Llave dinamométrica

Una llave dinamométrica es una herramienta que se utiliza para aplicar un par de torsión específico a un elemento de fijación, como una tuerca , un perno o un tirafondo . Suele tener la forma de una llave de tubo con una escala indicadora o un mecanismo interno que indica (por ejemplo, mediante un "clic", un movimiento específico del mango de la herramienta en relación con el cabezal de la herramienta) cuando se ha alcanzado un valor de torsión especificado (ajustable) durante la aplicación.

Se utiliza una llave dinamométrica cuando el apriete de tornillos y pernos es un parámetro crucial del montaje o ajuste. Permite al operador establecer el par aplicado al elemento de fijación para cumplir con las especificaciones de una aplicación en particular. Esto permite aplicar la tensión y la carga adecuadas a todas las piezas.

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

La primera patente para una llave dinamométrica fue presentada por John H. Sharp de Chicago en 1931. Esta llave se conocía como llave de medición de torsión y hoy se clasificaría como una llave dinamométrica indicadora. ^[1]

En 1935, Conrad Bahr y George Pfefferle patentaron una llave dinamométrica de trinquete ajustable. La herramienta ofrecía una respuesta audible y una restricción del movimiento de trinquete hacia atrás cuando se alcanzaba el par deseado. ^[2] Bahr, que trabajaba para el Departamento de Agua de la Ciudad de Nueva York, estaba frustrado por la falta de uniformidad en el apriete de los pernos de brida que encontró mientras atendía su trabajo. Afirmó haber inventado la primera herramienta limitadora de par en 1918 para aliviar estos problemas. ^{[3] [ se necesita una mejor fuente ]} El socio de Bahr, Pfefferle, era ingeniero de SR Dresser Manufacturing Co y tenía varias patentes.

La forma más básica de llave dinamométrica consta de dos vigas. La primera es una palanca que se utiliza para aplicar el par al sujetador que se está apretando y que también sirve como mango de la herramienta. Cuando se aplica fuerza al mango, se desviará de manera predecible y proporcional a dicha fuerza de acuerdo con la ley de Hooke . La segunda viga solo está unida por un extremo a la cabeza de la llave y libre por el otro, y sirve como viga indicadora. Ambas vigas corren paralelas entre sí cuando la herramienta está en reposo, con la viga indicadora generalmente en la parte superior. El extremo libre de la viga indicadora es libre de viajar sobre una escala calibrada unida a la palanca o al mango, marcada en unidades de torsión. Cuando se utiliza la llave para aplicar torsión, la palanca se dobla y la viga indicadora permanece recta. Por lo tanto, el extremo de la viga indicadora señala la magnitud del par que se está aplicando en ese momento. ^[4] Este tipo de llave es simple, inherentemente precisa y económica.

La llave dinamométrica de tipo viga fue desarrollada entre finales de la década de 1920 y principios de la de 1930 por Walter Percy Chrysler para Chrysler Corporation y una empresa conocida como Micromatic Hone. Paul Allen Sturtevant, representante de ventas de Cedar Rapids Engineering Company en ese momento, recibió la licencia de Chrysler para fabricar su invento. Sturtevant patentó la llave dinamométrica en 1938 y se convirtió en la primera persona 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 eléctrica cuando se alcanza un torque preestablecido. ^{[5] [6]}

La llave dinamométrica de viga deflectora de señal dual fue patentada por la empresa australiana Warren and Brown en 1948. ^[7] Emplea el principio de aplicar torsión a una viga deflectora en lugar de a un resorte helicoidal. Se afirma que esto ayuda a prolongar la precisión de la llave durante 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 (y sentir) un indicador físico cuando se alcanza el par deseado. ^[8]

La llave funciona de la misma manera general que una llave dinamométrica de viga común. Hay dos vigas conectadas al extremo del cabezal, pero solo una a través de la cual se aplica el par. La viga que soporta la carga es recta y va desde el cabezal hasta el mango; se desvía cuando se aplica el par. La otra viga (viga indicadora) corre directamente sobre la viga deflectora durante aproximadamente la mitad de la longitud y luego se dobla hacia un lado en un ángulo con respecto a la viga deflectora. La viga indicadora conserva su orientación y forma durante el funcionamiento. Debido a esto, hay un desplazamiento relativo entre las dos vigas. La llave dinamométrica de viga deflectora se diferencia de la llave dinamométrica de viga común en cómo utiliza este desplazamiento relativo. Unida a la viga deflectora hay una escala y sobre ella se ajusta una cuña que se puede deslizar a lo largo de la escala paralela a la viga flexible. Esta cuña se usa para establecer el par deseado. Directamente frente a esta cuña se encuentra el lado de la viga indicadora en ángulo. De este lado sobresale un pasador que actúa como disparador de otro pasador, este último con resorte, y se dispara desde el extremo del haz indicador una vez que el pasador disparador entra en contacto con la cuña ajustable. Este disparo produce un clic fuerte y da una indicación visual y táctil de que se ha alcanzado el par deseado. El pasador indicador se puede restablecer simplemente presionándolo nuevamente dentro del haz indicador. ^{[8] [9]}

Una llave dinamométrica de tipo deslizante consta de un mecanismo de rodillo y leva (o similar). La leva está unida al cabezal de accionamiento, el rodillo empuja contra la leva fijándola en su lugar con una fuerza específica que proporciona un resorte (que en muchos casos es ajustable). Si se aplica un par de torsión que puede vencer la fuerza de sujeción del rodillo y el resorte, la llave se deslizará y no se aplicará más par de torsión al perno. Una llave dinamométrica de tipo deslizante no apretará demasiado el sujetador al continuar aplicando un par de torsión más allá de un límite predeterminado. ^[10]

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 par. El retén de 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" al salir de su alojamiento. Este diseño produce una mayor precisión, además de brindar una respuesta táctil y audible. La llave no comenzará a deslizarse una vez que se alcance el par deseado, solo hará clic y se doblará ligeramente en la cabeza; el operador puede continuar aplicando par a la llave sin ninguna acción adicional o advertencias de la llave. ^{[11] [12]}

Existen varias variaciones de este diseño para distintas aplicaciones y distintos rangos de torsión. En algunos taladros se utiliza una modificación de este diseño para evitar rayar las cabezas de los tornillos al apretarlos. El taladro comenzará a resbalar una vez que se alcance la torsión deseada.

Se trata de llaves dinamométricas especializadas que utilizan los fontaneros para apretar las bandas de sujeción de los acoplamientos de tuberías de desagüe sin buje. Suelen ser llaves con mango en T con una combinación de trinquete y embrague unidireccional . Están preajustadas a un par fijo diseñado para asegurar el acoplamiento adecuadamente, pero insuficiente para dañarlo. ^[13]

En las llaves dinamométricas electrónicas (indicadoras), la medición se realiza mediante un extensómetro conectado a la barra de torsión. La señal generada por el transductor se convierte a la unidad de par requerida (p. ej., 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 de forma permanente durante el proceso de apriete mediante LED o la pantalla. Al mismo tiempo, esta generación de llaves dinamométricas puede almacenar todas las mediciones realizadas en una memoria de lecturas interna. Esta memoria de lecturas se puede transferir fácilmente a un PC a través de la interfaz (RS232) o imprimir. Una aplicación popular de este tipo de llave dinamométrica es la documentación en proceso o con fines de control de calidad. El nivel de precisión típico sería de ±0,5 % a 4 %.

Las llaves dinamométricas con cabezal intercambiable están diseñadas para conectar varios tipos diferentes de cabezales de llave, lo que reduce la cantidad de llaves dinamométricas necesarias. Estas llaves son ideales para aplicaciones que requieren múltiples herramientas de sujeción. Por lo general, tienen una interfaz de montaje estándar que permite un cambio rápido de un cabezal de llave a otro, al tiempo que garantiza que el par aplicado se mantenga preciso. Los tamaños de interfaz comunes incluyen 9 × 12 mm y 12 × 14 mm, y los cabezales intercambiables incluyen cabezales de extremo abierto, de extremo de anillo, ajustables, de trinquete, etc.

La medición del par de apriete se realiza de la misma forma que con una llave dinamométrica electrónica, pero también se mide el ángulo de apriete desde el punto de apriete o el umbral. El ángulo se mide mediante un sensor de ángulos o un giroscopio electrónico. El proceso de medición del ángulo permite reconocer las uniones que ya se han apretado. La memoria de lecturas incorporada permite evaluar estadísticamente las mediciones. Las curvas de apriete se pueden analizar mediante el software a través del sistema de curvas de apriete integrado (gráfico de fuerza/recorrido). Este tipo de llave dinamométrica también se puede utilizar para determinar el par de arranque, el par de predominio y el par final de un trabajo de apriete. Gracias a un proceso de medición especial, también es posible visualizar el punto de fluencia (apriete controlado por fluencia). Este diseño de llave dinamométrica es muy popular entre los fabricantes de automóviles para documentar 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 de ajuste 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 necesitaba brazo de referencia.

La medición del par se realiza de la misma manera que con una llave dinamométrica de 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 mediciones electrónicas y mecánicas. Todas las mediciones se transfieren y documentan mediante transmisión de datos inalámbrica. Los usuarios sabrán que han alcanzado el par deseado cuando la llave emita un "pitido".

La Organización Internacional de Normalización mantiene la norma ISO 6789. Esta norma cubre la construcción y calibración de herramientas de torsión operadas manualmente. Define dos tipos de herramientas de torsión que abarcan doce clases, que se detallan en la siguiente tabla. También se indica el porcentaje de desviación permisible respecto del par deseado. ^[14]

La norma ISO también establece que, incluso cuando se sobrecarga en un 25 % de la capacidad máxima, la herramienta debe seguir siendo fiable después de ser recalibrada. La recalibración de las herramientas utilizadas dentro de sus límites especificados debe realizarse después de 5000 ciclos de torsión o 12 meses, lo que ocurra primero. En los casos en que la herramienta se utiliza en una organización que tiene sus propios procedimientos de control de calidad, el programa de calibración se puede organizar de acuerdo con los estándares de la empresa. ^[14]

Las herramientas deben estar marcadas con su rango de par y la unidad de par, 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 que corresponda con el certificado de calibración de la herramienta. ^[14]

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 del tipo 3, herramienta de torsión (limitadora). Este tipo liberará el accionamiento una vez que se alcance el par deseado, de modo que no se pueda aplicar más par. Esta norma, sin embargo, utiliza diferentes designaciones de clase dentro de cada tipo, así como variantes de estilo y diseño adicionales dentro de cada clase. La norma 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 especificados por la norma para herramientas de torsión manuales. ^{[15] [16]}

Las herramientas deben estar marcadas con el número de modelo de la herramienta, la unidad de torsión y la marca del fabricante. En el caso de las herramientas unidireccionales, también se debe marcar la palabra "TORQUES" o "TORQUE" y la dirección de operación. ^[15]

Las llaves dinamométricas de clic son precisas cuando están calibradas correctamente; sin embargo, el mecanismo más complejo puede provocar la pérdida de calibración antes que las de tipo viga, donde hay poco o ningún mal funcionamiento (sin embargo, la delgada varilla indicadora puede doblarse accidentalmente y salirse de su posición original). Las llaves dinamométricas de tipo viga son imposibles de usar en situaciones en las que la escala no se puede leer directamente, y estas situaciones son comunes en aplicaciones automotrices . La escala de una llave de 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 del aumento de errores del usuario con el tipo viga: el par debe leerse en cada uso y el operador debe tener cuidado de aplicar cargas solo en el punto de pivote del mango flotante. Las versiones de viga doble o "plana" reducen la tendencia del puntero a rozar, al igual que los punteros de baja fricción.

El uso de barras de seguridad que se extienden desde el extremo del mango puede dañar la llave, por lo que solo se debe utilizar el equipo especificado por el fabricante. ^[17]

El uso de extensiones de casquillo no requiere ningún ajuste del par de torsión. ^[18]

Para utilizar una pata de gallo o una extensión similar es necesario utilizar la siguiente ecuación: ^[18]

$${\displaystyle T_{w}={\frac {T_{d}A}{A+B}}}$$

El uso de una combinación de extensiones de mango y de pata de gallo requiere el uso de la siguiente ecuación: ^[18]

$${\displaystyle T_{w}={\frac {T_{d}(A+C)}{A+B+C}}}$$

dónde:

• $Estilo de visualización T_{w}}$¿Es el par indicado por la llave (par de ajuste)?
• $Estilo de visualización T_{d}$es el par deseado,
• ${\estilo de visualización A}$es la longitud de la llave dinamométrica, desde el mango hasta el centro de la cabeza,
• ${\estilo de visualización B}$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,
• ${\estilo de visualización C}$es la longitud de la extensión del mango, desde el extremo de la extensión hasta el mango de la llave dinamométrica.

Estas ecuaciones sólo 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 estuvieran en línea. Si la extensión se establece a 90°, no se requiere ningún ajuste. Estos métodos no se recomiendan excepto en circunstancias extremas. ^[18]

En el caso de los micrómetros de clic (u otros), cuando no se utilicen, se debe eliminar la fuerza que actúa sobre el resorte ajustando la escala a su valor nominal mínimo para evitar que el resorte se deforme de forma permanente. Nunca ajuste a cero una llave dinamométrica de tipo micrométrico, ya que el mecanismo interno requiere una pequeña cantidad de tensión para evitar que los componentes se desplacen y se reduzca la precisión.

Al igual que con cualquier herramienta de precisión, las llaves dinamométricas deben calibrarse periódicamente. Como se indicó anteriormente, según las normas ISO, la calibración debe realizarse cada 5000 operaciones o cada año, lo que ocurra primero. ^[14] Es posible que las llaves dinamométricas pierdan hasta un 10 % de calibración durante el primer año de uso. ^[16]

La calibración, cuando la realiza un servicio especializado que sigue las normas ISO, sigue un proceso y unas restricciones específicas. La operación requiere un equipo de calibración de llaves dinamométricas especializado 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 no superior a 1 °C y la humedad relativa no debe superar el 90 %. ^[14]

Antes de realizar cualquier trabajo de calibración, la herramienta debe cargarse previamente y ajustarse sin medida según su tipo. Luego, la herramienta se conecta al comprobador y se aplica fuerza al mango (a no más de 10° de la perpendicular) para valores de 20%, 60% y 100% del par máximo y se repite según su clase. La fuerza debe aplicarse lentamente y sin movimientos bruscos o irregulares. La tabla siguiente proporciona más detalles sobre el patrón de prueba para cada clase de llave dinamométrica. ^[14]

Si bien se recomienda una calibración profesional, para algunas personas esto puede resultar fuera de su alcance. Es posible calibrar una llave dinamométrica en un taller o garaje. El proceso generalmente requiere que se fije una determinada masa a un brazo de palanca y que la llave dinamométrica se ajuste al par de torsión adecuado para levantar dicha masa. Se puede calcular el error dentro de la herramienta y se puede alterar la herramienta o ajustar cualquier trabajo realizado para corregir este error. ^{[19] [20] [21]}