Llave de torsión - Torque wrench

Una llave dinamométrica

Una llave dinamométrica es una herramienta que se utiliza para aplicar un par específico a un sujetador , como una tuerca , un perno o un tirafondo . Por lo general, tiene la forma de una llave de tubo con mecanismos internos especiales.

Se utiliza una llave dinamométrica cuando el apriete de tornillos y pernos es crucial. Permite al operador establecer el par aplicado al sujetador para que pueda coincidir con las especificaciones para una aplicación en particular. Esto permite la tensión y carga adecuadas de todas las piezas. Una llave dinamométrica utiliza la torsión como un sustituto de la tensión del perno. La técnica adolece de imprecisiones debido a la fricción inconsistente o no calibrada entre el sujetador y su orificio de acoplamiento. Medir la tensión del perno (indirectamente a través del estiramiento del perno) es en realidad lo que se desea, pero a menudo el torque es la única medida práctica que se puede realizar.

Los destornilladores dinamométricos y las llaves dinamométricas tienen propósitos y mecanismos similares.

Historia

Ilustración conceptual de la llave patentada de JH Sharp

La primera patente para una llave dinamométrica fue presentada por John H. Sharp de Chicago en 1931. Esta llave se conocía como una llave de medición de torque y hoy se clasificaría como una llave dinamométrica indicadora.

En 1935, Conrad Bahr y George Pfefferle patentaron una llave dinamométrica de trinquete ajustable. La herramienta presentaba retroalimentación audible y restricción del movimiento de trinquete cuando se alcanzaba el par de torsión deseado. Bahr, que trabajaba para el Departamento de Agua de la ciudad de Nueva York, se sintió frustrado por el apriete inconsistente de los pernos de las bridas que encontró mientras se ocupaba de su trabajo. Afirmó haber inventado la primera herramienta de limitación de par en 1918 para aliviar estos problemas. El socio de Bahr, Pfefferle, era ingeniero de SR Dresser Manufacturing Co y poseía varias patentes.

Tipos

Haz

Llave dinamométrica tipo viga. La barra indicadora permanece recta mientras que el eje principal se dobla proporcionalmente a la fuerza aplicada en el mango.
Vista detallada de la escala de visualización de torque en una llave dinamométrica tipo viga. Esto muestra un par de aproximadamente 160 in.lbf o 18 N · m.

La forma más básica de llave dinamométrica consta de dos vigas. La primera es una palanca que se utiliza para aplicar el par de torsión al sujetador que se está apretando y también sirve como mango de la herramienta. Cuando se aplica fuerza al mango, se desviará de manera predecible y proporcional con dicha fuerza de acuerdo con la ley de Hooke. La segunda viga solo está unida en un extremo a la cabeza de la llave y está libre por el otro, esto sirve como viga indicadora. Ambos haces corren paralelos entre sí cuando la herramienta está en reposo, con el haz indicador generalmente en la parte superior. El extremo libre de la viga indicadora puede viajar libremente sobre una escala calibrada unida a la palanca o manija, marcada en unidades de torque. Cuando se usa la llave para aplicar torque, la palanca se dobla y el rayo indicador permanece recto. Por lo tanto, el extremo del rayo indicador apunta a la magnitud del par que se está aplicando actualmente. Este tipo de llave es simple, intrínsecamente precisa y económica.

La llave dinamométrica tipo viga fue desarrollada entre fines de la década de 1920 y principios de la de 1930 por Walter Percy Chrysler para Chrysler Corporation y una compañía conocida como Micromatic Hone. Paul Allen Sturtevant, un representante de ventas de Cedar Rapids Engineering Company en ese momento, obtuvo la licencia de Chrysler para fabricar su invento. Sturtevant patentó la llave dinamométrica en 1938 y se convirtió en el primer individuo en vender llaves dinamométricas.

Una variación más sofisticada de la llave dinamométrica tipo viga tiene un indicador de cuadrante en su cuerpo que se puede configurar para dar una indicación visual, o una indicación eléctrica, o ambas cuando se alcanza un par preestablecido.

Haz deflector

La llave dinamométrica de haz deflector de doble señal fue patentada por la compañía australiana Warren and Brown en 1948. Emplea el principio de aplicar torque a un haz deflector en lugar de un resorte helicoidal. Se afirma que esto ayuda a prolongar la precisión de la llave a lo largo de su vida útil, con un mayor margen de seguridad en la carga máxima y proporciona lecturas más consistentes y precisas en todo el rango de cada llave. El operador puede escuchar el clic de la señal y ver un indicador visible cuando se alcanza el par de torsión deseado.

Diagrama simplificado de una llave dinamométrica de viga deflectora

La llave funciona de la misma forma general que una llave dinamométrica de viga ordinaria. Hay dos vigas, ambas conectadas al cabezal, pero solo una a través de la cual se aplica el par. La viga portadora de carga es recta y va desde la cabeza hasta el mango, se desvía cuando se aplica torque. El otro rayo (rayo indicador) corre directamente sobre el rayo deflector durante aproximadamente la mitad de la longitud y luego se dobla hacia un lado en un ángulo con respecto al rayo deflector. El rayo indicador conserva su orientación y forma durante el funcionamiento. Debido a esto, existe un desplazamiento relativo entre las dos vigas. La llave dinamométrica de viga deflectora se diferencia de la llave dinamométrica de viga ordinaria en la forma en que utiliza este desplazamiento relativo. Unida a la viga deflectora hay una escala y sobre ella se coloca una cuña que se puede deslizar a lo largo de la escala paralela a la viga flexible. Esta cuña se utiliza para establecer el par de torsión deseado. Directamente frente a esta cuña está el lado del haz indicador en ángulo. De este lado sobresale un pasador, que actúa como un gatillo para otro pasador, el último pasador está cargado por resorte y se dispara por el extremo del rayo indicador una vez que el pasador del gatillo hace contacto con la cuña ajustable. Este disparo produce un fuerte clic y da una indicación visual de que se ha alcanzado el par de torsión deseado. El pin indicador se puede restablecer simplemente presionándolo de nuevo en el haz indicador.

Zapatilla

Principio simplificado de una cabeza tipo zapatilla

Una llave dinamométrica tipo zapatilla consta de un mecanismo de rodillo y leva (o similar). La leva está unida a la cabeza motriz, el rodillo empuja contra la leva bloqueándola en su lugar con una fuerza específica que es proporcionada por un resorte (que en muchos casos es ajustable). Si se aplica un par de torsión que es capaz de vencer la fuerza de sujeción del rodillo y el resorte, la llave se deslizará y no se aplicará más torsión al perno. Una llave dinamométrica deslizante no apretará demasiado el sujetador al continuar aplicando un par más allá de un límite predeterminado.

Hacer clic

Llave dinamométrica tipo clic con enchufe adjunto, ajustada girando la manija moleteada
Dibujo conceptual del funcionamiento de una llave dinamométrica tipo clic

Un método más sofisticado para preajustar el par es con un mecanismo de embrague calibrado . Una forma común utiliza un retén de bola y un resorte , con el resorte precargado por una rosca de tornillo ajustable , calibrada en unidades de torque. El retén de la bola transmite fuerza hasta que se alcanza el par preestablecido, momento en el que se supera la fuerza ejercida por el resorte y la bola "hace clic" fuera de su casquillo. Este diseño proporciona una mayor precisión y proporciona una respuesta táctil y audible. La llave no comenzará a deslizarse una vez que se alcance el par de torsión deseado, solo hará clic y se doblará ligeramente en la cabeza; el operador puede continuar aplicando torque a la llave sin ninguna acción adicional o advertencias de la llave.

Existe una serie de variaciones de este diseño para diferentes aplicaciones y diferentes rangos de par. En algunos taladros se utiliza una modificación de este diseño para evitar que se rompan las cabezas de los tornillos mientras se aprietan. El taladro comenzará a deslizarse una vez que se alcance el torque deseado.

Llave "sin cubo"

Estas son llaves dinamométricas especializadas que utilizan los plomeros para apretar las bandas de sujeción en los acoplamientos de tuberías de suelo sin cubo . Por lo general, son llaves con mango en T con una combinación de trinquete y embrague unidireccionales . Están preajustados a un par fijo diseñado para asegurar el acoplamiento de manera adecuada pero insuficiente para dañarlo.

Llave dinamométrica electrónica

Llaves dinamométricas electrónicas

Con llaves dinamométricas electrónicas (indicadoras), la medición se realiza mediante un medidor de tensión unido a la barra de torsión. La señal generada por el transductor se convierte a la unidad de torque requerida (por ejemplo, N · m o lb f · ft) y se muestra en la pantalla digital. Se pueden almacenar varias uniones diferentes (detalles de medición o valores límite). Estos valores límite programados se muestran permanentemente durante el proceso de apriete mediante LED o la pantalla. Al mismo tiempo, esta generación de llaves dinamométricas puede almacenar todas las medidas realizadas en una memoria interna de lecturas. Esta memoria de lecturas se puede transferir fácilmente a una PC a través de la interfaz (RS232) o imprimirse directamente a una impresora. Una aplicación popular de este tipo de llave dinamométrica es para documentación en proceso o fines de garantía de calidad. El nivel de precisión típico sería de ± 0,5% a 4%.

Llaves dinamométricas / angulares electrónicas programables

La medición del par se realiza de la misma manera que con una llave dinamométrica electrónica, pero también se mide el ángulo de apriete desde el punto de ajuste o umbral. El ángulo se mide mediante un sensor de ángulo o un giroscopio electrónico. El proceso de medición de ángulos permite reconocer las juntas que ya se han apretado. La memoria de lecturas incorporada permite evaluar estadísticamente las mediciones. Las curvas de apriete se pueden analizar utilizando el software a través del sistema integrado de curvas de apriete (gráfico de fuerza / trayectoria). Este tipo de llave dinamométrica también se puede utilizar para determinar el par de arranque, el par predominante y el par final de un trabajo de apriete. Gracias a un proceso de medición especial, también es posible mostrar el límite elástico (apriete controlado por rendimiento). Este diseño de llave dinamométrica es muy popular entre los fabricantes de automóviles para documentar los procesos de apriete que requieren control tanto del par como del ángulo porque, en estos casos, se debe aplicar un ángulo definido al sujetador además del par prescrito (por ejemplo, 50 N⋅m o 37 lbf⋅ft + 90 ° - aquí 50 N⋅m o 37 lbf⋅ft significa el punto / umbral ajustado y + 90 ° indica que se debe aplicar un ángulo adicional después del umbral).

En 1995, Saltus-Werk Max Forst GmbH solicitó una patente internacional para la primera llave dinamométrica electrónica con medición de ángulos que no requería un brazo de referencia.

Llaves dinamométricas mecatrónicas

Llave dinamométrica mecatrónica

La medición del par se realiza de la misma manera que con una llave dinamométrica tipo clic pero, al mismo tiempo, el par se mide como una lectura digital (clic y par final) como con una llave dinamométrica electrónica. Se trata, por tanto, de una combinación de medidas electrónicas y mecánicas. Todas las mediciones se transfieren y documentan mediante transmisión de datos inalámbrica. Los usuarios sabrán que han alcanzado la configuración de torque deseada cuando la llave "emite un pitido".

Llaves dinamométricas hidráulicas

Las llaves dinamométricas hidráulicas se utilizan para apretar grandes pares con alta precisión. Se utilizan para el montaje de maquinaria pesada y de aviación y son herramientas especializadas. Su construcción general varía según el fabricante y los requisitos de par. Generalmente, constan de al menos un cilindro hidráulico que acciona un trinquete de cabezal de accionamiento. El cilindro se extiende, empujando el cabezal de transmisión a través de los trinquetes y luego se retrae libremente sobre los dientes de trinquete. El proceso se repite hasta que se alcanza el par deseado. Las llaves dinamométricas hidráulicas más pequeñas tienen un brazo de reacción integrado en la herramienta, que se apoya contra otro sujetador o parte del conjunto para evitar la rotación cuando se aplica el torque. Los modelos más grandes requieren otras disposiciones de fijación para evitar la rotación.

Llave dinamométrica neumática

Par de ajuste de la llave dinamométrica neumática en los pernos.

Una llave dinamométrica neumática es un multiplicador de par planetario o caja de cambios acoplado a un motor neumático . Al final de la caja de cambios, un dispositivo de reacción absorbe el par y permite al operador de la herramienta utilizarlo con muy poco esfuerzo. La salida de par se ajusta controlando la presión del aire.

Estas cajas de engranajes de multiplicador de par planetario tienen relaciones de multiplicación de hasta 125: 1 y se utilizan principalmente cuando se requiere un par de torsión preciso en una tuerca y un perno, o donde es necesario quitar una tuerca rebelde. Para aplicaciones críticas, el par "final" a menudo se aplica con una herramienta de alta precisión.

A diferencia de una llave de impacto estándar , a la que se parece, una llave dinamométrica neumática es impulsada por engranajes continuos y no por los martillos de una llave de impacto, por lo que tiene muy poca vibración.

La llave dinamométrica neumática se inventó en Alemania a principios de la década de 1980.

Las capacidades de par de las llaves dinamométricas neumáticas van desde 118 Nm hasta un máximo de 47.600 Nm.

Un motor neumático que utiliza aire comprimido es la fuente de energía más común para las llaves dinamométricas neumáticas, que normalmente requieren de 20 a 25  CFM .

Estandarización de llaves dinamométricas

YO ASI

La Organización Internacional de Normalización mantiene la norma ISO 6789. Esta norma cubre la construcción y calibración de herramientas de torsión accionadas manualmente. Definen dos tipos de herramientas dinamométricas que abarcan doce clases, que se indican en la tabla siguiente. También se proporciona el porcentaje de desviación permisible del par de torsión deseado.

Tipos de llaves dinamométricas Tolerancia de la llave dinamométrica
Escribe Clase Descripción ≤ 10 Nm > 10 Nm
Tipo 1: Indicador Clase A Llave con barra de torsión o flexión ± 6%
Clase B Llave con cuerpo rígido e indicador ± 6% ± 4%
Clase C Llave de cuerpo rígido y medida electrónica ± 6% ± 4%
Clase D Destornillador con indicador ± 6%
Clase E Destornillador con medición electrónica ± 6% ± 4%
Tipo 2: Configuración Clase A Llave ajustable con indicador ± 6% ± 4%
Clase B Llave dinamométrica fija ± 6% ± 4%
Clase C Llave ajustable sin indicador ± 6% ± 4%
Clase D Destornillador ajustable con indicador ± 6%
Clase E Destornillador fijo ± 6%
Clase F Destornillador ajustable sin indicador ± 6%
Clase G Llave ajustable con barra flexible e indicador ± 6%

La norma ISO también establece que incluso cuando se sobrecarga en un 25% de la calificación máxima, la herramienta debe seguir siendo utilizable de manera confiable después de ser recalibrada. La recalibración de las herramientas utilizadas dentro de los límites especificados debe ocurrir después de 5000 ciclos de apriete o 12 meses, lo que ocurra primero. En los casos en que la herramienta se utilice en una organización que tenga sus propios procedimientos de control de calidad, el programa de calibración se puede organizar de acuerdo con los estándares de la empresa.

Las herramientas deben estar marcadas con su rango de torque y la unidad de torque, así como la dirección de operación para herramientas unidireccionales y la marca del fabricante. Si se proporciona un certificado de calibración, la herramienta debe estar marcada con un número de serie que coincida con el certificado o un laboratorio de calibración debe darle a la herramienta un número de referencia correspondiente al certificado de calibración de la herramienta.

COMO YO

La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos mantiene la norma ASME B107.300. Esta norma tiene la misma designación de tipo que la norma ISO con la adición de la herramienta de torsión (limitadora) de tipo 3. Este tipo liberará el variador una vez que se alcance el par de torsión deseado para que no se pueda aplicar más torsión. Este estándar, sin embargo, utiliza diferentes designaciones de clase dentro de cada tipo, así como variantes adicionales de estilo y diseño dentro de cada clase. El estándar también separa las herramientas manuales y electrónicas en diferentes secciones y designaciones. Las normas ASME e ISO no pueden considerarse compatibles. La siguiente tabla muestra algunos de los tipos y tolerancias especificadas por la norma para herramientas de torsión manuales.

Tipos de llaves dinamométricas Tolerancia de la llave dinamométrica
Escribe Clase Estilo <20% de calificación máxima 20–100% de calificación máxima
Tipo 1: Indicador Clase A: haz deflector Estilo 1: escala simple ± 0,8% ± 4%
Estilo 2: escala con señal
Estilo 3: escala con memoria
Clase B: haz deflector, cabezal intercambiable Estilo 1: escala simple
Estilo 2: escala con señal
Estilo 3: escala con memoria
Clase C: carcasa rígida Estilo 1: escala simple
Estilo 2: escala con señal
Estilo 3: escala con memoria
Clase D: carcasa rígida, cabezal intercambiable Estilo 1: escala simple
Estilo 2: escala con señal
Estilo 3: escala con memoria
Clase E: destornillador, indica Estilo 1: escala simple
Estilo 2: escala con señal
Tipo 2: Configuración Clase A: Con graduación Estilo 1: sin trinquete ± 0,8% ± 4%
Estilo 2: con trinquete ± 0,8% ± 4%
Estilo 3: cabeza intercambiable ± 0,8% ± 4%
Estilo 4: Cabezal flexible con trinquete Ver estándar
Clase B: Sin graduación Estilo 1: sin trinquete ± 0,8% ± 4%
Estilo 2: con trinquete ± 0,8% ± 4%
Estilo 3: cabeza intercambiable ± 0,8% ± 4%
Estilo 4: Cabezal flexible con trinquete Ver estándar
Tipo 3: limitante Clase A: destornillador Estilo 1: sin graduación ± 1,2% ± 4%
Estilo 2: con graduación
Clase B: mango en T Estilo 1: sin graduación
Estilo 2: con graduación

Las herramientas deben estar marcadas con el número de modelo de la herramienta, la unidad de torque y la marca del fabricante. Para herramientas unidireccionales, también se debe marcar la palabra "PAR" o "PAR" y la dirección de operación.

Usando llaves dinamométricas

Precisión

Las llaves dinamométricas de tipo clic son precisas cuando se calibran correctamente; sin embargo, el mecanismo más complejo puede provocar la pérdida de calibración antes que el tipo de haz, donde hay poco o ningún mal funcionamiento (sin embargo, la varilla indicadora delgada puede doblarse accidentalmente). Las llaves dinamométricas tipo viga son imposibles de usar en situaciones donde la escala no se puede leer directamente, y estas situaciones son comunes en aplicaciones automotrices . La escala en una llave tipo viga es propensa a errores de paralaje , como resultado de la gran distancia entre el brazo indicador y la escala (en algunos diseños más antiguos). También existe el problema de un mayor error del usuario con el tipo de viga: el torque debe leerse en cada uso y el operador debe tener cuidado de aplicar cargas solo en el punto de pivote de la manija flotante. Las versiones de haz doble o haz "plano" reducen la tendencia del puntero a rozar, al igual que los punteros de baja fricción.

Extensiones

El uso de barras trampillas que se extienden desde el extremo del mango puede dañar la llave, por lo que solo se debe usar el equipo especificado por el fabricante.

Llave dinamométrica esquemática con extensiones.  Mostrando longitudes y pares de torsión a los que se hace referencia en el texto de la sección.

El uso de extensiones de manija o casquillo no requiere ajuste de la configuración de torque.

El uso de una pata de gallo o una extensión similar requiere el uso de la siguiente ecuación:

El uso de una combinación de extensiones de mango y pata de gallo requiere el uso de la siguiente ecuación:

dónde:

  • es el par indicado por la llave (par de ajuste),
  • es el par deseado,
  • es la longitud de la llave dinamométrica, desde el mango hasta el centro de la cabeza,
  • es la longitud de la extensión de la pata de gallo, desde el centro de la cabeza de la llave dinamométrica hasta la línea central del perno,
  • es la longitud de la extensión del mango, desde el extremo de la extensión hasta el mango de la llave dinamométrica.

Estas ecuaciones solo se aplican si la extensión es colineal con la longitud de la llave dinamométrica. En otros casos, se debe utilizar la distancia desde la cabeza de la llave dinamométrica hasta la cabeza del perno, como si estuviera en línea. Si la extensión está configurada a 90 °, no se requiere ningún ajuste. Estos métodos no se recomiendan excepto en circunstancias extremas.

Almacenamiento

Para los tipos de clic (u otros micrómetros), cuando no esté en uso, la fuerza que actúa sobre el resorte debe eliminarse ajustando la escala a su valor nominal mínimo para evitar un fraguado permanente en el resorte. Nunca ponga a cero una llave dinamométrica de estilo micrométrico, ya que el mecanismo interno requiere una pequeña cantidad de tensión para evitar que los componentes se muevan y reduzcan la precisión.

Calibración

Al igual que con cualquier herramienta de precisión, las llaves dinamométricas deben recalibrarse periódicamente. Como se indicó anteriormente, de acuerdo con las normas ISO, la calibración debe realizarse cada 5000 operaciones o cada año, lo que ocurra primero. Es posible que las llaves dinamométricas caigan hasta un 10% fuera de calibración durante el primer año de uso.

La calibración, cuando la realiza un servicio especializado que sigue las normas ISO, sigue un proceso y unas limitaciones específicas. La operación requiere un equipo especializado de calibración de llaves dinamométricas con una precisión de ± 1% o mejor. La temperatura del área donde se realiza la calibración debe estar entre 18 ° C y 28 ° C con una fluctuación de no más de 1 ° C y la humedad relativa no debe exceder el 90%.

Antes de que se pueda realizar cualquier trabajo de calibración, la herramienta debe estar precargada y apretada sin medir según su tipo. Luego, la herramienta se conecta al probador y se aplica fuerza al mango (a no más de 10 ° de la perpendicular) para valores del 20%, 60% y 100% del par máximo y se repite según su clase. La fuerza debe aplicarse lentamente y sin movimientos espasmódicos o irregulares. La siguiente tabla brinda más detalles sobre el patrón de prueba para cada clase de llave dinamométrica.

Escribe Clase Precalibración Procedimiento de calibración
Tipo 1 Todas las clases Precargue una vez al valor certificado más alto 5 mediciones seguidas para todos los valores
Tipo 2 Clase A Precargue cinco veces al valor certificado más alto 5 mediciones seguidas para todos los valores
Clase B 5 mediciones a valor nominal
Clase C 10 mediciones seguidas para todos los valores
Clase D 5 mediciones seguidas para todos los valores
Clase E 5 mediciones a valor nominal
Clase F 10 mediciones seguidas para todos los valores
Clase G 5 mediciones seguidas para todos los valores

Si bien se recomienda la calibración profesional, para algunas personas estaría fuera de sus posibilidades. Es posible calibrar una llave dinamométrica en el taller o en el garaje. El proceso generalmente requiere que se adhiera una cierta masa a un brazo de palanca y que la llave dinamométrica se ajuste al par de torsión apropiado para levantar dicha masa. El error dentro de la herramienta se puede calcular y la herramienta puede modificarse o cualquier trabajo realizado se puede ajustar para este error.

Ver también

Notas

Referencias

enlaces externos