El tornillo es un resorte, y la unión también

La magnitud, y cómo nombrarla correctamente

La VDI 2230 Blatt 1 la llama Kraftverhältnis, factor de carga, símbolo Φ. Es la parte de una carga de servicio axial que llega al tornillo:

Φ = F_SA / F_A

Las piezas apretadas se descargan en el resto, F_PA = (1 − Φ) F_A. En el caso más simple — apriete coaxial con la carga introducida en las caras de apoyo de la cabeza y la tuerca — se obtiene directamente de las dos flexibilidades:

Φ_K = δ_P / (δ_S + δ_P) = k_S / (k_S + k_P)

La NASA-STD-5020B escribe lo mismo como φ = k_b / (k_b + k_c).

Una cita que conviene evitar: la ISO 16224 no es el equivalente ISO. El ISO/TR 16224:2012, anulado, y la ISO 16224:2026, vigente, tratan ambos de la capacidad de carga de las tuercas y del barrido de rosca, y ninguno define el diagrama de la unión ni Φ.

La corrección: la precarga no reduce la amplitud de tensión

Habíamos redactado la afirmación habitual: apriete más y la amplitud de tensión alterna del tornillo baja, así que dura más. Mientras la unión no se separa, no es eso lo que ocurre.

Mientras la unión permanece cerrada y ambos resortes se comportan de forma lineal, el rango de carga del tornillo bajo una carga externa cíclica ΔP es

ΔF_bolt = nΦ · ΔP

El valor de la precarga no aparece. Apretar más eleva la tensión media en el tornillo y no cambia nada de la amplitud. Pero que la precarga no figure en la amplitud aplicada no la vuelve irrelevante para la fatiga: la VDI hace de la amplitud admisible una función de la fuerza media del tornillo. Véase el límite de fatiga es una convención de ensayo.

Lo que la precarga compra de verdad es margen hasta la separación. En cuanto la unión se abre, el modelo de reparto deja de aplicarse y el tornillo asume prácticamente toda la carga de separación adicional — la pendiente del diagrama pasa de nΦ a 1. La NASA afirma con claridad que la separación bajo carga cíclica aumenta el daño por fatiga del tornillo. La VDI sitúa el punto de apertura completa en

F_Aab = F_V / (1 − Φ_n)

Así que la versión honesta del consejo es: precargue lo suficiente para que la unión nunca se abra, porque la penalización por abrirse es grande y brusca. Más allá de ese punto, más precarga es sobre todo más tensión media.

¿Entonces «no apretar de más» es incorrecto?

Íbamos a decir que sí. Eso es ir demasiado lejos.

La VDI sí dice que, al apretar dentro del rango elástico, debe apuntarse a un grado de utilización ν = 0.9 incluso cuando la función requiere una F_M max menor. Pero el mismo apartado exige establecer la precarga de montaje admisible F_M zul a partir de los límites de presión superficial, la carga térmica, la flexibilidad y la resistencia.

La norma respalda aprovechar por completo la precarga admisible. No respalda ignorar el techo, y hay techos reales: la fluencia, el aplastamiento de la cara de apoyo y la carga térmica. «No apretar de más» es un mal consejo cuando significa «quedarse muy por debajo de lo admisible», y es correcto cuando significa «no superarlo».

Por qué una junta blanda empeora la vida del tornillo

Esta sí se sostiene. Una junta blanda reduce la rigidez de las piezas apretadas k_P, lo que aumenta la flexibilidad δ_P, lo que empuja Φ hacia 1. Una parte mayor de cada carga externa se convierte en carga del tornillo.

En la parte superior de esa tabla, el tornillo recibe toda la carga externa. Las juntas aportan además no linealidad, histéresis y fluencia lenta, que hacen perder precarga con el tiempo además del efecto de rigidez.

Son valores orientativos simplificados, no el Φ de la VDI con n incluido. Y no existe ningún rango típico general para uniones metal con metal que hayamos podido verificar: Bickford da para una unión «típica» sin junta K_J ≈ 5K_B, lo que implica Φ ≈ 0.17, y un ejemplo resuelto de la NASA da 0.314. Ambos son casos individuales.

La precarga que se pierde antes de aplicar nada

Las superficies se asientan. La VDI trata el asentamiento plástico que se produce tras el montaje como una longitud f_Z, y la precarga que cuesta sale de las mismas dos flexibilidades:

F_Z = f_Z / (δ_S + δ_P)

La NASA-STD-5020B admite un 5% de la precarga mínima inicial como pérdida por asentamiento a corto plazo en uniones totalmente metálicas. Cuando la unión contiene piezas no metálicas o recubrimientos, exige en su lugar valores de ensayo — el 5% no puede trasladarse.

Con qué precisión se puede aplicar la precarga en primer lugar es otro número, y la VDI lo tabula: qué tan mal controla la precarga su método de apriete.

Qué cuesta realmente la separación, y la fuerza de apriete mínima

El requisito de la VDI se formula como una fuerza de apriete mínima que debe cumplir varias funciones a la vez:

F_K erf ≥ max(F_KQ, F_KP + F_KA)

F_KQ cubre la transmisión de carga transversal por fricción, F_KP cubre la estanqueidad, y F_KA es la fuerza de apriete mínima en el límite de apertura. La unión tiene que cumplir la mayor de ellas.

Una salvedad que conviene tener presente: una unión excéntrica puede abrirse localmente en un borde y empezar a apoyarse en un solo lado mucho antes de que haya algo parecido a una separación de la sección completa, así que «abierta o cerrada» es una simplificación. La VDI trata la apertura parcial por separado.

Y si la carga en su unión va transversal al tornillo en lugar de a lo largo de él, ninguno de los modelos de reparto anteriores se aplica, y el apriete tiene un extremo superior en el que el efecto se invierte: ¿apretar más hace que una unión dure más?

Qué cambia este modelo en todo lo demás

• Por qué las uniones pierden precarga sin que nada se desenrosque está en por qué se aflojan los tornillos, y la interacción elástica que lo provoca durante el montaje, en secuencia de apriete.
• Qué compra realmente el par aplicado, y qué fricción suponía, está en par y fuerza de apriete y la fricción que suponía el par.
• Por qué los tornillos pequeños pierden una parte mayor de su precarga con la misma longitud de asentamiento se deduce directamente de F_Z arriba.
• Qué ocurre cuando la pieza apretada es un instrumento, de modo que Φ se convierte en un error de calibración y no en una cuestión de tensiones, está en tarar una celda de carga precargada deja un error de ganancia.

Esas dos flexibilidades son también el denominador cuando una unión se monta por ángulo — par más ángulo.

Y el modelo funciona también en sentido contrario. Si la unión es demasiado rígida para tolerar los cambios de longitud que realmente va a sufrir, la solución es poner a propósito un resorte más blando en serie, que es lo que hace el resorte de un tornillo de disipador: ese resorte convierte un problema de par en un problema de longitud.

Referencias

• VDI 2230 Blatt 1:2015 — §5.2.2 (factor de introducción de carga n), §5.3 y ec. (77) (Φ), §5.3.1.1 ec. (81)–(83) (Φ_K, Φ_n), ec. (87) (F_Aab), ec. (90)–(92) (Φ_en), §5.4.1 y R2/4 (F_{K erf}, F_KA), §5.4.2 ec. (113) (F_Z), §5.5.1 ec. (147) y tablas A1–A4 (ν = 0.9, F_{M zul}), anexo D (apertura parcial)
• NASA-STD-5020B — §4.4.5 ec. (8)–(9) (φ, P_tb), apéndice A.2 (separación y fatiga), A.3 y tabla 1 (asentamiento del 5%), A.4 (n), A.6 (separación), A.12 (ejemplo resuelto φ = 0.314)
• Bickford, Introduction to the Design and Behavior of Bolted Joints, 4.ª ed., §5.3.3 y §5.4 — K_J ≈ 5K_B; la rigidez de la junta domina la unión
• Josephs y Huston, Blake's Design of Mechanical Joints, 2.ª ed. (2019), §5.5 tabla 5.2 — valores orientativos de C
• ISO/TR 16224:2012 (anulado) e ISO 16224:2026 — citados solo para señalar que ninguno trata el diagrama de la unión

La aceptación de cualquier unión concreta se rige por su plano y las normas que este invoca.

Este artículo trata el paso 2: rosca. El orden completo es sustrato, rosca, cabeza, accionamiento, acabado y documentación. El artículo inglés Specifying a screw explica por qué alterarlo genera retrabajo.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el factor de carga en una unión atornillada?

Es la parte de una carga de servicio axial que llega al tornillo. La VDI 2230 Blatt 1 lo llama Kraftverhältnis, símbolo phi, definido como la fuerza axial adicional del tornillo dividida entre la carga de servicio, mientras las piezas apretadas se descargan en el resto. En el caso coaxial más simple es igual a la flexibilidad de las piezas apretadas dividida entre la suma de ambas flexibilidades, lo que la NASA-STD-5020B escribe como la rigidez del tornillo dividida entre la suma de las rigideces del tornillo y de las piezas apretadas.

¿Apretar más un tornillo mejora su vida a fatiga?

No porque reduzca la amplitud de tensión. Mientras la unión permanece cerrada y ambos resortes son lineales, el rango de carga del tornillo bajo una carga externa cíclica es n por phi por ese rango, y el valor de la precarga no aparece. Apretar más eleva la tensión media y deja la amplitud igual. Lo que la precarga compra es margen hasta la separación, porque en cuanto la unión se abre el tornillo asume prácticamente toda la carga adicional, y la NASA señala que la separación bajo carga cíclica aumenta el daño por fatiga.

¿Es incorrecto el consejo de no apretar de más?

Depende de lo que signifique. La VDI dice que, al apretar en el rango elástico, debe apuntarse a un grado de utilización de 0.9 aunque la función requiera menos, así que quedarse muy por debajo de la precarga admisible desperdicia capacidad. Pero el mismo apartado exige establecer la precarga admisible a partir de los límites de presión superficial, la carga térmica, la flexibilidad y la resistencia, y esos techos son reales. El consejo es incorrecto si significa quedarse muy por debajo de lo admisible, y correcto si significa no superarlo.

¿Por qué una junta blanda acorta la vida del tornillo?

Una junta blanda reduce la rigidez de las piezas apretadas, lo que aumenta su flexibilidad y empuja el factor de carga hacia uno, de modo que una parte mayor de cada carga externa se convierte en carga del tornillo. Los valores orientativos publicados para el cociente van de 0.00 para una unión metálica idealmente rígida, pasando por 0.25 para una junta de cobre duro y 0.50 para cobre blando, hasta 1.00 para una junta blanda con espárrago, donde el tornillo recibe toda la carga externa. Las juntas añaden además no linealidad, histéresis y fluencia lenta, que hacen perder precarga con el tiempo.

¿Cuánta precarga se pierde por asentamiento?

La VDI lo trata como una longitud, y la precarga perdida es esa longitud dividida entre la suma de las flexibilidades del tornillo y de las piezas apretadas. La NASA-STD-5020B admite un cinco por ciento de la precarga mínima inicial como pérdida por asentamiento a corto plazo en uniones totalmente metálicas, y exige en su lugar valores de ensayo cuando la unión contiene piezas no metálicas o recubrimientos. Como la misma longitud de asentamiento se divide entre una suma de flexibilidades menor en una unión corta, los tornillos pequeños pierden una parte mayor.