BOLTED

Foro sobre la optimización
del aseguramiento de uniones atornilladas

Los ganadores de un concurso de SpaceX optan por arandelas de bloqueo en cuña

Publicado por primera vez en Bolted #1 2018.

EN 2015, ELON MUSK, el multimillonario detrás de las futuristas empresas de tecnología de transporte Tesla y SpaceX, lanzó la Hyperloop Pod Competition, que desafía a los estudiantes universitarios a diseñar los mejores módulos de transporte para el Hyperloop, el sueño de este emprendedor, que permitirá a la gente desplazarse dentro de una cápsula levitante a velocidades casi supersónicas a través de una gigantesca red de túneles entre las principales ciudades del mundo.

En el certamen de 2017 fue el equipo WARR Hyperloop de la Universidad Técnica de Múnich el que finalmente se alzó con el trofeo de titanio sinterizado por láser. Durante la competición batieron un registro mundial de velocidad en cápsula de Hyperloop con ayuda de arandelas de bloqueo en cuña Nord-Lock destinadas a asegurar cada uno de los pernos de su bólido.

LOS 30 INTEGRANTES del equipo WARR Hyperloop se dividieron en varios subgrupos para la gestión de distintas áreas, desde el diseño CAD y la estructura a las tareas de aprovisionamiento, financiación y marketing. Florian Janke, responsable del subgrupo de diseño CAD y estructura, afirma que se inspiraron en la visión de Musk sobre un futurista sistema de transporte ultrarrápido y, en particular, en la idea de que un día la gente podría desplazarse entre Múnich y Berlín en solo media hora.

“Cuando Musk lanzó sus concursos de SpaceX, me dije que tenía que formar parte de ello. Nos fue yendo bien en todas las etapas de la competición sobre cápsulas de Hyperloop. En la última de ellas, centrada en la velocidad máxima, alcanzamos 324 km/h”, señala Janke.

El módulo ligero del equipo WARR Hyperloop pulverizó la marca anterior de 310 km/h lograda por el equipo californiano Hyperloop One, cuya cápsula obtuvo esta velocidad en un tubo de 500 metros de longitud. “Obviamente es mucha la aceleración y la vibración cuando realizas ensayos a una velocidad tan alta en un tubo relativamente corto, de 1,2 km”, explica Janke. “Era esencial poder contar con pernos seguros, por lo que recurrimos a arandelas de bloqueo en cuña Nord-Lock, que sujetan los pernos firmemente. Y funcionaron a la perfección”.

El equipo WARR se ha inscrito en el siguiente concurso Hyperloop, lo que será su tercera edición, y ya ha superado la primera ronda de selección. Si bien algunos de sus miembros se dedican al nuevo equipo, es decir, el de 2018 (aunque con nuevas funciones y responsabilidades), la mayoría prosigue con sus estudios académicos. Unos pocos de ellos visitan distintas ferias de muestras para mostrar la cápsula ganadora del certamen de 2017.

EL EQUIPO COLABORÓ muy estrechamente con un buen número de fabricantes para obtener respaldo financiero y distintos componentes. Posteriormente, algunos de los componentes del mismo han acudido a entrevistas de trabajo con dichas compañías y barajan la posibilidad de incorporarse a estas.

¡Ya está disponible la nueva Edición de la Revista Bolted!

¡La edición de Marzo de 2018 de la revista Bolted ya está disponible! Como en todas las ediciones, hemos llenado la revista con casos interesantes y puntos de vista del mundo de los tornillos.

En esta edición de Bolted, analizamos de cerca lo que entra en el proceso de fabricación de pernos tradicionales, desde acero bruto hasta aplicaciones hechas a la medida.

Le preguntamos al experto Filemon Schöffer sobre los potenciales de la impresión en 3D, y conocemos a la empresa alemana “MMG”, que es líder mundial en la producción de propelas para grandes portacontenedores.

Y por supuesto mucho más.

La revista Bolted está disponible en 9 idiomas – Léalos ahora:
Inglés
Alemán
Francés
Sueco
Finlandés
Japonés
Chino
Coreano
Español

¿Desea recibir su copia complementaria de la revista Bolted? ¡Suscríbete aquí ahora!

 

Los mejores consejos de los expertos en empernado

Bolted tuvo la oportunidad única de reunirse con el doctor Tomotsugu Sakai, el más destacado experto japonés en el ámbito del empernado. Su libro Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications (“Ingeniería de uniones empernadas: principios y aplicaciones”) sigue cosechando una estupenda acogida como la obra definitiva en lo concerniente a las fijaciones de pernos.

First published in Bolted #1 2017.

¿Cómo definiría la sujeción ideal, un tema que también aborda en su libro?
“Lo ideal sería que la sujeción se basara en cierres estándar y fácilmente accesibles, no en piezas de diseño específico. Aún más importante: la fijación ideal debe garantizar un diseño de empernado que no origine ningún tipo de fallo. Toda la concepción del producto queda invalidada con solo producirse un fallo. Debes prestar atención a cada uno de los aspectos. Para mí, lo principal es la ‘evaluación sin omisión alguna’”.

¿Ofrece el uso de lubricantes una ventaja en la fijación por pernos?
“Sí, si los objetos unidos no se deslizan el uno contra el otro, la reducción del coeficiente de fricción es beneficiosa en todos los aspectos. Si los elementos fijados se insertan en un ‘entorno de aflojamiento’ es más probable que se suelten con un coeficiente de fricción bajo, pero ello no desemboca necesariamente en aflojamiento”.

“Se hallarán en un ‘entorno de aflojamiento’ si se someten reiteradamente a un deslizamiento mutuo con una fuerza que rebase un umbral determinado”.

¿Cómo causan las fuerzas externas deslizamiento en función de la dirección de cizallamiento, la dirección axial y la torsión?
“Si se aplica una fuerza externa en la dirección de cizallamiento originará un deslizamiento. Si, por el contrario, se ejerce en la dirección axial, los objetos fijados se distanciarán el uno del otro, es decir, se obtendrá una separación. Bajo estas condiciones, cuanto menor sea el coeficiente de fricción, más probable es que se produzca un aflojamiento”.

“Al escribir Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications apliqué una visión convencional del fenómeno del deslizamiento, explicando el escurrimiento de los objetos fijados sobre la superficie de contacto, lo que se conoce como ‘macrodeslizamiento’. Esto puede observarse a simple vista, ya que dicho tipo de deslizamiento solo necesita ser de 0,1 mm para su confirmación visual. En torno a 1988 se descubrió que ocurre un ‘microdeslizamiento’ invisible con anterioridad al ‘macrodeslizamiento’, y que genera rotación, pero esta es tan ínfima que, se produzca o no en la dirección de aflojamiento, no puede confirmarse ocularmente. Dicho fenómeno de ‘microdeslizamiento’ disminuye gradualmente la fuerza axial. Fue presentado en un artículo en el Journal of the Japan Society for Precision Engineering”.

”Si los elementos unidos están en contacto mutuo, los experimentos convencionales no son capaces de calibrar el índice de deslizamiento de una sección determinada de la superficie de contacto ni de otras secciones, pero todos estos valores pueden calcularse recurriendo al método de los elementos finitos (MEF), el cual viene utilizándose dentro de la industria de los cierres desde aproximadamente el inicio del milenio. A día de hoy lo aplican la mayor parte de las investigaciones sobre cierres roscados. Un artículo de 2006 de, entre otros, el doctor Satoshi Izumi, anunció que se había detectado un aflojamiento rotacional gradual en el microdeslizamiento (diminuto e invisible) más que en el macrodeslizamiento (evidente y apreciable a simple vista). Me quedé estupefacto cuando leí por primera vez el artículo, donde se afirmaba que si el microdeslizamiento es reiterado provoca un aflojamiento rotacional de un ínfimo grado por cada mil ocasiones, es decir, de una milésima de grado en cada instancia. Una rotación de una milésima de grado no es en absoluto apreciable por el ojo humano. El método de los elementos finitos permite estudiarla perfectamente, quedando demostrado que el microdeslizamiento produce un aflojamiento rotacional. ¡Comprendí que tenía un problema! [Risas] Estos resultados sacudieron drásticamente el concepto de cantidad crítica de deslizamiento”.

“Había creído que el microdeslizamiento propiciaba naturalmente un desgaste abrasivo, pero no pensé que pudiera causar un aflojamiento rotacional. En aquella época no tenía forma de comprobarlo. Fue una experiencia que me abrió los ojos”.

FICHA: Microdeslizamiento
Un deslizamiento no apreciable a simple vista que reduce gradualmente la fuerza de agarre y puede terminar provocando un aflojamiento rotacional visible (macrodeslizamiento). Los asentamientos y relajación del material también pueden disminuir la fuerza de agarre. El Grupo Nord-Lock ha desarrollado las arandelas de serie X, que gestionan ambas formas de deslizamientos neutralizando todo tipo de pérdida de fuerza de sujeción con un efecto de resorte, al tiempo que su efecto cuña impide que el perno se suelte espontáneamente.

FICHA: Doctor Tomotsugu Sakai

  • 1941 – Nace en la ciudad japonesa de Okazaki.
  • 1979 – Tras trabajar para la Toyota Motor Corporation obtiene su título de doctor en Ingeniería dedicándose fundamentalmente al control, investigación y desarrollo de la resistencia y durabilidad de distintos componentes de automóviles.
  • 2001 – Pasa a la Toyota Techno Service Corp, centrando su labor en la formación y asesoría técnica sobre sistemas de fijación roscados.
  • 2007 – Se retira para crear la Sakai Consulting Office on Bolted Joint Engineering, donde ofrece formación y asesoría técnica en el ámbito de la fijación de pernos, labor que desempeña hasta el día de hoy.

Arandelas para una triple protección de los transportes nucleares

23 febrero 2018
comment

Texto: Ulrich Schamari

foto: ILLUSTRATIONS: Daher Nuclear Technologies

First published in Bolted #2 2017.

EL RETO

Daher Nuclear Technologies GmbH, con sede en la localidad alemana de Hanau, cerca de Fráncfort, desarrolla contenedores para el transporte de material radiactivo. Por motivos obvios, los contenedores tienen que ser extremadamente seguros.

En el diseño de un nuevo contenedor destinado al transporte de hexafluoruro de uranio, la empresa hubo de tener en cuenta la estricta normativa internacional y nacional en este ámbito, incluyendo las recomendaciones del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) sobre transporte por carretera, ferrocarril y marítimo. Por ejemplo, un contenedor que cumple estos requisitos debe debe contar con resistencia mecánica y térmica en caso de accidente.

Estas cargas mecánicas en caso de siniestro se definen mediante una secuencia de pruebas, entre las que se incluye una caída de 120 centímetros, seguida de otra de 9 metros y de una tercera de 1 metro, encima de una estaca. El contenedor debe permanecer hermético, de modo que la siguiente prueba térmica (un incendio) no amenace la seguridad del mismo.

LA SOLUCIÓN

Daher se propuso diseñar los cierres del contenedor de modo que los pernos de bloqueo no pudieran soltarse o perderse bajo ninguna circunstancia durante la carga del contenedor en un camión o en el transporte. La intensa búsqueda de la compañía en pos de una solución óptima la llevó hasta las arandelas de bloqueo en cuña de tipo NL16-254SMO de Nord-Lock. Dichas arandelas de seguridad son un componente importante del sistema de bloqueo de triple protección de Daher: el cierre se asegura con un perno, que se inmoviliza a su vez con otro perno. Las arandelas de bloqueo en cuña de Nord-Lock se ubican bajo el segundo de estos pernos. Cada contenedor incorpora seis cierres, cada uno de ellos a su vez dotado de un par de arandelas Nord-Lock.

EL RESULTADO

Gracias a haber recurrido a la tecnología de bloqueo en cuña de Nord-Lock, los sistemas de cierre del contenedor de transporte Daher para la industria nuclear ya no pueden deteriorarse por causa de vibraciones o tensiones, manteniéndose bloqueados con firmeza y seguridad. A Daher le agradó igualmente comprobar la rentabilidad asociada al uso del producto de Nord-Lock, así como su facilidad de mantenimiento. De requerirse, las arandelas de bloqueo en cuña pueden sustituirse en cualquier momento para garantizar el perfecto estado de los contenedores de transporte. Estos ofrecen una vida útil superior a los 30 años, hecho al que contribuyen las arandelas Nord-Lock.

The Experts: Improving fatigue resistance

First published in Bolted #2 2015.

A: The fatigue capacity of a bolted joint is very small, as compared to its static capacity. To improve fatigue resistance, designers can increase the thread capacity and decrease the alternating stresses at the threads.

To increase the thread capacity, it is recommended to use a rolled thread instead of a cutting process. To increase the bolted joint capacity, utilize multiple smaller fasteners instead of a single larger fastener.

The capacity is also increased by using an improved connector, such as a Superbolt MJT (Multi-Jackbolt Fastener) or Flexnut, which improves the load distribution in the threads and adds elasticity to the bolted joint.

The best way to improve fatigue resistance is to reduce the alternating stresses at the threads. There are three main ways of doing this: Assembly design, assembly tightening, and assembly security.

The assembly design process provides an opportunity for improvement of the load distribution on bolted joints and to reduce the level of external stresses supported by each joint. To facilitate that, keep these principals in mind:

1. Use the highest possible preload
2. Minimize the bolt to load eccentricity
3. Use the largest possible contact surfaces
4. Use the largest possible clamping lengths
5. In most cases, use a preload higher than the working load

Other assembly design options include the use of necked-down studs or bolts, and the use of elastic washers, which counter the effects of relaxation, creeping, and thermal differential elongation.

With regard to assembly tightening, achieving the necessary preload is the main factor in reducing alternating stresses. It is recommended to use calibrated tools with high accuracy. It is also recommended to use a proper lubricant to achieve preload accuracy, and to reduce the risk of seizing. A suitable tightening sequence should be used to mitigate the risk of un-evenly loaded bolts and to ensure overall bolted joint integrity.

Regarding assembly security, it is recommended to secure the bolted joint against loss of preload. Further, secure the assembly against environmental effects, such as corrosion that could initiate a fatigue crack. This may be done through the selection of suitable materials and/or coatings for parts and fasteners.

 

ASK THE EXPERTS
Do you have a question about bolt securing?
Put the Nord-Lock experts to the test.
Email your questions about bolt securing to
experts@nord-lock.com

How do you choose the right size of Nord-Lock washer?

 

In this video we explain how you choose the right size of washer for your bolted joints.

► Read more: Introduction to Nord-Lock washers

► Video: Junker vibration test with Nord-Lock wedge-locking washers

How does the Nord-Lock washer work?

 

Nord-Lock washers secure bolted joints with tension instead of friction. Watch this video and let us explain how it works!

► Read more: Introduction to Nord-Lock washers

► Video: Junker vibration test with Nord-Lock wedge-locking washers


The history of the bolt

20 diciembre 2017
comment

Texto: Alannah Eames

foto: Illustration: Kent Zeiron

At first glance, a bolt may seem like a very simple item that holds things together. But dig a bit deeper and you’ll realise there’s more behind seemingly insignificant bolt and screws than first meets the eye. Without them, all our gadgets and machines would fall to pieces.

History of the bolt drawings

First published in Bolted #2 2012.

Bolts are one of the most common elements used in construction and machine design. They hold every­thing together – from screws in electric toothbrushes and door hinges to massive bolts that secure concrete pillars in buildings. Yet, have you ever stopped to wonder where they actually came from?

While the history of threads can be traced back to 400 BC, the most significant developments in the modern day bolt and screw processes were made during the last 150 years. Experts differ as to the origins of the humble nut and bolt. In his article “Nuts and Bolts”, Frederick E. Graves argues that a threaded bolt and a matching nut serving as a fastener only dates back to the 15th century. He bases this conclusion on the first printed record of screws appearing in a book in the early 15th century.

However, Graves also acknowledges that even though the threaded bolt dates back to the 15th century, the unthreaded bolt goes back to Roman times when it was used for “barring doors, as pivots for opening and closing doors and as wedge bolts: a bar or a rod with a slot in which a wedge was inserted so that the bolt could not be moved.” He also implies that the Romans developed the first screw, which was made out of bronze, or even silver. The threads were filed by hand or consisted of a wire wound around a rod and soldered on.

According to bolt expert Bill Eccles’ research, the history of the screw thread goes back much further. Archimedes (287 BC–212 BC) developed the screw principle and used it to construct devices to raise water. However, there are signs that the water screw may have originated in Egypt before the time of Archimedes. It was constructed from wood and was used to irrigate
land and remove bilge water from ships. “But many consider that the screw thread was invented around 400 BC by [Greek philosopher] Archytas of Tarentum, who has often been called the founder of mechanics and considered a contemporary of Plato,” Eccles writes on his website.

The history can be broken down into two parts: the threads themselves that date back to around 400 BC when they were used for items such as a spiral for lifting water, presses for grapes to make wine, and the fasteners themselves, which have been in use for around 400 years.

Moving forward to the 15th century, Johann Gutenberg used screws in the fastenings on his printing presses. The tendency to use screws gained momentum with their use being extended to items such as clocks and armour. According to Graves, Leonardo da Vinci’s notebooks from the late 15th and early 16th centuries include several designs for screw-cutting machines.

What the majority of researchers on this topic do agree on, though, is that it was the Industrial Revolution that sped up the development of the nut and bolt and put them firmly on the map as an important component in the engineering and construction world.

The “History of the Nut and Bolt Industry in America” by W.R. Wilbur in 1905 acknowledges that the first machine for making bolts and screws was made by Besson in France in 1568, who later introduced a screw-cutting gauge or plate to be used on lathes. In 1641, the English firm, Hindley of York, improved this device and it became widely used.

Across the Atlantic in the USA, some of the documented history of the bolt may be found in the Carriage Museum of America. Nuts on vehicles built in the early 1800s were flatter and squarer than later vehicles, which had chamfered corners on the nuts and the flush was trimmed off the bolts. Making bolts at this time was a cumbersome and painstaking process.

Initially, screw threads for fasteners were made by hand but soon, due to a significant increase in demand, it was necessary to speed up the production process. In Britain in 1760, J and W Wyatt introduced a factory process for the mass production of screw threads. However, this milestone led to another challenge: each company manufactured its own threads, nuts and bolts so there was a huge range of different sized screw threads on the market, causing problems for machinery manufacturers.

It wasn’t until 1841 that Joseph Whitworth managed to find a solution. After years of research collecting sample screws from many British workshops, he suggested standardising the size of the screw threads in Britain so that, for example, someone could make a bolt in England and someone in Glasgow could make the nut and they would both fit together. His proposal was that the angle of the thread flanks was standardised at 55 degrees, and the number of threads per inch, should be defined for various diameters.
While this issue was being addressed in Britain, the Americans were trying to do likewise and initially started using the Whitworth thread.

In 1864, William Sellers proposed a 60 degree thread form and various thread pitches for different diameters. This developed into the American Standard Coarse Series and the Fine Series. One advantage the Americans had over the British was that their thread form had flat roots and crests. This made it easier to manufacture than the Whitworth standard, which had rounded roots and crests. It was found, however, that the Whitworth thread performed better in dynamic applications and the rounded root of the Whitworth thread improved fatigue performance.

During World War I, the lack of consistency between screw threads in different countries became a huge obstacle to the war effort; during World War II it became an even bigger problem for the Allied forces. In 1948, Britain, the USA and Canada agreed on the Unified thread as the standard for all countries that used imperial measurements. It uses a similar profile as the DIN metric thread previously developed in Germany in 1919. This was a combination of the best of the Whitworth thread form (the rounded root to improve fatigue performance) and the Sellers thread (60 degree flank angle and flat crests). However, the larger root radius of the Unified thread proved to be advantageous over the DIN metric profile. This led to the ISO metric thread which is used in all industrialised countries today.

Those working in the industry have witnessed much fine-tuning of bolts during recent decades. “When I started in the industry 35 years ago the strength of the bolts was not as fully defined as it is today,” recalls Eccles. “With the introduction of the modern metric property classes and the recent updates to the relevant ISO standards, the description of a bolt’s strength and the test methods used to establish their properties is now far better defined.”

As the raw materials industry has become more sophisticated, the DNA of bolts has changed from steel to other more exotic materials to meet changing industry needs.

Over the last 20 years there have been developments in nickel-based alloys that can work in high temperature environments such as turbochargers and engines in which steel doesn’t perform as well. Recent research focuses on light metal bolts such as aluminum, magnesium and titanium.

Today’s bolt technology has come a long way since the days when bolts and screws were made by hand and customers could only choose between basic steel nuts and bolts. These days, companies like Nord-Lock have invented significant improvements in bolting technology, including wedge-locking systems. Customers can select pre-assembled zinc flake coated or stainless steel washers, wheel nuts designed for flat-faced steel rims, or combi bolts, which are customised for different applications. The acquisition of US company Superbolt Inc. and Swiss company P&S Vorspannsysteme AG (today Nord-Lock AG) has added bolting products used in heavy industry, such as offshore, energy, and mining, to Nord-Lock’s portfolio, taking a huge step in becoming a world leader in bolt securing.

There is also much more emphasis now on analysing joints. “In the past, people used to decide upon a certain size of fastener based on their experience alone. And, fingers crossed, it would work,” Eccles explains. “Nowadays, people focus more on analysis and making sure things work before products are built and sent out into the market.”

 

Video: Comparison of common bolt locking methods

Video: Tightening large bolts with only hand tools