Cada unión de sujetadores roscados enfrenta el mismo enemigo durante su vida útil: la pérdida gradual de la fuerza de sujeción causada por la vibración, los ciclos térmicos o el asentamiento de la superficie. Las arandelas de seguridad se desarrollaron para combatir esa pérdida generando presión de resorte y, en diseños dentados, excavando en las superficies de contacto para resistir la rotación. Dentro de la familia dentada, dos geometrías dominan los catálogos de hardware industrial y de consumo: la arandela de seguridad de dientes externos , con los dientes doblados hacia afuera alrededor del borde, y el arandela de seguridad dentada interna , con dientes inclinados hacia adentro, hacia el orificio. Ambos realizan la misma tarea general, pero la ubicación de esos dientes cambia la forma en que se aplica la fuerza, dónde ocurre el contacto y qué articulaciones se adaptan mejor a cada diseño.
Esta distinción importa más de lo que parece a primera vista. Un ingeniero de sujetadores que elige entre los dos no está eligiendo una variante cosmética; están seleccionando en qué parte de la cara de la lavadora se producirá la mordida, qué parte de la superficie de contacto se marcará y cómo se comporta la lavadora bajo torsión y vibración repetidas. Comprender la ubicación de los dientes, la distribución de la carga y la intención del diseño permite al comprador o diseñador hacer coincidir la arandela correcta con la junta correcta en lugar de optar por la pieza que esté en el estante.
La confusión entre los dos diseños es comprensible porque, desde la distancia, ambos parecen un anillo de metal con un borde dentado. Sólo cuando una persona toma uno y lo gira a la luz, la dirección de los dientes se vuelve obvia, e incluso entonces, las consecuencias prácticas de esa dirección no siempre son intuitivas sin algunos antecedentes sobre cómo fallan realmente las articulaciones sujetas. Una unión atornillada o atornillada rara vez se afloja porque el propio sujetador se desenrosca por sí solo bajo una carga constante e invariable. Más a menudo, el aflojamiento comienza con una pequeña cantidad de movimiento relativo entre la cabeza del sujetador, la arandela y la superficie debajo de ella, a menudo provocado por vibración, expansión y contracción térmica, o un ligero asentamiento de los materiales sujetos poco después del ensamblaje. Una vez que aparece esa primera porción de movimiento, la fricción en las superficies de contacto cae lo suficiente como para que el sujetador comience a girar en pequeños incrementos, y cada incremento se agrava hasta que la unión ha perdido de manera mensurable la fuerza de sujeción.
Las arandelas dentadas interrumpen esa cadena de eventos al darle a la articulación un punto de agarre mecánico además de la fricción que de otro modo haría todo el trabajo. En lugar de depender únicamente de la fricción superficial entre la cabeza del perno y la arandela, o la arandela y el sustrato, los dientes muerden físicamente ambas superficies, creando pequeños enclavamientos mecánicos que resisten la primera pizca de movimiento de rotación antes de que pueda comenzar. Debido a que ese primer fragmento de movimiento es lo que inicia la cascada de aflojamiento, detenerlo temprano tiene un efecto enorme en la confiabilidad de la articulación a largo plazo en comparación con lo que podría sugerir el pequeño tamaño de los dientes.
La principal diferencia física entre los dos tipos de lavadoras es sencilla de enunciar, pero tiene consecuencias de amplio alcance. Una arandela de dientes externa tiene dientes formados a lo largo de su diámetro exterior, torcidos de modo que cada diente presente un borde afilado que forma un ángulo ligeramente fuera del plano de la arandela. Una arandela dentada interna invierte esa disposición: los dientes están estampados a lo largo del diámetro interior, cerca del vástago del perno o del cuerpo del tornillo, y se inclinan hacia adentro.
Debido a que la arandela dentada externa muerde el borde exterior, establece un círculo de contacto más amplio contra la superficie de apoyo debajo de la cabeza del perno o la tuerca. Ese círculo más amplio distribuye la resistencia a la rotación a lo largo de un arco más grande, lo que tiende a ser más útil en materiales planos y más blandos, como carcasas de chapa metálica, paneles pintados o carcasas de aleaciones más ligeras. La arandela dentada interna, por el contrario, concentra su mordida inmediatamente alrededor del vástago, lo que mantiene la cara exterior de la arandela relativamente sin marcas y, a menudo, se prefiere cuando el acabado de la superficie visible alrededor del sujetador es importante, como en paneles decorativos, carcasas de electrodomésticos o juntas donde el borde exterior se asienta cerca de otro componente y no puede tolerar dientes que sobresalen.
El número y el ángulo de los dientes también desempeñan un papel de apoyo. La mayoría de los diseños estampados colocan entre ocho y una docena de dientes alrededor del anillo, cada uno ligeramente torcido fuera del plano para que, bajo compresión, actúen como pequeños resortes en voladizo y como bordes cortantes. A medida que se aprieta el sujetador, los dientes primero se aplanan ligeramente, almacenando la energía del resorte y luego muerden la superficie cuando se alcanza la fuerza de sujeción total. Esta doble acción, en parte resorte y en parte filo, es la razón por la que las arandelas dentadas a veces se agrupan en la familia más amplia de arandelas de seguridad junto con los diseños de anillos partidos, aunque el mecanismo de resistencia al aflojamiento es significativamente diferente. Una arandela de anillo partido depende casi por completo de la tensión del resorte almacenada que empuja contra las roscas del sujetador, mientras que una arandela dentada agrega una mordida mecánica a la tensión del resorte que proporciona el proceso de estampado.
La selección del material también interactúa con la colocación de los dientes. En un sustrato más duro, como el acero estructural grueso, tanto los diseños de dientes externos como los internos tendrán dificultades para morder profundamente, y la diferencia práctica de rendimiento entre ellos se reduce porque ninguno de los diseños logra una penetración profunda en el material base. En un sustrato más blando, como una lámina de aluminio o un panel de cerramiento pintado, la diferencia se vuelve mucho más pronunciada, ya que los dientes pueden hundirse en el material en lugar de simplemente rayar la superficie. Esta es una de las razones por las que los ensambladores experimentados tratan la selección de arandelas de dientes como una decisión específica de la junta en lugar de un estándar general aplicado a todos los sujetadores de un diseño.
En la distribución de la carga es donde las consecuencias prácticas de la colocación de los dientes se vuelven más claras. Una arandela debajo de un sujetador apretado no sólo resiste la rotación; también distribuye la fuerza de sujeción de la cabeza del perno o la tuerca a través del material subyacente para que la tensión no se concentre en un pequeño punto. El diámetro con el que los dientes hacen contacto cambia el radio de esa extensión.
Debido a que los dientes externos se ubican en el diámetro más grande disponible para un tamaño de arandela determinado, distribuyen la mordida en una circunferencia más amplia, lo que reduce la presión en cualquier diente para la misma fuerza de sujeción. Los dientes internos, colocados en un radio más pequeño, concentran más fuerza por diente para el mismo torque, lo que aumenta la profundidad de la mordida local pero también aumenta el riesgo de marcas en la superficie directamente alrededor del orificio en materiales más duros o más delgados.
Estas cifras son ilustrativas más que mediciones de laboratorio, pero representan un patrón observado consistentemente en la práctica de ensamblaje de juntas: las arandelas con una mordida de contacto más amplia distribuyen la tensión de sujeción a lo largo de una huella más grande, lo que reduce la posibilidad de que la superficie subyacente se deforme o que el sujetador se hunda en un material más blando con el tiempo.
La distribución de la carga también tiene un efecto secundario que es fácil pasar por alto: influye en la uniformidad con la que las piezas sujetas se asientan entre sí una vez que la unión está completamente apretada. Una arandela que concentra su presión de soporte en un anillo estrecho puede crear una ligera tendencia a balancearse si la superficie circundante no es perfectamente plana, porque la trayectoria de carga se canaliza a través de una pequeña banda de contacto en lugar de estar amortiguada a través de un área más amplia. Una huella de rodamiento más amplia tiende a promediar las pequeñas irregularidades de la superficie, lo que es parte de la razón por la cual los diseños de dientes externos a menudo se especifican en ensambles donde el panel de acoplamiento puede tener una ondulación menor debido a las tolerancias de fabricación, como cubiertas de chapa estampada o secciones de carcasa extruidas.
Sin embargo, hay una compensación que vale la pena señalar. Distribuir la carga en un área más amplia reduce la presión máxima en cualquier diente, lo que es bueno para evitar daños en la superficie, pero también puede significar una profundidad de mordida promedio menor en comparación con un diseño que concentra la misma fuerza de sujeción en un anillo más pequeño. Esta es la principal compensación mecánica entre los dos tipos de arandelas: los diseños de dientes externos favorecen un compromiso amplio y suave adecuado para proteger la superficie circundante, mientras que los diseños de dientes internos favorecen una mordida más apretada y concentrada adecuada para resistir la rotación en un espacio más pequeño. Ninguno de los enfoques es universalmente más fuerte; cada uno simplemente cambia en qué lugar de la curva de presión versus área se encuentra la articulación.
Ambos diseños de dientes se comercializan principalmente por su capacidad para resistir el aflojamiento bajo vibración, pero la forma en que cada uno se sostiene durante ciclos prolongados difiere ligeramente debido al lugar donde se produce la mordida en relación con el eje del sujetador. Los dientes colocados más cerca del vástago del perno en una arandela dentada interna se asientan más cerca del punto de pivote de cualquier micromovimiento rotacional, lo que les brinda una ventaja mecánica en la resistencia al ciclo temprano. Los dientes colocados más lejos en una arandela dental externa se benefician de un brazo de palanca más largo, lo que puede traducirse en una retención más estable a largo plazo una vez que la mordida inicial se ha asentado en la superficie.
Las curvas que se muestran aquí reflejan un patrón generalizado observado en muchos estudios de articulaciones en lugar de una garantía fija: las arandelas de dientes internas a menudo comienzan con una mordida temprana ligeramente más fuerte debido al brazo de palanca más corto cerca del vástago, mientras que las arandelas de dientes externas tienden a degradarse más gradualmente porque su radio de mordida más amplio se resiste a soltarse incluso después de que los dientes individuales se hayan desgastado parcialmente. Ninguno de los patrones hace que un diseño sea universalmente superior; La elección correcta depende de si se espera que la articulación experimente una vibración temprana intensa, como durante el rodaje inicial del equipo, o ciclos constantes a largo plazo, como cuando se utiliza maquinaria en funcionamiento continuo.
Las arandelas dentadas tampoco están destinadas a compensar un sujetador mal especificado. Si el diámetro del perno o del tornillo es demasiado pequeño para la carga, o los materiales sujetos son demasiado blandos para mantener el torque, ninguna cantidad de geometría del diente compensará completamente ese desajuste. Son un refinamiento aplicado sobre una junta de tamaño correcto, no un sustituto del tamaño correcto de los sujetadores.
Las opciones de diseño de sujetadores rara vez se reducen a una sola propiedad. Los ingenieros sopesan juntos la dureza de la superficie, la visibilidad de la junta terminada, el juego radial disponible y el perfil de vibración esperado. La siguiente tabla resume los puntos de decisión comunes extraídos de la práctica de la asamblea general.
| Consideración | Lavadora de dientes externa | Lavadora de dientes interna |
|---|---|---|
| Radio de mordida | Borde exterior, circunferencia ancha. | Orificio interior, cerca del vástago |
| Marcado de superficie | Anillo de señalización luminosa más amplio | Anillo pequeño cerca del orificio |
| Mejor en | Materiales en láminas blandas o delgadas | Piezas de acoplamiento más duras y gruesas |
| Impacto de acabado visible | Más notorio en el borde | Principalmente oculto debajo de la cabeza del perno |
| Uso típico | Cajas de paneles, soportes | Terminales eléctricos, pequeños conjuntos. |
| Necesidad de autorización | Requiere espacio en el borde | Se adapta a áreas con orificios más estrechos |
Los gabinetes y soportes estructurales, que frecuentemente están hechos de láminas más delgadas, se inclinan hacia diseños de dientes externos porque la mordida más ancha distribuye la fuerza de sujeción sin deformar el panel. Los terminales eléctricos y las carcasas compactas, donde la cara visible debe permanecer limpia y el espacio alrededor del orificio es limitado, se inclinan por los diseños de dientes internos. Ninguno de los patrones es una regla estricta; refleja la lógica general que guía la selección una vez que se comprenden los dos comportamientos mecánicos.
Las juntas de puesta a tierra y unión son uno de los lugares más comunes donde aparecen arandelas de dientes fuera de la fijación estructural general. Debido a que los dientes atraviesan una ligera oxidación de la superficie al morder, ambos diseños se especifican comúnmente en aplicaciones de unión, y la elección generalmente depende del espacio disponible alrededor de la orejeta terminal.
Un solo número rara vez cuenta la historia completa de un componente de fijación, por lo que una comparación de atributos múltiples suele ser más útil durante el proceso de selección. El siguiente gráfico de radar muestra cinco atributos que comúnmente se comparan entre sí: resistencia a las vibraciones, protección de la superficie, resistencia al mordisco de los bordes, facilidad de alineación durante el ensamblaje y rentabilidad general en volúmenes de producción típicos.
Las arandelas de dientes externos tienden a obtener una puntuación más alta en resistencia a la vibración y rentabilidad, ya que el radio de mordida más amplio resiste bien el aflojamiento y el proceso de estampado para los dientes externos es generalmente más simple en volumen. Las arandelas de dientes internas tienden a obtener una puntuación más alta en protección de la superficie y facilidad de alineación, ya que el perfil exterior más pequeño mantiene el borde libre de los herrajes circundantes y los dientes se autocentran de forma más natural alrededor del vástago durante el montaje. La fuerza de mordida del borde es similar entre los dos, y la ventaja cambia dependiendo de la dureza del material de contacto.
Leer un gráfico como este es más útil cuando los atributos se ponderan según la junta específica que se está diseñando en lugar de tratarlos como igualmente importantes en todas las aplicaciones. Un diseñador que trabaja en un soporte estructural para exteriores, donde la resistencia a las vibraciones y la confiabilidad a largo plazo superan las preocupaciones cosméticas, naturalmente se inclinará hacia los atributos en los que los diseños de dientes externos obtienen una puntuación más alta. Un diseñador que trabaja en una carcasa electrónica compacta, donde la costura visible alrededor de cada tornillo es importante para el producto terminado y el espacio radial disponible es reducido, ponderará más la protección de la superficie y la facilidad de alineación y se inclinará hacia diseños de dientes internos. El gráfico es un punto de partida para esa conversación, no un veredicto final, ya que los proyectos reales generalmente equilibran varios de estos atributos entre sí simultáneamente en lugar de optimizar solo uno.
Seleccionar la geometría dental correcta es sólo la mitad del éxito de una articulación. Algunas comprobaciones prácticas reducen la posibilidad de que una lavadora tenga un rendimiento deficiente una vez instalada:
Estas comprobaciones son una práctica común en los trabajos de montaje general y se aplican independientemente de la geometría de diente que se seleccione finalmente. Saltarlos es una causa más frecuente de aflojamiento de las juntas que elegir el tipo de arandela incorrecto en primer lugar.
Por lo general, se usan uno a la vez en lugar de apilarlos, ya que cada uno ya está diseñado para proporcionar suficiente mordida por sí solo y el apilamiento agrega una altura innecesaria a la articulación sin una ganancia proporcional en el poder de sujeción.
La colocación de los dientes afecta principalmente cómo se distribuye la fuerza de sujeción una vez que el sujetador está apretado en lugar del torque necesario para alcanzar esa fuerza de sujeción, aunque puede ocurrir una fricción ligeramente mayor cuando los dientes comienzan a morder.
Se pueden usar en superficies recubiertas, pero los dientes generalmente atravesarán el recubrimiento en los puntos de contacto, lo cual es un comportamiento esperado ya que la mordida depende de alcanzar el material base que se encuentra debajo.
Las arandelas de dientes internas tienden a autocentrarse más fácilmente alrededor del vástago del perno, lo que puede acelerar ligeramente la alineación durante el montaje repetitivo en comparación con el contacto del borde exterior de los diseños de dientes externos.
Reducen la probabilidad de que se aflojen debido a la vibración, pero no sustituyen a los compuestos bloqueadores de roscas en juntas donde la aplicación requiere específicamente la retención química.
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