Aplicación de los pernos de unión de la carrocería: Guía esencial del ingeniero para la seguridad del vehículo

Guía del ingeniero sobre tornillos de unión de carrocerías: Análisis técnico de las aplicaciones

El simple tornillo es la pieza más común y, sin embargo, la más olvidada en la fabricación de automóviles. Para la mayoría de la gente, no parece más que un elemento de fijación básico. Para los ingenieros, es un muelle cuidadosamente diseñado y una pieza de carga crucial cuyo uso adecuado es esencial para la resistencia, la seguridad y el rendimiento del vehículo. Convertir paneles de metal estampado separados en una carrocería sólida y segura en caso de accidente depende de la ciencia exacta de la unión de piezas. Este artículo va más allá de la información básica para ofrecer un estudio técnico detallado de las reglas que controlan la aplicación de los tornillos de unión de la carrocería. Examinaremos la física básica del funcionamiento de las uniones, exploraremos los materiales y recubrimientos que determinan el rendimiento y analizaremos las tecnologías avanzadas y los métodos de control de calidad que garantizan la fiabilidad a largo plazo. Se trata de una guía completa para ingenieros y diseñadores que deseen dominar la ciencia de las uniones atornilladas, una base de la ingeniería moderna de carrocerías (BIW) que determina tanto el rendimiento estructural como la resistencia de las uniones.

Principios básicos de la articulación

En la estructura de un coche, una unión atornillada no es sólo un pasador que sujeta unas piezas con otras. Es un complejo sistema mecánico diseñado para crear y mantener una fuerza de sujeción específica. Esta fuerza presiona las piezas unidas con tanta fuerza que la fricción entre sus superficies impide cualquier movimiento entre ellas. La idea básica que subyace en casi todas las uniones atornilladas estructurales es la precarga del tornillo. Se trata de la tensión que se crea en el interior del eje del tornillo al apretarlo, estirándolo como un muelle muy rígido. Esta precarga, que se convierte directamente en fuerza de apriete sobre las piezas de la unión, es el factor más importante para el rendimiento de la unión, mucho más importante que la resistencia incorporada del tornillo frente a fuerzas laterales.

La importancia de la fuerza de sujeción

Cuando se aplica una carga exterior, como una fuerza de viraje que actúa sobre un bastidor de suspensión, a una junta debidamente precargada, ésta es resistida principalmente por la fricción estática entre las superficies sujetas. La carga debe superar primero esta fricción antes de poder someter al propio tornillo a una tensión lateral directa. Por lo tanto, una fuerza de apriete elevada crea una junta "bloqueada" que actúa como una pieza única y sólida. En la mayoría de las aplicaciones BIW, las uniones están diseñadas para ser uniones de fricción. Una unión con carga de cizallamiento, en la que el propio perno actúa como un pasador para evitar el deslizamiento, es una condición menos deseable y a menudo muestra que la unión ha fallado o estaba mal diseñada, ya que permite pequeños movimientos que pueden provocar rozamiento, desgaste y, finalmente, fallo por fatiga. Las juntas sometidas a tensión, en las que las fuerzas externas actúan a lo largo de la línea central del perno, dependen de una precarga elevada para evitar la separación de la junta y reducir el esfuerzo cíclico que experimenta el perno.

Ideas clave

• Precarga: La fuerza de estiramiento interna que se crea en un tornillo al estirarse durante el apriete. Es esta energía elástica almacenada la que mantiene la resistencia de la unión.
• Fuerza de sujeción: Es la fuerza de apriete aplicada a las piezas unidas por el tornillo precargado. Está directamente relacionada con la precarga y es responsable de crear la fricción que soporta las cargas de servicio.
• Par de torsión: Es la fuerza de giro aplicada a la cabeza del tornillo o a la tuerca. Es la entrada utilizada para crear precarga, pero la relación no es directa, ya que una parte significativa del par se utiliza para superar la fricción.
• Coeficiente de fricción: Un factor crítico y muy variable que determina cuánto par aplicado se convierte en precarga útil frente a cuánto se pierde por fricción bajo la cabeza del tornillo y en las roscas.

Funciones en el BIW

Los tornillos cumplen varias funciones diferentes en el conjunto de la carrocería y el chasis:

• Transferencia de carga estructural: Conexión de piezas sometidas a grandes esfuerzos, como bastidores de suspensión, cunas de motor y vigas de parachoques, a la estructura principal de la carrocería, transfiriendo las cargas dinámicas de forma segura.
• Fijación de componentes: Fijación de paneles atornillados, como guardabarros, puertas y capós, que contribuyen a la rigidez general y la estabilidad dimensional del vehículo.
• Precisión dimensional: Actúan como puntos de posicionamiento durante el montaje, garantizando la alineación precisa de las piezas críticas y manteniendo la integridad geométrica de la BIW.

Ciencia y selección de materiales

La elección de un tornillo para una aplicación específica del automóvil es una decisión de ingeniería calculada que equilibra las propiedades mecánicas, la resistencia medioambiental y el coste. El material y su correspondiente tratamiento superficial se eligen para satisfacer las exigencias exactas de la unión, desde el entorno de alta tensión de un enlace de suspensión hasta la fijación menos crítica de un panel de revestimiento interior. La base de este proceso de selección es conocer las designaciones normalizadas de resistencia de los materiales, conocidas como clases de propiedades.

Clases de propiedades de Bolt

En el caso de los tornillos de acero, las clases de propiedades se definen en normas como la ISO 898-1. Estas clases se indican normalmente con dos números separados por un punto, como 8,8, 10,9 o 12,9. Estos números no son aleatorios, sino que describen directamente las principales propiedades mecánicas del tornillo. Estos números no son aleatorios, sino que describen directamente las principales propiedades mecánicas del tornillo.

• El primer número representa la resistencia a la tracción nominal (UTS) en megapascales (MPa), dividida por 100. Para un tornillo de clase 10.9, esto significa aproximadamente 10 x 100 = 1000 MPa. Para un tornillo de clase 10.9, esto significa una UTS de aproximadamente 10 x 100 = 1000 MPa.
• El segundo número representa la relación entre el límite elástico y la resistencia a la tracción, en porcentaje. Para un tornillo de clase 10.9, el límite elástico es 90% del UTS, o 0,9 x 1000 = 900 MPa.

El límite elástico es el valor crítico para el diseño, ya que representa la tensión máxima que puede soportar el tornillo antes de que se produzca una deformación plástica permanente. A medida que aumenta la clase de propiedad, también lo hace la resistencia del tornillo, lo que permite una mayor precarga y fuerza de apriete con un tornillo más pequeño o ligero. Sin embargo, este aumento de la resistencia se produce a costa de la flexibilidad. Un tornillo de clase 12.9 es significativamente más resistente que uno de clase 8.8, pero también es más frágil y susceptible a determinados modos de fallo, como la fragilización por hidrógeno.

Materiales comunes y razonamiento

La inmensa mayoría de los tornillos para automóviles se fabrican con acero debido a su excelente relación resistencia/coste y a su comportamiento bien entendido.

• Aceros de medio carbono: Utilizados normalmente para tornillos de clase 8.8, se calientan y enfrían para conseguir un buen equilibrio entre resistencia y tenacidad, lo que los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones estructurales generales.
• Aceros aleados: Materiales como el cromo, el molibdeno o el manganeso se añaden para crear aceros aleados que se utilizan para clases de propiedades más altas, como 10.9 y 12.9. Estas aleaciones permiten al material alcanzar una resistencia mucho mayor mediante tratamiento térmico, lo que las hace esenciales para uniones críticas sometidas a elevadas cargas estáticas y dinámicas.
• Aleaciones ligeras: En el esfuerzo constante por reducir el peso de los vehículos, los tornillos de aleación de aluminio y titanio se utilizan cada vez más, aunque de forma especializada. Los tornillos de aluminio se utilizan para fijar piezas a estructuras de magnesio o aluminio para evitar la corrosión galvánica, mientras que los tornillos ultraligeros de titanio suelen reservarse para aplicaciones de alto rendimiento o deportes de motor debido a su elevado coste.

El papel fundamental de los revestimientos

El revestimiento de un tornillo no es sólo estético; es un tratamiento de superficie multifuncional fundamental para el rendimiento. Sus funciones principales son la protección contra la corrosión y la gestión de la fricción.

• Protección contra la corrosión: En el duro entorno de la automoción, un tornillo de acero sin recubrimiento fallaría rápidamente. Los recubrimientos proporcionan una capa protectora. Los recubrimientos de sacrificio, como los sistemas de zinc o de escamas de zinc, se corroen en lugar del acero para proteger la base de acero. Los revestimientos de barrera, como las pinturas o los polímeros, separan físicamente el acero del entorno. Los recubrimientos de zinc en escamas son especialmente comunes en automoción debido a su excelente resistencia a la corrosión y a su capacidad para aplicarse sin riesgo significativo de fragilización por hidrógeno.
• Gestión de la fricción: Como se ha establecido, la relación entre el par aplicado y la precarga alcanzada está controlada por la fricción. Una fricción incontrolada puede dar lugar a una variación 50% o mayor de la precarga para un par determinado. Los revestimientos, a menudo con un lubricante integrado en la capa superior, están diseñados para proporcionar un coeficiente de fricción (µ) constante. Esta uniformidad es esencial para la producción en serie, ya que permite utilizar estrategias sencillas de apriete con control de par, al tiempo que se consigue un rango predecible y estrecho de carga de apriete en millones de uniones.

Tabla 1: Materiales de los tornillos de automoción

La física del comportamiento conjunto

Comprender a fondo cómo se comporta una unión atornillada bajo carga es esencial para diseñar estructuras de vehículos resistentes y duraderas. La interacción entre el tornillo y las piezas sujetas es una compleja interacción de rigidez, fuerzas externas y propiedades de los materiales. El análisis de este comportamiento permite a los ingenieros predecir el rendimiento, prevenir fallos y optimizar el diseño en cuanto a peso, coste y fiabilidad.

Rigidez de las juntas y distribución de la carga

Cuando se aprieta un tornillo, éste se estira y las piezas que sujeta se comprimen. Tanto el tornillo como las piezas sujetas actúan como muelles. El área de compresión de las piezas se extiende hacia fuera desde la cabeza del tornillo y la tuerca en lo que a menudo se visualiza como un "cono de presión". La rigidez relativa del tornillo (el muelle del tornillo) frente a la de las piezas sujetas (el muelle de la pieza) determina cómo se gestionan las cargas externas. En una junta bien diseñada, las piezas sujetas son mucho más rígidas que el perno. Cuando se aplica una carga de tracción externa para separar la junta, una gran parte de esa carga se destina a descomprimir las piezas rígidas, mientras que sólo una pequeña parte se percibe como una carga de tracción adicional en el perno. Esta es la clave de la resistencia a la fatiga: al mantener las piezas sujetas rígidas y la precarga alta, se minimiza la variación de tensión cíclica experimentada por el propio tornillo.

Cargas dinámicas y autoaflojamiento

Los vehículos están sometidos a constantes vibraciones y cargas dinámicas. Estas fuerzas pueden provocar uno de los modos de fallo más comunes: el autoaflojamiento de los pernos. El mecanismo principal es el deslizamiento lateral. Si una carga externa es lo suficientemente grande como para superar la fricción en la junta, puede provocar un pequeño deslizamiento lateral entre las superficies sujetas. Este deslizamiento, aunque sea microscópico, puede crear un pequeño par inverso en el tornillo, relajando gradualmente la precarga. A lo largo de miles de ciclos, este efecto de trinquete puede provocar una pérdida completa de la fuerza de apriete. Las estrategias de prevención se centran en evitar este deslizamiento inicial:

• Maximizar la precarga: La defensa más eficaz. Una mayor precarga significa una mayor fuerza de apriete y, por tanto, una mayor resistencia al deslizamiento por fricción.
• Bloqueo mecánico Características: Los pernos con bridas o tuercas dentadas están diseñados para clavarse en la superficie de contacto, proporcionando una resistencia mecánica al aflojamiento.
• Bloqueo químico: Los adhesivos de bloqueo de roscas anaeróbicos curan en ausencia de aire, rellenando los huecos entre las roscas e impidiendo el movimiento relativo.

Vida útil a la fatiga de las uniones atornilladas

El fallo por fatiga, en el que una pieza se rompe tras ser sometida a cargas cíclicas repetidas, es una preocupación primordial para los pernos estructurales. Un error común es creer que un tornillo más fuerte (por ejemplo, de clase 12.9 frente a 10.9) es siempre mejor para la fatiga. En realidad, la gran mayoría de los fallos por fatiga de los pernos se deben a una precarga insuficiente, no a una resistencia insuficiente del perno. Como explica el principio de rigidez de las juntas, una precarga elevada garantiza que el tornillo experimente sólo una pequeña fracción de la carga cíclica externa. Si la precarga es baja o se pierde, el tornillo experimenta una amplitud de tensión mucho mayor en cada ciclo, lo que reduce drásticamente su vida útil a la fatiga.

Por experiencia propia, una vez investigamos un fallo de campo recurrente que implicaba fracturas por fatiga de un perno de montaje del brazo de control inferior. El diseño especificaba un perno de clase 10.9, que era más que adecuado para las cargas calculadas. El análisis de los pernos fracturados reveló las clásicas marcas de playa indicativas de fatiga. La investigación determinó que la causa no era el tornillo en sí, sino el proceso de montaje. El par de apriete especificado se estaba aplicando con herramientas no calibradas en una línea en la que los coeficientes de fricción variaban debido a una lubricación irregular. La precarga resultante era, en muchos casos, inferior a 50% de lo previsto en el diseño. La junta sufría deslizamientos que sometían al perno a tensiones cíclicas elevadas que nunca debió soportar. Las medidas correctoras no sólo consistieron en aplicar una estrategia de apriete de par-ángulo más robusta, sino también en añadir un elemento superficial al subchasis para aumentar mecánicamente el coeficiente de fricción, proporcionando una defensa multicapa contra la pérdida de precarga.

Retos de las juntas multimaterial

El uso cada vez mayor de aluminio, magnesio y materiales compuestos en la construcción de BIW plantea importantes retos para las uniones atornilladas de acero tradicionales.

• Corrosión galvánica: Cuando dos metales diferentes, como un perno de acero y un panel de aluminio, entran en contacto en presencia de un electrolito (como la niebla salina de la carretera), forman una célula galvánica. El metal más activo (aluminio) se convierte en el ánodo y se corroe a un ritmo acelerado. Esto puede destruir la integridad estructural de la junta. La solución requiere una gestión cuidadosa del potencial electroquímico, a menudo mediante el uso de revestimientos altamente aislantes en el perno (por ejemplo, zinc-flake con una capa superior rica en aluminio) o mediante el uso de arandelas aislantes para separar físicamente los materiales.
• Diferentes dilataciones térmicas: El aluminio se dilata y contrae con los cambios de temperatura aproximadamente el doble que el acero. En una junta cercana al vano motor o al sistema de escape que experimenta grandes oscilaciones de temperatura, esta expansión diferencial puede ser problemática. Cuando la junta se calienta, las piezas de aluminio se dilatan más que el tornillo de acero, lo que aumenta aún más la precarga del tornillo y puede hacer que ceda. Al enfriarse, el aluminio se contrae más, lo que provoca una pérdida significativa de precarga y una junta floja. Esto debe tenerse en cuenta en el diseño de la unión, a menudo mediante el uso de pernos con longitudes de agarre más largas para proporcionar más elasticidad o mediante el diseño de piezas para gestionar las cargas térmicas.

Tecnologías avanzadas de empernado

A medida que aumentan las exigencias de rendimiento de los vehículos y evolucionan los procesos de fabricación, la tecnología de unión ha avanzado mucho más allá del simple apriete controlado por par. El montaje moderno de automóviles emplea métodos sofisticados para alcanzar niveles sin precedentes de precisión, consistencia y rendimiento en uniones críticas. Estas tecnologías se utilizan a menudo junto con el atornillado tradicional o como alternativa al mismo.

Apriete de par a rendimiento (TTY)

Para las uniones estructurales y de transmisión más críticas (por ejemplo, culatas, tapas de cojinetes principales, pivotes de suspensión), es esencial conseguir la fuerza de apriete máxima y más constante. Este es el ámbito del par de apriete hasta el límite elástico (TTY), también conocido como apriete controlado por ángulo. El principio consiste en apretar el tornillo más allá de su límite elástico y dentro de su región plástica.

El proceso suele constar de dos etapas: en primer lugar, se aplica un par de apriete "ajustado" para asentar las piezas de la articulación. A continuación, se aplica un ángulo preciso de rotación adicional. Esta segunda etapa estira el tornillo más allá de su límite elástico. Una vez que el tornillo cede, su resistencia al estiramiento disminuye, pero se mantiene muy estable. Esto significa que, incluso con variaciones en la fricción, girar el perno un ángulo específico dará como resultado una tensión final altamente predecible y uniforme, justo en la capacidad máxima del material. Este método proporciona la mayor precarga posible y una dispersión excepcionalmente baja de la carga de apriete de un tornillo a otro. La contrapartida es que, dado que el tornillo se ha deformado permanentemente, sus propiedades mecánicas se ven alteradas. No puede reutilizarse y debe sustituirse cada vez que se desmonte la junta. La reutilización de un tornillo TTY supone un importante riesgo para la seguridad, ya que no alcanzará la carga de apriete requerida en el siguiente apriete y es más propenso a la fractura.

Caso práctico: FDS frente al atornillado

Considere la fijación de un soporte electrónico no estructural a una torre de amortiguador de aluminio estampado en un vehículo moderno de aluminio intensivo. Un enfoque tradicional requeriría un orificio pretaladrado, un perno y una tuerca o un orificio roscado en la parte trasera. Esto requiere acceso desde ambos lados, lo que puede ser difícil o imposible en una sección de carrocería cerrada.

Una alternativa es el tornillo Flow Drill Screwing (FDS). Un tornillo FDS es un sujetador especializado con una punta endurecida no cortante. Se hace girar a gran velocidad y se presiona contra la chapa de aluminio. La fricción genera un intenso calor localizado, plastificando el aluminio. A continuación, el tornillo empuja, extruyendo el material reblandecido hacia abajo para formar un collarín en forma de casquillo. Las roscas del tornillo encajan en este collar recién formado, creando una unión segura.

Comparación de los dos métodos para esta aplicación:

• Acceso y duración del ciclo: El sistema FDS sólo requiere acceso por un lado y es extremadamente rápido, ya que combina los pasos de taladrado y fijación en una sola operación. Esto supone una gran ventaja en montajes de gran volumen.
• Virutas y limpieza: El taladrado tradicional genera virutas que pueden causar problemas de contaminación. FDS es un proceso sin virutas, ya que el material se reforma, no se elimina.
• Fuerza articular: El collar extruido en una unión FDS aumenta significativamente la longitud de enganche de la rosca en comparación con una simple chapa roscada, lo que se traduce en una resistencia a la extracción muy elevada. Para un soporte no estructural, esto es más que suficiente.

En este escenario, aunque un tornillo tradicional podría funcionar, el FDS ofrece una solución de fabricación más eficaz, limpia y, a menudo, más rentable para fijar piezas a chapas de aleación ligera.

Cuadro 2: Tecnologías modernas de unión

Montaje y control de calidad

La unión atornillada más cuidadosamente diseñada puede fallar si no se monta y verifica correctamente. La transición del plano de ingeniería a una unión fiable en una cadena de montaje en movimiento es un proceso crítico controlado por estrategias de apriete y un riguroso control de calidad. Garantizar la integridad de la unión a largo plazo depende tanto de la planta de montaje como de la oficina de diseño.

Estrategias de apriete y utillaje

El método utilizado para apretar un tornillo en la cadena de montaje se elige en función de la importancia de la unión, el coste y la precisión necesaria de la precarga final.

• Control de par: Es la estrategia más sencilla. Una herramienta aprieta el tornillo hasta alcanzar un valor de par preestablecido. Aunque es rápida y barata, su precisión depende en gran medida del coeficiente de fricción. Como ya se ha comentado, las variaciones en los revestimientos, la lubricación o el acabado superficial pueden provocar grandes variaciones en la carga final del apriete, incluso si el par de apriete está perfectamente controlado. Es adecuado para aplicaciones no críticas.
• Control del ángulo de par: Se trata del estándar de oro moderno para juntas críticas. En primer lugar, la herramienta aprieta con un par de apriete bajo para que las superficies de la junta entren en contacto. A partir de este punto, mide el ángulo de rotación. Una junta que se comporte correctamente mostrará una relación predecible entre el par aplicado y el ángulo girado. La herramienta controla esta relación con respecto a una ventana definida. Si el perno gira el ángulo correcto dentro del intervalo de par esperado, se aprueba la unión. Este método verifica indirectamente que el perno se ha estirado según lo previsto y no se ha enroscado en cruz ni se está atascando, lo que proporciona un grado de confianza mucho mayor en la precarga final.

Tabla 3: Análisis de fallos de uniones atornilladas

Un enfoque estructurado del diagnóstico de fallos en las juntas es crucial para la mejora continua del diseño y el montaje. Comprender los signos reveladores de los modos de fallo habituales permite realizar un análisis eficaz de la causa raíz y aplicar medidas preventivas sólidas.

El héroe anónimo

La unión atornillada es el héroe olvidado de la ingeniería automovilística. Su aplicación con éxito es una disciplina compleja, un delicado equilibrio entre la ciencia de los materiales, la física y la precisión de fabricación. Como hemos explorado, garantizar la integridad de una unión requiere un profundo conocimiento de la precarga, la fricción, las propiedades de los materiales y las cargas dinámicas. La especificación y el montaje correctos de estos elementos de fijación son absolutamente fundamentales para la seguridad del vehículo, la durabilidad a largo plazo y el perfeccionamiento de sus características NVH (ruido, vibración y dureza). A medida que los diseños de los vehículos sigan evolucionando con una mayor mezcla de materiales ligeros y compuestos avanzados, la ciencia de unirlos de forma eficaz será cada vez más vital, consolidando el papel del tornillo no como una simple pieza de ferretería, sino como una tecnología facilitadora clave en el diseño automovilístico moderno.

• https://www.sae.org/ SAE International - Organización de normas de automoción
• https://www.iso.org/ ISO - Organización Internacional de Normalización
• https://www.assemblymag.com/ Revista Assembly - Tecnología de fabricación y fijación
• https://en.wikipedia.org/wiki/Body_in_white Wikipedia - Cuerpo en Blanco (BIW)
• https://www.instron.com/ Instron - Ensayo de materiales y análisis de elementos de fijación
• https://www.sciencedirect.com/ ScienceDirect - Investigación en ingeniería del automóvil
• https://www.astm.org/ ASTM International - Normas de ensayo para elementos de fijación
• https://www.portlandbolt.com/ Portland Bolt - Par de apriete de los tornillos y recursos de ingeniería
• https://www.autozone.com/ AutoZone - Especificaciones de par de torsión en automoción
• https://www.researchgate.net/ ResearchGate - Documentos de investigación sobre fijaciones para automoción