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Las ventajas de utilizar pasadores en espiral para cargas ligeras frente a los pasadores elásticos ranurados en ensamblajes con materiales blandos

Por Christie L. Jones, Gerente de Desarrollo de Mercado 

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En los últimos años, la tendencia general en la industria está siendo la utilización de nuevos materiales que reduzcan el peso y el coste del proceso o que proporcionen soluciones donde los materiales tradicionales tales como acero, componentes mecanizados y fundiciones no eran adecuados.

En este contexto la utilización de plásticos, aluminio y aleaciones ligeras ha experimentado un aumento exponencial que parece no tener techo. Al contrario, a medida que los procesos de moldeo y las composiciones de plásticos evolucionan, cada vez más elementos tradicionalmente fabricados de acero están siendo estudiados para solventar los problemas que evitaban la utilización de estos materiales más blandos y ligeros, pero que potencialmente proporcionan iguales o mayores rendimientos.

Actualmente se pueden encontrar multitud de componentes de plástico en aplicaciones con requisitos muy exigentes tales como altas temperaturas, elevadas solicitaciones mecánicas y ambientes corrosivos sujetos a agresiones químicas. Paradójicamente, si bien el componente principal goza de un tiempo de diseño considerable, el resto de componentes y el método de ensamble se ven habitualmente relegados al final del proyecto, sin dedicárseles la suficiente atención. Además, se da por sentado que los conceptos de diseño y los componentes que funcionaban anteriormente en acero seguirán haciéndolo en aleaciones ligeras y plásticos.

Cuando se trata de aplicaciones con pasadores en nuevos materiales se tiende frecuentemente a buscar la opción más barata y a echar mano de lo conocido en la industria correspondiente. En muchos casos esto lleva al Pasador Elástico Ranurado ISO 8752 (también conocido como pasador elástico), un desarrollo a partir de la antigua norma DIN 1481. Este pasador fue diseñado mucho antes de que se tuvieran los métodos de producción, el conocimiento y los materiales que permitieran la producción en masa de elementos ligeros. El pasador ISO 8752 puede crear y de hecho crea en la mayoría de los casos problemas de calidad y de instalación en estos nuevos materiales. Su gruesa pared, combinada con una sección irregular o con forma de herradura, no proporciona la flexibilidad necesaria para su utilización en materiales relativamente blandos – transfiriendo a menudo las solicitaciones del pasador a la pared del agujero, dañándolo y conduciendo a un fallo prematuro del conjunto. Con idea de reducir los inconvenientes asociados al pasador ISO 8752 se diseñó un pasador ranurado de ejecución ligera (pasador ISO 13337). La principal diferencia con el viejo ISO 8752 es el espesor del fleje. Un fleje más fino supone una mayor flexibilidad, pero reduce la resistencia a cizalladura, sin resolver otra serie de problemas. De hecho, la utilización de fleje mas fino puede por sí misma crear nuevas limitaciones de cara a resistir situaciones de fatiga.

Pasador en Espiral para aplicaciones ligeras (izquierda) y Pasador Elástico Ranurado (derecha)

Figura 1
Pasador en Espiral para aplicaciones ligeras (izquierda) y Pasador Elástico Ranurado (derecha)

Los pasadores elásticos ranurados ISO 13337, al igual que los ISO 8752, presenta una sección transversal en forma de herradura en lugar de circular, lo que en la mayoría de las ocasiones levantará virutas durante la inserción del pasador en el agujero. Si añadimos a esto que el diámetro expandido del pasador en relación con el diámetro recomendado de agujero obliga a la fabricación de una ranura muy ancha, el resultado es un pasador que requiere una fuerza de inserción muy elevada, lo que se traduce a posteriori en unas tensiones radiales contra la pared del agujero que serán excesivamente altas para la mayoría de materiales blandos, especialmente si el agujero se encuentra próximo al borde de las piezas. Además, la existencia de la ranura conlleva otra serie de problemas:

 

Figura 2

  • Permite que los pasadores se  inter-bloqueen o engarcen  entre sí, lo que supone una alimentación e instalación dificultosa y muy laboriosa, algo especialmente grave en aplicaciones de altos volúmenes (Figura 2). Este atributo no permite la alimentación e instalación automática de los pasadores ISO 13337.

 

  • Habitualmente, una vez instalado en el tamaño de agujero recomendado, la ranura se cierra completamente y el pasador se convierte en una pieza sólida incapaz de absorber los choques y vibraciones que se puedan transmitir al conjunto durante la vida útil (Figura 3). Como el pasador no absorbe estas fuerzas, éstas son transmitidas al blando material resultando en daño al agujero (alongamiento) y fallo prematuro del ensamble (Figura 5).

 

Figura 3

Pasador ranurado mostrando la situación de bloqueo que lo hace incapaz de absorber cargas dinámicas

Figura 4
SITUACION DE BLOQUEO
Pasador ranurado mostrando la situación de bloqueo que lo hace incapaz de absorber cargas dinámicas

Dirección de la carga de impacto y alongamiento de agujero resultante

Figura 5
Dirección de la carga de impacto y alongamiento de agujero resultante

 

  • Durante la inserción en el agujero la ranura se cierra originándose una línea de concentración de tensiones a 180º de la ranura (Figura 6)

 

  • Ya durante la fabricación de los pasadores ranurados las tensiones del material se concentran a 180º de la ranura. Cuando el pasador flexa en la aplicación, lo hace por el mismo lugar. El fino material del pasador ISO 13337 no es capaz de aceptar estas tensiones adicionales y la fatiga prematura conduce al fallo del ensamble.

 

  • La resistencia a cizalladura dependerá de la orientación de la ranura en relación con las cargas aplicadas. Los pasadores ranurados tienen que ser orientados para maximizar su resistencia.

 

 

Pasador ranurado tras fallo por fatiga a 180º de la ranura

Figura 6
CONDICION DE ROTURA
Pasador ranurado tras fallo por fatiga a 180º de la ranura

Pasador ranurado creando tres puntos de concentración de tensiones en el agujero

Figura 7
CONDICION NORMAL
Pasador ranurado creando tres puntos de concentración de tensiones en el agujero

Una solución mejor

Todos estos problemas se pueden evitar eligiendo el pasador elástico adecuado. Los pasadores elásticos en espiral son una solución mejor. Los pasadores en espiral son fácilmente identificables por su sección transversal de 2-¼ vueltas.

La inexistencia de ranuras elimina el problema de trabado y engarzado entre sí.

Cuando los pasadores en espiral se insertan en el agujero, la compresión empieza en el borde exterior y se mueve a lo largo de las espiras hacia el centro. El resultado es una unión con distribución homogénea de tensiones y resistencia y flexibilidad uniformes, independientemente de la dirección de las cargas (fuerzas).

 

Contacto con el agujero en 270º

Figura 8
Contacto con el agujero en 270º

FLEXIBILIDAD DURANTE INSTALACION

Figura 9
FLEXIBILIDAD DURANTE INSTALACION

Movimiento hacia el interior durante la compresión

Figura 10
(CCW) Movimiento hacia el interior durante la compresión
(CW) Movimiento reverso al retirar la presión

Como los pasadores elásticos en espiral no pueden cerrarse, una vez instalados podrán seguir comprimiéndose bajo cargas adicionales, amortiguando de esta manera los choques y vibraciones que de otro modo se transmitirían al agujero creando un daño permanente. El pasador en espiral se convierte en un componente activo del ensamble prolongando la vida útil del producto final.

Incluso desde el punto de vista de fabricación los pasadores en espiral son productos de mayor calidad. Los pasadores en espiral disponen de chaflanes estampados en ambos extremos (el chaflán biselado de los pasadores ranurados ISO 13337 es opcional para diámetros > Ø10mm), y están fabricados con menores tolerancias de diámetro (270º de la circunferencia exterior estarán dentro de las tolerancias especificadas frente a la media de únicamente tres medidas tomadas en el caso de pasadores ranurados). Esto supone un mayor área de contacto entre el pasador en espiral y el material que lo alberga frente a un contacto de tres puntos cuando se utilizan pasadores ranurados. Los bordes a escuadra y limpios de rebaba son también una importante característica de los pasadores en espiral.

Los pasadores elásticos en espiral se fabrican en tres rangos de carga. Carga alta (ISO 8748), carga media (ISO 8750) y carga baja (ISO 8751). También denominadas ejecuciones.

Los pasadores en espiral para carga ligera ISO 8751 han sido diseñados específicamente para su utilización en componentes blandos. El material más fino combinado con una relación entre espirales específicamente diseñada, proporcionan una flexibilidad adicional que se traducirá en menor fuerza de inserción requerida, resistencia axial homogénea y fuerzas radiales adecuadas a aplicaciones que utilizan materiales blandos. Estos pasadores permiten una instalación automática libre de problemas, evitando daños a los agujeros. La selección de un pasador en espiral para carga ligera para su utilización en componentes blandos protegerá al agujero, reducirá el coste de preparación de componentes, aumentará la productividad y mejorará la calidad global del producto final.

 

Comparativa entre pasadores elásticos ISO 13337 e ISO 8751

Pasador elástico ranurado
ISO 13337

Pasador elástico en espiral
ISO 8751

Ventajas del pasador elástico en espiral

Ranura

 

Sin ranura

 

Eliminación del engarzado, distribución de tensiones homogénea, resistencia y f lexibilidad uniformes, no es necesario orientar el pasador para maximizar la resistencia a cizalladura, automatización libre de problemas

Sección en forma de herradura
(media de 3 medidas de diámetro)

270º de contacto con el agujero

 

Fuerza de retención optimizada, mejor transmisión de cargas dinámicas

Chaflán biselado
(opcional en un extremo para diámetros >Ø10mm)

Chaflán estampado en ambos extremos

 

Instalación más fácil, el suave radio de curvatura del chaflán sin rebaba protege la integridad del agujero

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