Torq ue y Torqu imetro - Mecánica Au tom otriz
INSTITUTO SUPERIOR TECNOLOGICO PARTICULAR “REGIONAL DEL SUR” CARRERA PROFESIONAL DE “MECANICA AUTOMOTRIZ”
Ing. Romao Alleri Cruz
► Torque y Torquímetros: Mucho más que Apretar Tornillos
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Los operarios tienen la mala tendencia de sobretorquear un perno, en promedio, 20 por ciento. Es necesario para la industria conocer los conceptos básicos del proceso de torque, los instrumentos, sus características, rangos de medición, selección, aplicación correcta y cuidados indispensables para mantenerlos en óptimas condiciones. Definitivamente, la rigurosidad, exactitud y obsesión por la precisión es una verdadera virtud en la industria; de hecho, en el trabajo diario, a los profesionales del sector se les exige cada vez mayor esmero en la realización de sus labores; a la vez que, los fabricantes de máquinas y herramientas se esfuerzan por diseñar y construir equipos de Romao.AC
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alta calidad para alcanzar máximo rendimiento y reducir posibles errores que, en muchos casos, pueden ser fatales. Un excelente ejemplo de lo anterior son los to rq uím etr os : instrumentos de precisión utilizados para aplicar el torque (apriete) exacto en los tornillos, pernos, tuercas y sujetadores de las piezas mecánicas de una máquina, motor o componente (según las recomendaciones de los fabricantes), sin distorsionar el material o partes adyacentes. Dichas herramientas son empleadas en diversos sectores como el siderúrgico, aeronáutico, minero, militar, el petrolero, la industria química y los talleres y concesionarios de vehículos de toda clase, en los que se requiere precisión al máximo. Hasta hace algunos años, el torque era una variable poco atendida y muchas veces subestimada, reducida simplemente a “dar vueltas a un tornillo ” hasta que la pieza quedara firme; pero, hoy día, con los nuevos diseños, adelantos tecnológicos y búsqueda de ahorro en los procesos de producción, los requerimientos de calidad y precisión en el ensamble están tomando cada vez mayor importancia. Y es que, cuando una llave aprieta un perno o un tornillo, la fuerza rotacional, o torque, hace que el perno se estire conforme las roscas se asientan estrechamente una contra la otra, lo que causa tensión y el correspondiente estrés de la fuerza de compresión entre los materiales a unir en la “ junta”. El objetivo del torquímetro es aplicar la fuerza suficiente sobre las roscas para que el perno no se afloje, sin ser excesiva como para que el metal de la junta o el elemento de unión, por fatiga, se fracture.
Este rango puede ser muy pequeño, y lograr la tolerancia correcta, marca la diferencia entre una máquina que opere sin problemas y una que incluso deje de funcionar. En el caso del equipo militar o las aeronaves, por ejemplo, el torque es literalmente cuestión de vida o muerte; en este caso, un torquímetro debe garantizar que los sujetadores estén bien apretados dentro de su rango de tolerancia y que así permanezcan, incluso, después de un uso prolongado. Si no se aplicará un torque o apriete correcto a los tornillos de los motores o a los pernos de unión de las alas de un avión, estos se aflojarían y terminarían por romperse en pleno vuelo.
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Frente al tema, empresas fabricantes de estas herramientas, explican que generalmente en todos los escenarios industriales, dónde las condiciones de trabajo exigen que los elementos de unión mecánica lleven un par de apriete muy exacto, los mayores problemas son causados por errores del usuario final, los técnicos en todo el mundo tienden a ‘sobretorquear ’ un perno en promedio 20 por ciento en exceso, con lo que los sujetadores comienzan a perder su elasticidad y tienden a romperse.
Pero en sí, ¿Qué es el Torque? ‘
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El torque, también conocido como momentum o momento de fuerza, par de apriete, brazo de palanca o momento de torsión , es un efecto de giro, ejercido por una fuerza que actúa a una distancia sobre un cuerpo (en este caso, tornillo, tuerca o perno). “
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El torque es igual a la fuerza aplicada multiplicada por la distancia perpendicular, entre la línea de acción de fuerza, y el centro de rotación en el que se aplica. La fórmula básica de torque es: L (dis tancia) x F (Fuerza) = T (Torqu e)
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Por ejemplo: Una palanca de 2 pies que ejerce una fuerza de 200 lbs en ángulo recto sobre un perno, produciría un torque de 400 libras pie. Con el uso de los torquímetros se busca la fuerza de ajuste precisa y deseada, según el procedimiento o las especificaciones establecidas por el diseñador del proceso por lo general, el fabricante del equipo, la máquina o la pieza sobre l a cual se va a trabajar.
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En el caso de los fabricantes de vehículos, por ejemplo, desde hace más de cinco décadas existen tablas establecidas con secuencias de torque que deben seguirse fielmente para garantizar la seguridad y funcionamiento de los m otores. En Perú, distintas empresas editan manuales completos con instrucciones de aplicación de torque según el tipo de motor y fabricante, para los m ás comunes en el mercado nacional . (Ver tabla 1).
Hay varios factores que afectan la relación entre el torque y la fuerza de agarre de los pernos o tornillos; algunos de estos factores son: el tipo de lubricante utilizado en los hilos del tornillo; el material del cual los pernos y las tuercas están hechos; el tipo de arandelas utilizadas; la clase y terminación de los hilos del tornillo, entre otros; por ello, no es posible determinar una relación definitiva entre el torque y la fuerza de agarre que sea aplicable de manera generalizada a todos los equipos o tornillos y es indispensable el uso del instrumento en cada caso.
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A continuación, un ejemplo de la distribución de la fuerza en un ajuste:
1. Fricción en la cabeza del perno: 45% - 55% 2. Fricción en los hilos: 35% - 45%. 3. Fuerza de Agarre: 10%.
Solamente una pequeña parte del torque, aplicado a un perno, contribuye a la fuerza de ajuste; el torque sobrante, hasta el 90 por ciento, se utiliza para superar la fricción en la cabeza del perno (o entre este y la arandela) y la fricción de los hilos. Por esto es vital asegurar el ajuste a las especificaciones establecidas por el fabricante, no se quiere un perno muy ajustado, ni muy suelto.
Por su principio, el torque se expresa siempre en una unidad de distancia combinada con una unidad de fuerza. Según el Sistema Internacional, la unidad base es el Newton Metro, N-m, pero existen en la industria otras unidades utilizadas de manera más cotidiana como: lb-ft (libras-pie), lb-in (libras-pulgada), oz-in (onzas-pulgada), N-cm (newton-centímetro). La norma internacional que rige los instrumentos torque, a nivel internacional, es la ISO 6789 y a nivel peruano la NTP, las cuales regulan su fabricación y calibración.
Tipos de Torquímetros Diferentes fabricantes en el mercado han diseñado instrumentos de torque de precisión según el propósito de su uso, entre los más comunes están: m etro • Tor qu í
de cl ic k : Es el instrumento de torque más popular de la industria, en la punta del torquímetro se ubica una llave o dado hexagonal con la medida del perno a apretar, su funcionamiento es manual y de aplicación directa; es decir, en este tipo de torquímetros, el torque deseado se determina antes de efectuar la operación en un anillo con escalas grabadas en el vástago en sistema inglés y sistema métrico decimal por láser, y se muestran de manera horizontal en el vástago y de manera vertical en el mango. Una vez se aplica la fuerza, al llegar al valor de tensión preciso y requerido, el instrumento produce un salto o disparo audible, un sonido o click.
Al finalizar la fuerza en el torquímetro, automáticamente éste queda preparado para una nueva operación. Generalmente, todas las partes del torquímetro están hechas de acero y templadas para evitar el desgaste; las partes externas tienen un recubrimiento de níquel Romao.AC
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y cromo para prevenir la oxidación. La posición de la palanca de la cabeza de la matraca permite dos posiciones con acción de matraca para giro a la izquierda o a la derecha y posición fija con la palanca al centro. Estos instrumentos tienen una fuerza de torque desde 120 lb-in a 3.000 lb-ft, según el f abricante.
Se ha comprobado, aunque parezcan bien calibrados y empleados correctamente, los torquímetros tipo click tienen un rango bajo de error, (de ± 4 por ciento), con dichos instrumentos, por lo general, se cometen errores y sobretorqueos ya que, si no se cuenta con instrumentos adicionales y especiales de medición, es imposible saber con certeza el torque aplicado. Para evitar errores, se recomienda que el operario inicie la operación de apriete con la llave adecuada y para dar finalmente el torque correcto, tome el torquimetro por el centro de la empuñadura con una mano, mantenga la quijada recta y alineada al mango del instrumento, y en el sentido de las agujas del reloj aplique lentamente la fuerza. En el caso de tuercas y tornillos izquierdos, la fuerza se hace en sentido contrario a las agujas del reloj. Inmediatamente después de sentir y escuchar el click, el operario debe evitar seguir ejerciendo fuerza en la palanca; por el contrario, debe soltar el instrumento en este punto. Si el operario no está seguro que el torque aplicado ha sido el correcto, entonces es necesario volver a soltar el perno y nuevamente aplicar el torque pero, por ninguna razón debe utilizar el torquímetro para hacerlo pues esto descalibraría el instrumento, para aflojar la pieza lo ideal es emplear un volvedor. Una práctica común es aflojar un poco el perno y volver a torquear, cuando la exactitud es muy necesaria; por ejemplo, en el ajuste de válvulas, caso en el que se corre el riesgo de fuga o ruptura de los empaques aislantes del sistema. Cuándo el operario termina de utilizar el torquímetro, al final del día, debe guardarlo en su respectivo estuche con la lectura más baja, pues el resorte interno, al quedar comprimido, pierde sus características de tensión y sale de calibración.
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Por la experiencia, la vida útil de este instrumento es de aproximadamente 20.000 ciclos, según las especificaciones, pero los torquímetros cuidados adecuadamente duran muchos más. Lo importante es no olvidar hacer una revisión cada año en un laboratorio debidamente certificado. En Cusco INDECOPI cuenta con un laboratorio de torque acreditado por la Superintendencia de Industria y Comercio en la norma ISO17025, que rige este tipo de laboratorios. m et ro Electrónicos: • Tor q u í Estos
torquímetros son muy precisos ya que cuentan con un visor electrónico en el que se selecciona el torque requerido, hay instrumentos desde 4 lb-in hasta 600 lb-ft. Los instrumentos electrónicos son afectados por la gravedad y por ello antes de montarlo sobre un perno para cualquier operación, bien sea vertical u horizontal, es necesario colocarlos en cero absoluto y después emplearlo. Si no se ajusta el cero absoluto antes de realizar el torque se puede perder hasta un 4 por ciento de precisión. Los torquímetros de este tipo son extremadamente exactos, cuentan con un sistema digital en el que se elige la unidad base de medida, el torque requerido e incluso el ángulo de apriete. El gran beneficio de este instrumento radica en que la pantalla digital muestra el torque aplicado, con lo que se puede tener certeza de la operación, lo cual no es posible en otros torquímetros.
Es importante mencionar que cuando se enciende un instrumento de torque digital, éste genera un cero automático y por ello no hay que tomarlo por el lado de la cabeza pues, la carga eléctrica de la mano, puede afectar la lectura. Por cada perno u operación de apriete, es necesario llevar el instrumento a cero total. Algunos de los torquímetros digitales, cuentan con una memoria que guarda los ciclos aplicados, hasta 300 ciclos. Con todos los instrumentos y, particularmente, con los electrónicos hay que tener sumo cuidado pues un sobretorqueo mayor a 25 por ciento puede generar problemas de calibración. También debe tenerse en cuenta que estos aparatos son afectados por los factores ambientales y por ello hay que considerar las condiciones climáticas dónde serán utilizados.
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• Tipo
Dial o Reloj: Estos torquímetros poseen una carátula circular graduada, generalmente en lb-ft. y N-m, y dos agujas una de las cuales indica el torque a aplicar y la otra de memoria, que indica cuál fue el torque máximo aplicado la última vez según el modelo y fabricante. La carátula giratoria permite elegir entre las escalas internas o externas de la misma dependiendo del sentido en el que se vaya a aplicar el torque o el tipo de rosca del sujetador; la escala externa se utiliza para roscas derechas y la escala interna se utiliza para roscas izquierdas, todas las partes metálicas están hechas de acero templado, las partes externas tienen un recubrimiento de níquel y cromo. Hay versiones de reloj que logran rangos desde 2 lb-oz hasta 3.000 lb-ft.
Básicamente, el tipo reloj es una versión mejor costo-beneficio que el electrónico, es más económico, y antes de que existieran los digitales, el reloj se empleaba para torques muy precisos. Otro beneficio, es que pueden soportar condiciones ambientales más bruscas que los digitales. Para este tipo de torquímetro, es importante que el operario observe la escala del instrumento perpendicularmente (de frente a los ojos) cuando lo está usando, ya que se puede cometer un error de paralaje; es decir, no se debe mirar de forma oblicua, ya sea desde arriba o abajo, pues se leerá otro valor de torque, entre 4 y 5 por ciento incorrecto, aunque aún con esta falla, la precisión del torquímetro de reloj es mucho mayor que la de los tipo click. • Desto rni llador
torq uím etro: Son instrumentos sencillos para aplicaciones que no exigen rangos altos de torque, máximo 40 lb-in. El mercado ofrece destornilladores de precisión con escala graduada, dial o visor, e incluso también hay instrumentos de este tipo con indicador electrónico de medida.
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Consejos para la aplicación c orrecta de torq ue Todos los fabricantes de torquímetros incluyen instrucciones detalladas, algunos cuentan con tablas de conversión y un certificado de calibración del instrumento. Algunos consejos generales incluyen: •
Se recomienda hacer una calibración inicial. No se recomienda hacer conversiones porque estas son imprecisas. Lo ideal es trabajar con instrumentos graduados en la misma unidad que se requiere aplicar torque, en el procedimiento. • Un torquímetro es un instrumento de precisión y nunca debe ser utilizado rudamente. • Nunca utilice un torquímetro como una matraca o un ratchet, para apretar constantemente. • Utilice una tracción suave y constante, sosteniendo el torquímetro por el centro del mango. • Siempre aplique la fuerza jalando, no empujando. • Al alcanzar el torque preestablecido, quite la presión del mango. El torquímetro se reestablecerá automáticamente. • Cuando no utilice un torquímetro de clic, ajústelo en la escala más baja. • En el caso de ensambles que tienen numerosos sujetadores, se debe apretar cada sujetador un poco a la vez. Se debe seguir la secuencia establecida por el fabricante. • Jamás utilice un torquímetro en una tuerca que ya se ha apretado. Para rectificar el torque hay que aflojar la tuerca y volver a apretar. • Nunca utilizar el torquímetro para aflojar los sujetadores o como un volvedor. • Cuándo se utiliza un multiplicador de torque, se debe utilizar un torquímetro para aplicar el torque de entrada (apriete) o torque de desconexión, para determinar si se ha alcanzado el torque de desconexión adecuada. Jamás utilice una llave de impacto sobre un multiplicador de torque. • En necesario no superar un intervalo de 12 meses o 5.000 ciclos entre cada calibración del instrumento, • Evite el contacto del instrumento con cualquier tipo de líquidos, incluyendo aceites y agua. • No coloque el instrumento en superficies irregulares y poco estables y evite que las partes del mismo sobresalgan de la mesa o superficie. • Una vez utilizado el instrumento guárdelo en su estuche con todos sus accesorios. •
Los multiplicadores de par se deben emplear para aumentar la fuerza de apriete sin perder precisión y para evitar correr los riesgos al utilizar las palancas.
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Es importante tener en cuenta que de cada uno de los diferentes modelos de torquímetros tienen variaciones diversas, como la unidad de torque bajo la que se miden y las aplicaciones. Adicionalmente, cuentan con una serie de accesorios como dados de acople para cada tipo de perno y multiplicadores de torque, se trata de mecanismos que aumentan la fuerza del torque en aplicaciones en los que un torquímetro no tiene la capacidad. Los multiplicadores de par (Torque) funcionan gracias a un sistema de engranajes planetario, de 3 o 4 engranajes, cuyos dientes están engranados para aumentar la fuerza de la palanca. Es importante emplearlos ya que el uso de barras grandes puede ser peligroso, el multiplicador de torque reduce la longitud de la palanca y el esfuerzo del operador. Estos accesorios también optimizan el espacio disponible para aplicar el torque y es mucho más preciso que la barra, pues se puede aplicar de forma suave y lenta. Tal como se ha podido observar los torquímetros están calibrados para uso en aplicaciones que requieren una presión y una exactitud extrema, como aplicaciones aeroespaciales, de aviación y militares. Debido a que son tan importantes, no hay que escatimar esfuerzos para que elegir torquímetros precisos y adecuados a los requerimientos de la industria; es vital emplearlos correctamente, cuidarlos y guardarlos en buenas condiciones, ya que no son llaves sino instrumentos delicados que merecen la misma atención de un micrómetro o cualquier instrumento de precisión. Fuentes •
Diseño de Elementos de Maquina. Ing. Juan Hori. Facultad de Ingeniería MecánicaUNI. Lima-2008. •
Catálogo Williams Tools 2008.
•
Manual de torques y puesta a punto. FORD octubre 2008.
Romao Alleri Cruz. Sicuani-2015
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