Ese resorte convierte un problema de par en un problema de longitud

El comentario al margen tiene razón, y es todo el modelo

Un perno es un elemento elástico. Al apretarlo se alarga, y la fuerza de apriete es ese alargamiento multiplicado por su rigidez. Lo que decide cómo se comporta la unión después no es el perno solo, sino la relación entre la rigidez del perno y la de las piezas apretadas; de eso trata El perno es un resorte.

La primera consecuencia con la que uno se encuentra es que un perno rígido en una unión rígida es intolerante a pequeños cambios de longitud. Un asentamiento de unas pocas micras, un cambio de temperatura en dos materiales con coeficientes de dilatación distintos, una cadena de tolerancias que salió por el extremo equivocado: cada uno es un desplazamiento diminuto, y en un conjunto rígido un desplazamiento diminuto es un gran cambio de carga. Lo que hace la temperatura por sí sola se explica en La temperatura mueve la precarga.

Qué se consigue realmente al llegar a tope

La respuesta que decía que esos tornillos se aprietan hasta que se detienen describía el mecanismo real, y vale la pena decirlo con claridad. Una vez que el tornillo alcanza su tope rígido, todo par adicional va al tope, no al resorte. El resorte se ha comprimido una distancia fija definida por la geometría, y la fuerza que entrega es esa distancia multiplicada por su rigidez.

Por tanto, la carga ya no depende de con cuánta fuerza alguien giró el destornillador, ni de la fricción de la rosca, ni de si las roscas estaban aceitadas o húmedas. Esas son exactamente las variables que hacen poco fiable un valor de par, y lo que una especificación de par supone tácitamente sobre ellas se explica en Una especificación de par supone un estado de fricción.

El control de la carga ha pasado del par al desplazamiento. Es la misma familia de decisiones que el apriete por ángulo y el apriete hasta el límite elástico, que sustituyen una medición de fuerza por una de rotación, salvo que aquí lo hace la geometría y el operario no necesita ninguna formación.

La condición que hace que funcione es que el tope esté dentro del camino de la fuerza de apriete. Si se saca fuera, como ocurre cuando una tuerca ciega hace tope en un espárrago demasiado largo, el mismo mecanismo da el resultado contrario: la llave sigue subiendo y hace clic aunque no se haya apretado nada.

La incertidumbre no desaparece, cambia de proveedor

Esta es la parte que conviene llevarse, porque es fácil leer el resorte como precisión gratuita. No lo es. La dispersión se ha trasladado de un lugar a otro, y el lugar nuevo tiene lista de precios.

El apriete por par arrastra consigo el estado de fricción. La cifra de la VDI 2230 para el apriete por par calibrado en la unión original es de ±17 a 23 %, y de dónde sale realmente el ±25 % más conocido se analiza en Qué tan mal controla la precarga su método de apriete. Nada de eso está en manos del montador y nada es visible después.

Un resorte de compresión arrastra en cambio su tolerancia de fabricación, y esa tolerancia es una magnitud especificada y clasificable. La EN 15800 fija requisitos de calidad para resortes de compresión conformados en frío y define tres grados de calidad, con desviaciones admisibles para el diámetro de espira, la longitud libre, la perpendicularidad y el paralelismo y, la que importa aquí, la fuerza del resorte a una longitud dada. El grado 1 es la banda de tolerancia más estrecha y la más cara; el grado 3 es la más amplia.

La misma idea en una unión atornillada

El tornillo del disipador es el caso visible, pero el mismo intercambio existe en una unión atornillada corriente, con mucho menos recorrido, en forma de arandela elástica cónica. La DIN 6796 las cubre para uniones atornilladas, y nuestra propia página sobre arandelas las incluye como una línea en una tabla de tipos: mantienen la precarga frente a ciclos térmicos y asentamiento, es decir, atacan la pérdida de precarga y no el giro. El resto de esa tabla, y lo que hace realmente cada uno de los demás tipos de arandela, está en Las arandelas, explicadas.

Hay dos cosas que conviene saber antes de tratarlas como una solución general. Un fabricante de arandelas de resorte afirma que estas arandelas están destinadas exclusivamente a cargas estáticas en uniones atornilladas, y que su fuerza máxima corresponde al 70 a 90 % de la fuerza de apriete de los pernos de clase 8.8 y 10.9. Es un fabricante con nombre y con una cifra, aunque sigue siendo un fabricante que describe la norma: no hemos leído la DIN 6796. Lea la segunda con atención: un elemento elástico que está casi plano con la carga de servicio apenas tiene recorrido restante, así que lo que aporta es una pequeña reserva elástica, no el tipo de flexibilidad que aporta un resorte de disipador.

Lo que cuesta

• Altura y número de piezas. La flexibilidad tiene que alojarse en algún sitio, y en un disipador es el elemento más alto del conjunto de fijación.
• Un resorte es una pieza que se relaja. Tiene su propio comportamiento con la temperatura y con el tiempo, y ahora está de forma permanente en el camino de la carga.
• La verificación cambia. Ya no se puede confirmar la carga con una llave dinamométrica, porque el par después del tope informa sobre el tope. La comprobación pasa a ser dimensional, o pasa a ser confianza en el grado del resorte.
• El tope tiene que ser un tope real. Todo lo anterior supone que el tornillo alcanza un resalte rígido en un lugar controlado. Si hace tope en una rosca, o en una superficie que cede, la geometría que fijaba la carga se ha movido.

Cuándo recurrir a esto

• Cuando la pieza de debajo tiene una ventana de carga en lugar de un mínimo. Poco, y no asienta; demasiado, y se daña. El control por par es una mala forma de caer dentro de una ventana.
• Cuando la longitud de apriete es demasiado corta para ser un resorte útil. Unos pocos milímetros de conjunto no pueden absorber una variación térmica. Añadir un elemento blando es la única flexibilidad disponible.
• Cuando quien monta no es la persona para la que usted especificó. Un tornillo que se detiene es un tornillo que una mano apresurada no puede apretar más allá de la carga de diseño.
• No cuando la unión tiene que transmitir carga transversal por fricción. Ese caso pide una precarga tan alta como permitan las piezas, no una controlada y deliberadamente moderada.

Lo que decide la forma de la curva de ese resorte es una relación, y en una arandela de resorte es la letra de la referencia: A, B y C son tres formas de curva, no tres niveles de tamaño.

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

¿Por qué los tornillos de los disipadores llevan resortes?

Porque el encapsulado de debajo tiene que mantenerse dentro de una ventana de carga, y el conjunto es demasiado corto para que los propios tornillos actúen como un resorte útil. Añadir un elemento blando en serie permite que el conjunto cambie un poco de longitud, por asentamiento, dilatación térmica o tolerancias, sin que la carga cambie mucho. Los tornillos se diseñan entonces para llegar a tope, de modo que la carga la fija cuánto se ha comprimido el resorte y no con cuánta fuerza alguien giró el destornillador.

¿Un resorte es más preciso que una llave dinamométrica?

No es precisión gratuita, es otra fuente de incertidumbre. El apriete por par arrastra el estado de fricción en la rosca y bajo la cabeza, que nadie puede ver ni ajustar después; la VDI 2230 sitúa el apriete por par calibrado en la unión original en más o menos 17 a 23 %. Un resorte arrastra su propia tolerancia de fabricación, y la EN 15800 la convierte en una magnitud clasificable al especificar la desviación admisible de la fuerza del resorte a una longitud dada en tres grados de calidad. La incertidumbre pasa a ser algo que se compra en lugar de algo que se hereda.

¿Por qué no usar simplemente tornillos más largos para conseguir el mismo efecto?

Se puede, y una respuesta del hilo original decía exactamente eso: un perno ya es un resorte, solo que muy rígido, y unos tornillos lo bastante largos con separadores darían la rigidez deseada. El obstáculo es el espacio. Un conjunto de disipador mide unos pocos milímetros y no hay dónde poner la longitud adicional. Donde sí hay espacio, añadir longitud de apriete es la respuesta normal y la mejor, porque elimina una pieza en lugar de añadirla.

¿Puedo usar una arandela elástica cónica para hacer lo mismo en un perno normal?

Es la misma idea con mucho menos recorrido, y es una intervención menor. La DIN 6796 cubre las arandelas elásticas cónicas para uniones atornilladas. Un fabricante de arandelas de resorte afirma que estas arandelas están destinadas exclusivamente a cargas estáticas en uniones atornilladas, y que su fuerza máxima corresponde al 70 a 90 % de la fuerza de apriete de los pernos de clase 8.8 y 10.9. Es un fabricante con nombre y con una cifra, en lugar del resumen más vago que esta página daba antes, aunque seguimos sin haber leído la propia DIN 6796. La lectura práctica no cambia: una arandela casi plana con la carga de servicio tiene muy poco recorrido restante, así que aporta una reserva elástica frente al asentamiento, no la tolerancia a la longitud que aporta un resorte de disipador.

¿Cómo se inspecciona una unión así?

No con una llave dinamométrica. Una vez que el tornillo está contra su tope, el par que se lee informa sobre el tope y no sobre la carga del resorte. Lo que queda es dimensional, comprobar que el tornillo ha llegado realmente al resalte y que el resorte se ha comprimido a la altura prevista, o bien la confianza en el grado de resorte especificado. Ese es el coste oculto del intercambio: la carga se volvió repetible y, a la vez, más difícil de confirmar en la línea.

Referencias

• EN 15800:2008 — resortes helicoidales cilíndricos de alambre redondo, especificaciones de calidad para resortes de compresión conformados en frío; fuente de los tres grados de calidad y de la desviación admisible de la fuerza del resorte a una longitud dada
• DIN 6796 — arandelas elásticas cónicas para uniones atornilladas; ficha de catálogo, no se leyó la norma
• Surisa, DIN 6796 standard — descripción de un fabricante de arandelas de resorte: cargas exclusivamente estáticas, fuerza máxima del 70–90 % de la fuerza de apriete de pernos de clase 8.8 y 10.9, C60 templado a 420–510 HV, tablas M3–M36
• VDI 2230 parte 1 — factor de apriete, y el modelo de relación de rigideces en el que se apoya esta página

Las fuentes de esta página no son todas del mismo nivel, y conviene decir cuál es cuál. El modelo de relación de rigideces y las cifras del factor de apriete proceden de nuestras propias páginas enlazadas arriba, donde en su momento se contrastaron con la VDI 2230 y la NASA RP-1228. El contenido de la EN 15800, que define tres grados de calidad y que las desviaciones admisibles incluyen la fuerza del resorte a una longitud dada, procede del resumen de la norma y de fichas de catálogo, no de cláusulas que hayamos leído; allí los grados se describen de forma cualitativa y aquí no se cita ningún porcentaje porque no había ninguno disponible. Las afirmaciones sobre la DIN 6796 estaban en ese mismo nivel de resumen cuando se escribió esta página y desde entonces se han reforzado: un fabricante de arandelas de resorte con nombre afirma que estas arandelas están destinadas exclusivamente a cargas estáticas y que su fuerza máxima corresponde al 70 a 90 % de la fuerza de apriete de los pernos de clase 8.8 y 10.9. Es un fabricante que describe la norma, no la norma, y la DIN 6796 sigue sin leerse aquí. Queda una contradicción abierta en lugar de resuelta: ese fabricante da las tablas de la norma como M3 a M36, mientras que una ficha DIN 6796 de un distribuidor lista tamaños desde M2 y M2.5. No hemos leído ninguno de los dos documentos y no sabemos qué rango es el correcto, lo cual importa para este sitio porque M2 y M2.5 están dentro de nuestro rango de producción. Aquí no aparece ninguna cifra de carga para el encapsulado de un procesador porque no encontramos ninguna especificación pública citable. La EN 15800 es una norma CEN y no ISO, por lo que se enlaza a una ficha de catálogo y no a iso.org; el sitio no la había citado antes, así que no había ninguna referencia existente que copiar.