluye el alcance completo y la tabla de dimensiones preferentes. Cada frase citada y cada dimensión se comprobaron contra una imagen renderizada de la página y no contra el texto extraído. Lo siguiente son cálculos y comparaciones nuestros, no afirmaciones de ninguno de los tres documentos: las áreas de apoyo de 145,6, 397,0 y 552,1 milímetros cuadrados, obtenidas tratando la cara de apoyo como la corona entre el agujero nominal y el diámetro exterior nominal; las relaciones 2,73 y 3,79; la observación de que el área crece 3,8 veces mientras el espesor crece 1,9 veces; la nota de que la serie extra ancha tiene un agujero de paso mayor que las otras dos; y la lectura lado a lado de las tres clases de dureza. Ninguna norma leída aquí pone las tres series una junto a otra ni hace esa comparación. Esta página no explica la mecánica de la distribución de tensiones, no da consejos de diseño ni de selección y no afirma que ninguna arandela vaya a proteger ningún material, porque ninguna de las tres incluye un límite de presión superficial. La norma de plan general de arandelas, la norma de tolerancias de arandelas y el método de ensayo de dureza Vickers se citan en estos documentos y ninguno se ha leído aquí; las tablas de dimensiones no preferentes no se usan. La pregunta procede de un sitio público de preguntas de ingeniería y no de las herramientas de foros que este sitio usa normalmente, que siguen sin estar disponibles. Leímos la pregunta y no sus respuestas, y aquí no aparece ningún nombre de usuario.