Efecto de la holgura en las propiedades de cizalladura de los pasadores elásticos en espiral

Con frecuencia, se agrega un escariado o un avellanado entre los componentes con el objetivo de guiar el pasador de un orificio al siguiente. Aunque se entiende el propósito, el espacio resultante generalmente no es aceptable. Los pasadores en espiral SPIROL están diseñados con un generoso chaflán que facilita la alineación durante la instalación; por lo tanto, los avellanados y los escariados no son necesarios (Figura 1). Estas características, a menudo pasadas por alto, generan holguras y curvaturas que reducen el rendimiento del pasador cuando está sometido a esfuerzos de corte. Una resistencia reducida también contribuye al desgaste, lo que puede provocar una falla prematura. Si bien las causas de dichas fallas pueden ser fáciles de identificar, es fundamental evaluar los efectos de una falla prematura para comprender plenamente sus consecuencias.

Se evaluó un pasador en espiral de carga ligera SPIROL aumentando la holgura en el plano de corte con el fin de analizar la magnitud del cambio en el rendimiento. Se seleccionaron pasadores de carga ligera, ya que su instalación y extracción son muy sencillas. El pasador evaluado es un pasador en espiral estándar de acero alto en carbono CLDP 0,250 x 2,500 LBK, de carga ligera, con acabado anticorrosivo de “secado al tacto”, que elimina la necesidad de un recubrimiento aceitado. Este pasador ofrece la longitud suficiente para ser sometido a pruebas en diversas holguras.

Los pasadores elásticos en espiral están diseñados para que puedan instalarse sin ayuda adicional de avellanados o escariados. El chaflán concéntrico y liso combinado con extremos cuadrados y precisos se traduce en una instalación sin problemas.

Figura 3A La superficie de quiebre de un pasador en espiral al cizallar muestra una falla en un único plano.

Figura 3B El pasador en espiral al doblarse tiene una curvatura en la capa externa y una superficie de quiebre de varios planos.

Visualmente, existe una diferencia significativa entre los pasadores que no se curvan y aquellos que se cortan por cizallamiento. Como se muestra en la Figura 3A, los pasadores que no presentan cizallamiento muestran una fractura en un solo plano. Aunque las espiras se deforman, presentan una superficie lisa, con el lado externo desplomándose en una sola dirección. La Figura 3B muestra un pasador evaluado con una holgura de 0,120” (3,05 mm). En esta imagen, se observa claramente una curvatura que conduce a la superficie fracturada. 

Además, dicha superficie no se encuentra en un solo plano, sino que presenta fallas con características distintas en cada espira. Es fundamental examinar tanto las superficies fracturadas de los pasadores fallados como los componentes reales de la aplicación donde se instalarán. Es común que los componentes de una aplicación presenten funciones no especificadas en los esquemas, generando holguras. La causa principal solo puede determinarse con precisión revisando todos los componentes involucrados en la aplicación.

Se evaluaron treinta muestras para cada condición, y el resumen de los resultados se muestra en la Tabla 1. Los datos coinciden con la teoría de que una mayor holgura reduce la fuerza máxima de fractura. Una observación interesante fue el pequeño cambio en la fuerza que se produce entre 0,072” (1,83 mm) y 0,120” (3,05 mm). La fuerza necesaria para fracturar el pasador disminuye un 18%, o alrededor de 800 lb (3,6 kN), al aumentar la holgura de 0,005” (0,13 mm) a 0,072” (1,83 mm); sin embargo, al incrementar el espacio a 0,120” (3,05 mm), se observó una reducción adicional de aproximadamente 150 lb (0,7 kN), lo que representa una variación total del 22%.

La ecuación de tensión de curvatura o de flexión es¹:

donde Ff es la carga de falla, R es el radio del pasador y L es la distancia entre los soportes. Dado que la holgura se agrega de forma simétrica para incrementar la distancia entre los puntos de soporte, L pasa a ser L + 2g, donde g es la holgura añadida en un lateral. Con los valores conocidos, la Figura 4 muestra el efecto de g sobre la fuerza. La transición de cizalladura a flexión ocurre rápidamente cuando la holgura excede el máximo recomendado de 0,005" (0,13 mm). En proporción, los datos indican que el cambio más significativo en la resistencia se produce con una desviación mínima respecto a las condiciones ideales de cizalladura. A medida que aumenta la holgura entre los componentes ensamblados, la resistencia sigue viéndose afectada de manera negativa, aunque la magnitud del cambio no es sustancial. En este caso, con un CLDP 0,250 x 2,500 LBK, se observó una reducción del 18 % en la resistencia al incrementar la holgura de 0,005” (0,13 mm) a 0,072” (1,83 mm).

En general, es un error común creer que el escariado o el avellanado mejorarán la inserción del pasador y tendrán un impacto mínimo en la resistencia de la junta fija. El chaflán estampado del pasador en espiral guía el pasador hacia el siguiente orificio, incluso cuando existe cierto grado de desalineación entre los orificios, eliminando así la necesidad de escariado o avellanado. Los datos demuestran una disminución significativa en la resistencia del pasador cuando se introduce un pequeño espacio entre los planos de corte. Con base en la resistencia a la flexión y en los principios de las tres o cuatro curvaturas de punto, es evidente que el aumento de la holgura tiene un efecto negativo en la carga necesaria para fracturar las partes. Al diseñar nuevas aplicaciones o evaluar las existentes, es fundamental minimizar el espacio entre los componentes para optimizar las propiedades de cizalladura del pasador y maximizar la vida útil del conjunto.

¹Callister, William D., “Stress-Strain Behavior” in Materials science and Engineering: An Introduction, 7th ed. New York: Wiley, 2007 pp 447-448