Pares de apriete de tornillos: cómo elegir el valor correcto

Respuesta breve: elija un par de apriete que genere suficiente precarga para mantener la unión cerrada sin superar la capacidad del tornillo, las roscas ni las piezas sujetas. Compruebe el resultado en ambos extremos del intervalo de fricción previsto. En una máquina existente, esa decisión se recoge en la especificación de montaje del equipo; en una unión nueva, el par se determina a partir del diseño.

Una llave dinamométrica puede alcanzar con precisión el valor ajustado y, aun así, generar una precarga incorrecta. Para entenderlo, conviene empezar por la función del apriete.

Empiece por la fuerza que mantiene juntas las piezas

El apriete estira el tornillo y comprime las piezas situadas entre la cabeza y la tuerca. Antes de aplicar una carga externa, la fuerza de tracción del tornillo equilibra esa compresión. Cuando una carga de servicio tiende a separar las piezas, reduce parte de la compresión y aumenta la carga del tornillo; la rigidez relativa del tornillo y las piezas determina cómo se reparte la carga.^[1]

Por tanto, el diseño necesita un límite inferior de precarga que permita funcionar a la unión y un límite superior que evite sobrecargas. Una fuerza de sujeción residual insuficiente puede permitir la separación o, en una unión que transmite carga por fricción, el deslizamiento. Una precarga excesiva puede sobrecargar el tornillo, arrancar la rosca de acoplamiento o producir una indentación en la superficie de apoyo. Aumentar la clase de resistencia del tornillo solo resuelve una parte del problema. Consulte Grados y clases de resistencia de los elementos de fijación para identificar sus propiedades mecánicas.

Lea las condiciones en las que se basa la tabla de pares

La guía de Bossard de enero de 2025 proporciona los siguientes valores de referencia para un mismo tornillo M10 de paso grueso y clase 8.8. Aquí, μ es el coeficiente de fricción en cada contacto: la tabla supone el mismo valor en la rosca y bajo la cabeza o la tuerca que gira.^[2]

Son valores superiores de referencia publicados, basados en una utilización del 90 % del límite elástico, una resistencia de la cabeza y una superficie de apoyo adecuadas, y agujeros de paso con holgura media. No incluyen coeficiente de seguridad. No son dos recomendaciones de montaje intercambiables.^[2]

Observe que el par mayor corresponde a una precarga menor. La fricción en la rosca y el apoyo consume par, y el tornillo también soporta esfuerzos de torsión durante el apriete. Por eso, un límite de par basado en la resistencia del tornillo difiere de un límite de carga de tracción pura.^[1][3]

Mantenga constante la precarga para ver el efecto de la fricción

Suponga una precarga inicial de 20,0 kN únicamente para este cálculo. Se mantiene la geometría de referencia M10 × 1,5, clase 8.8, con componentes convencionales sin función autoblocante. El modelo omite el error de la herramienta, la dispersión de la fricción, el asentamiento, los cambios de temperatura y las cargas de servicio; 20,0 kN es un dato ilustrativo, no una precarga recomendada.

Una aproximación sencilla es T ≈ K × F × d: par T en N·m, precarga F en N, diámetro nominal d en metros y factor de tuerca adimensional K. K no es el coeficiente de fricción μ. Combina los efectos de la geometría de la rosca y de la fricción en los contactos.^[1][3]

Los factores de conversión para M10 publicados por Bossard, X = 1,42 mm y 1,89 mm, dan K = X/d = 0,142 y 0,189.^[2] Para la misma precarga supuesta:

• μ = 0,10: T ≈ 0,142 × 20 000 × 0,010 = 28,4 N·m.
• μ = 0,14: T ≈ 0,189 × 20 000 × 0,010 = 37,8 N·m.

Ahora mantenga el par anterior después de cambiar la fricción. Con 37,8 N·m, pasar de μ = 0,14 a 0,10 da F ≈ 37,8/(0,142 × 0,010) = 26,6 kN, aproximadamente un 33 % por encima del objetivo supuesto. En el caso inverso, mantener 28,4 N·m cuando μ aumenta a 0,14 solo produce 15,0 kN, cerca de un 25 % por debajo del objetivo.

Los dos valores de μ no representan condiciones universales de montaje «seco» y «lubricado». Un recubrimiento, un aceite o un compuesto antigripante necesita datos de fricción para las superficies reales de contacto. El cálculo muestra por qué añadir lubricante y mantener el par anterior puede cambiar de forma sustancial la tracción del tornillo; no proporciona un porcentaje universal de reducción del par por lubricación.^[3]

Compruebe un intervalo de precarga, además del resultado nominal

Una unión de producción añade variabilidad a ese cálculo. Una llave calibrada controla el par aplicado, pero no elimina la variación de fricción en la rosca y el apoyo. NASA-STD-5020B exige una base de ensayos para determinar la precarga nominal y tiene en cuenta expresamente su dispersión en los sistemas de fijación que regula.^[4]

Para una comprobación inicial simplificada, con valores positivos y acotados de K, diámetro fijo y sin par de giro del mecanismo de bloqueo, la ecuación da:

• Menor precarga prevista: F_min ≈ T_min/(K_max × d).
• Mayor precarga prevista: F_max ≈ T_max/(K_min × d).

Use la menor precarga inicial para calcular la fuerza de sujeción que queda tras el asentamiento, los efectos de la temperatura y la reducción de compresión causada por las cargas de servicio; después, compruebe que satisface el requisito de la unión. Con la mayor precarga inicial, verifique el tornillo bajo cargas combinadas, las roscas de acoplamiento y las superficies de apoyo. Seleccione un par solo si todo su intervalo de precarga inicial prevista queda dentro de los límites establecidos por ese análisis.

Si ningún ajuste de par puede cumplir ambos límites en todo el intervalo de variación previsto, deberá cambiar el diseño, el control de la fricción o el método de apriete. VDI 2230 Parte 1:2015-11 proporciona un método de cálculo sistemático para uniones con un solo tornillo sometidas a cargas elevadas.^[1][5]

Qué necesita una especificación de par para ser aplicable

La instrucción de montaje debe identificar los componentes y la disposición de arandelas, el recubrimiento y el lubricante con sus zonas de aplicación, el intervalo de precarga requerido y un intervalo de par asociado al método de apriete. Indique si se gira la cabeza del tornillo o la tuerca. Complete la designación con Cómo especificar un tornillo.

Cuando falten datos de par y precarga aplicables, solicite ensayos con componentes y superficies representativos. ISO 16047:2005, con la Modificación 1:2012, establece condiciones de ensayo de par y fuerza de sujeción dentro de su ámbito; no asigna un par de montaje universal. Quedan excluidos los elementos con funciones autoblocantes adicionales.^[6] Cuando un mecanismo de bloqueo genere par de fricción durante el giro, indique si el ajuste especificado es el par total o el par aplicado por encima de ese componente. Ese par de giro no genera precarga.^[4]

Un valor de par útil se apoya en un intervalo de precarga y en condiciones de montaje controladas. Identificar el diámetro y la clase del tornillo es solo el comienzo.

Referencias

1. NASA. Preloaded Joint Analysis Methodology for Space Flight Systems, NASA TM-106943, 1995: mecánica de la precarga, factor de par, cambios de precarga y análisis de fallos de la unión. Aquí se utilizan los principios generales; no se prescriben para otros equipos sus valores de diseño aeroespacial.
2. Bossard. Preload and tightening torques, enero de 2025, páginas impresas 60–62. Valores de referencia y factores de conversión del fabricante; los cálculos comparativos y el gráfico corresponden al ejemplo desarrollado por HexFastener.
3. Fastenal. Bolted Joint Design, revisión del 4 de marzo de 2009, páginas 9–11 del PDF: apriete controlado por par y variabilidad del factor de tuerca.
4. NASA. NASA-STD-5020B, 2021, apéndice A.2 y requisitos de documentación del montaje. Norma para hardware espacial, citada por el tratamiento de la dispersión de precarga y del par de giro del mecanismo de bloqueo.
5. VDI. VDI 2230 Parte 1:2015-11, ámbito oficial: cálculo sistemático de uniones con un tornillo cilíndrico sometidas a cargas elevadas.
6. ISO. ISO 16047:2005, Fasteners — Torque/clamp force testing, con la Modificación 1:2012; ámbito público oficial y exclusiones.