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

A menudo se agrega un escariado o un avellanado entre los componentes con el objetivo de guiar el pasador de un orificio al siguiente. A pesar de que se comprende el objetivo, el espacio resultante no suele ser aceptable. Los pasadores en espiral SPIROL están diseñados con una generosa cantidad de chaflán con el propósito de facilitar la alineación durante la instalación; por lo tanto, los avellanados y los escariados no son necesarios (Figura 1). Estas funciones, a menudo pasadas por alto, ofrecen holguras y curvatura, Lo cual reduce el rendimiento del pasador al cargarse para cizallar. Una resistencia reducida también contribuye al desgaste, lo que puede llevar a una falla prematura. A pesar de que las causas de las fallas pueden ser fáciles de identificar, es importante medir los efectos de una falla prematura para desarrollar un entendimiento de las consecuencias.

Se evaluó un pasador en espiral de carga ligera SPIROL con aumentos en la holgura del plano de corte para comprender mejor la magnitud del cambio en el rendimiento. Se seleccionaron pasadores de carga ligera, ya que su instalación y su extracción son muy sencillas. El pasador seleccionado es un pasador en espiral estándar de acero alto en carbono CLDP 0,250 x 2500 LBK, o de carga ligera, con corrosión de ‘secado al tacto’ lo que evita un acabado al aceite. Este pasador proporciona suficiente longitud para ser probado en varias 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 hay una diferencia significativa entre los pasadores que no se curvan en oposición a los que cizallan. Como se muestra en la Figura 3A, los pasadores que no cizallan presentan un quiebre en un plano. A pesar de que los espirales se deforman, tienen un aspecto liso con el lado externo desplomándose en una dirección. La Figura 3B muestra un pasador evaluado con un espacio de 0,120” (3,05 mm). En esta imagen, claramente se curvó, ya que se puede observar la curvatura que conduce a la superficie quebrada.

Además, la superficie quebrada no está en un plano, pero muestra las fallas de forma diferente en cada espiral. Es crucial revisar tanto las superficies quebradas de los pasadores fallados como los componentes reales de la aplicación en los que los pasadores se instalarán. Es común que los componentes de la aplicación tengan funciones no especificadas en las ilustraciones que presentan holguras. La causa principal puede determinarse de forma precisa solo al revisar todos los componentes en la aplicación. 

Se evaluaron treinta muestras de cada condición y el resumen de resultados se muestra en la Tabla 1. Los datos coinciden con la teoría de que una holgura reduce la fuerza máxima de quiebre. Una observación interesante fue el pequeño cambio en la fuerza que ocurre entre 0,072” (1,83 mm) y 0,120” (3,05 mm). La fuerza necesaria para quebrar el pasador disminuye un 18% o cerca de 800 lbs. (3,6 kN) al aumentar la holgura de 0,005” (0,13 mm) a 0,072” (1,83 mm), pero al aumentar el espacio a 0,120” (3,05 mm) se produjo una reducción adicional aproximada de 150 lbs. (0,7 kN), provocando un cambio total del 22%. 

La ecuación de tensión de curvatura o de flexión es¹:

donde Ff es la carga al quiebre, R es es la carga al quiebre, R es el radio del pasador y L es la distanciaentre los soportes. Dado que la holgura se agrega de forma simétrica para aumentar la distancia entre los puntos de soporte, L cambia a L+2g donde g es la distancia de holgura agregada en un lateral. Con los valores conocidos, la Figura 4 muestra el efecto de g en la fuerza. La transición de cizalladura a curvatura sucede de forma rápida cuando la holgura excede el máximo recomendado de 0,005" (0,13 mm). Proporcionalmente, los datos indican que el cambio más grande en la resistencia ocurre con una desviación mínima de las condiciones ideales de cizalladura. A medida que aumenta la holgura entre los componentes ensamblados, la resistencia continúa teniendo un impacto negativo, pero 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 una equivocación común creer que los escariados o los avellanados mejorarán la inserción del pasador y que tendrán un impacto mínimo en la resistencia de la junta fija. El chaflán estampado en el pasador en espiral dirige el pasador al siguiente orificio, aun cuando hay algún grado de alineación incorrecta entre los orificios, lo que elimina la necesidad de un escariado o avellanado. Los datos demuestran una caída significativa en la resistencia del pasador cuando un pequeño espacio se agrega entre los planos de corte. Mediante la resistencia a la curvatura y 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 quebrar las partes. Al diseñar aplicaciones nuevas o evaluar las existentes, es importante minimizar el espacio entre los componentes para optimizar las propiedades de cizalladura del pasador y maximizar la vida útil del ensamblaje. 

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