Instalación de arandelas Belleville: orientación del apilamiento, precarga y fuerza de apriete

Una arandela Belleville es una arandela elástica cónica que genera fuerza axial a medida que se aplana. Su utilización depende de tres decisiones: la orientación de montaje, la cantidad de arandelas apiladas y su disposición, y el grado de compresión. Verifique las caras de contacto y la secuencia del apilamiento en el plano de montaje; comprima hasta la altura de instalación correspondiente a la carga requerida y, a continuación, confirme el ajuste. No existe una regla universal de «cara cóncava hacia arriba» ni un par de apriete universal.

Esta guía aborda la instalación y la verificación. Para conocer cómo funcionan los resortes de disco y cómo seleccionar uno, consulte qué son los resortes de disco y cómo funcionan. En el uso habitual, «arandela Belleville» y «resorte de disco» suelen emplearse como términos equivalentes, pero son las especificaciones del producto —y no el nombre— las que definen las tolerancias, el comportamiento de carga y la idoneidad para servicio cíclico.

¿Cómo ayudan las arandelas Belleville a mantener la fuerza de apriete?

El apriete genera la precarga. La arandela Belleville no la incrementa; aporta elasticidad a la trayectoria de carga, de modo que se pierde menos fuerza cuando la unión se asienta. La magnitud de ese efecto depende de la rigidez del apilamiento en torno al punto de trabajo y del recorrido elástico disponible.

No impide el asentamiento, la fluencia ni la relajación, y tampoco evita todos los tipos de aflojamiento. Los cambios de temperatura pueden aumentar o reducir la precarga según la geometría y los materiales; por ello, conviene verificar tanto la carga mínima retenida como la carga máxima prevista en servicio. Estas arandelas suelen emplearse en uniones con juntas, en materiales blandos o con fluencia, como cobre y aluminio, y en aplicaciones sometidas a variaciones térmicas.

Ejemplo práctico: pérdida de precarga tras el asentamiento

Una conexión atornillada de barras colectoras de cobre es un caso clásico, porque el cobre presenta fluencia bajo carga sostenida y cambia con la temperatura. A continuación se muestra una versión simplificada con valores supuestos, no datos de aplicación de LILY. Se trata de una unión axial sin carga de separación externa ni contacto derivado, y las rigideces se consideran constantes durante el pequeño intervalo de descarga.

• Precarga inicial F0: 1,000 lbf.

• Rigidez de asentamiento sin el resorte, k0: 500,000 lbf/in, donde k0 = 1 / (1/kb + 1/km), kb es la rigidez del perno y km es la rigidez del elemento sujetado.

• Acortamiento permanente del paquete sujetado: 0.001 in.

• Rigidez de descarga del apilamiento Belleville ks cerca del punto de trabajo: 20,000 lbf/in. Se supone que la incorporación del resorte no modifica las demás rigideces.

En este modelo, la pérdida de precarga es igual a la rigidez multiplicada por el asentamiento. Sin el resorte, es 500,000 × 0.001 = 500 lbf. Con el resorte, k = 1 / (1/k0 + 1/ks) ≈ 19,231 lbf/in, por lo que la pérdida es de unos 19 lbf y permanecen aproximadamente 981 lbf. Se trata de resultados de modelo, no de una mejora garantizada para todas las uniones.

Los 20,000 lbf/in corresponden a una rigidez local de descarga. Ese valor no indica cuánto se ha deflectado el apilamiento respecto de su estado sin carga, por lo que debe utilizarse la curva completa carga-deflexión para confirmar el ajuste inicial, el recorrido de descarga y los límites de trabajo. La comparación también omite los efectos de la temperatura, la fluencia continua y las variaciones de la rigidez de contacto.

Antes de la instalación: confirme la referencia y la trayectoria de carga

Empiece por el número de pieza y el plano de montaje. Dimensiones exteriores similares no significan curvas de carga, tolerancias ni vida a fatiga equivalentes. En la hoja de datos JHBCKFB de LILY, por ejemplo, la carga de trabajo aparece junto con la altura comprimida y la deflexión, por lo que deben interpretarse como un único punto de trabajo. Compare la arandelas Belleville y Resortes de disco Belleville clasifique los resortes según sus especificaciones reales, no por su denominación, o comience por la categoría de resortes de disco.

A continuación, trace el recorrido de la fuerza a través del conjunto. Un hombro, un separador o un tope pueden desviar la carga alrededor del resorte una vez que entra en contacto; por ello, confirme que el resorte siga siendo la única vía de carga axial durante todo el recorrido.

¿En qué sentido se montan las arandelas Belleville?

En una arandela individual bajo una tuerca o una cabeza de perno, la disposición habitual es con la corona orientada hacia la tuerca y el borde exterior apoyado sobre la unión. La tuerca o la cabeza cargan el borde interior elevado, y el aro exterior apoya sobre la unión o sobre una arandela de apoyo. Se trata de una práctica habitual, no de una regla absoluta; por ello, debe verificarse con la geometría de contacto indicada en el plano.

Al invertirla, la situación puede cambiar. Con apoyos planos equivalentes, una arandela simétrica conserva la misma característica axial ideal. En la práctica, los apoyos rara vez son equivalentes. El diámetro de apoyo de la tuerca, el tamaño del orificio, un cajeado o un hombro pueden dejar un borde sin soporte o provocar interferencia en una de las orientaciones, y la tuerca puede terminar apoyando sobre la superficie cónica en lugar de sobre el borde. En las fuentes disponibles en línea se muestran ambas opciones porque la respuesta depende de esa geometría.

Describa la orientación en relación con la tuerca, la cara de la unión y las arandelas adyacentes, nunca solo como “arriba” o “abajo”. Fotografie o marque la secuencia antes del desmontaje, pero compárela con el plano aprobado, porque un conjunto existente puede estar ya montado de forma incorrecta.

Ambos bordes de contacto son anillos estrechos sometidos a una presión local elevada. Cuando se especifica una arandela de apoyo o un asiento endurecido, debe utilizarse el tamaño y el material indicados. Una arandela plana cualquiera puede deformarse, incrustarse en una superficie blanda o alterar la fricción, el recorrido y el engrane de la rosca.

Apilamientos en serie, en paralelo y combinados

Con discos idénticos, el montaje en la misma orientación forma un grupo en paralelo. La alternancia de orientaciones forma un apilamiento en serie. Los grupos iguales en paralelo dispuestos en serie forman un apilamiento combinado. Las relaciones siguientes suponen carga axial y fricción despreciable.

Vista lateral de un apilamiento de resortes de disco, con los perfiles cónicos y las holguras de contacto.

Ejemplo de cuatro discos

Supongamos que un disco proporciona aproximadamente 225 lbf (1,000 N) con una deflexión de 0.012 in (0.30 mm). En ese mismo punto, los resultados ideales son:

• Cuatro en paralelo: ≈900 lbf (4,000 N) a 0.012 in (0.30 mm).

• Cuatro en serie: ≈225 lbf (1,000 N) a 0.047 in (1.20 mm).

• Dos pares en paralelo conectados en serie: ≈450 lbf (2,000 N) a 0.024 in (0.60 mm).

Se trata de un cálculo de apilamiento, no de una clasificación de LILY. La fricción y las variaciones geométricas modifican lo que se medirá, y los apilamientos largos requieren guiado para evitar la inestabilidad lateral. Especifique la secuencia real, las holguras y la lubricación, y no mezcle ni sustituya discos fuera del diseño aprobado.

Cómo establecer la precarga a partir de datos carga-deflexión

La precarga es la fuerza aplicada antes de que llegue la carga de servicio. Debe seleccionarse según la ventana de fuerza que requiere la unión, no como un porcentaje de la carga plana ni apretando hasta que la arandela parezca quedar plana.

Deflexión del paquete S = H(libree) − H(instalada)

Utilice el mismo paquete y las mismas caras de medición para ambas alturas. El alargamiento del perno y el asiento de las superficies también absorben parte del movimiento de la unión, por lo que el movimiento total de la unión no es lo mismo que la deflexión del resorte.

Cómo interpretar una hoja de datos real de LILY

JHBCKFB es una pieza pequeña, utilizada aquí únicamente para explicar los campos de la hoja de datos, no como una recomendación para una unión atornillada específica. Su plano dimensiona por separado el espesor (0.007 in) y la altura total (0.013 in).

La diferencia de altura, 0.013 − 0.010 = 0.003 in (0.076 mm), coincide con la deflexión de trabajo a 6 lbf (unos 26.7 N). Si se resta el espesor, la altura nominal del cono es 0.013 − 0.007 = 0.006 in, por lo que la deflexión de trabajo es aproximadamente la mitad de ese valor.

Se trata de valores nominales redondeados. No proporcionan una curva completa, una tolerancia de fuerza ni una clasificación a fatiga, y dos extremos redondeados no permiten demostrar la forma de la curva. Obtenga los datos aplicables de carga-deflexión antes de definir otro punto de operación o de confiar a la pieza el control de una carga crítica.

Cómo instalar arandelas Belleville, paso a paso

Una carga plana indicada no equivale automáticamente a la carga de instalación. Algunos productos están diseñados para condiciones de aplastamiento especificadas y otros requieren recorrido de reserva, por lo que deben respetarse los límites de servicio de la pieza. El estado de “totalmente plano” no es ni un objetivo universal ni una condición de fallo universal.

Verificación de la fuerza de apriete: qué indica cada medición

En una unión estática simple, sin carga externa de separación ni contacto de derivación, un resorte situado en el recorrido axial del perno soporta la misma fuerza que el perno. Bajo carga de servicio, la tensión del perno y la fuerza residual de apriete pueden diferir, por lo que primero debe verificarse el modelo de carga de la unión.

de NASA Manual de diseño de elementos de fijación, RP-1228 cubre el par de apriete de los elementos de fijación, los lubricantes y los recubrimientos, que son factores determinantes en gran parte de la dispersión entre par y precarga. Un par validado para una condición de fricción no puede extrapolarse a otra. Cuando la precisión de la fuerza es crítica, valide el conjunto con el método de medición especificado.

Problemas comunes de instalación

Lista de verificación para solicitud de cotización de reemplazo o aplicación

Incluya lo siguiente con su consulta:

• Número de parte existente, plano o fotografías claras del conjunto

• Carga objetivo y recorrido (o altura instalada)

• DE, DI, espesor y altura libre

• Material y acabado

• Temperatura y condiciones de exposición

• Ciclo de trabajo y motivo del reemplazo

• Cantidad

Para entornos corrosivos, consulte resortes de disco Belleville resistentes a la corrosión y confirme el material en función de la exposición real. Si no dispone de la curva ni del ajuste de instalación, envíenos los datos de su aplicación antes de seleccionar un sustituto.

Preguntas frecuentes

¿Es necesario utilizar una arandela plana con una arandela Belleville?

Solo cuando el diseño lo especifique. Una arandela plana endurecida es habitual sobre superficies blandas o fáciles de marcar, o cuando se trabaja sobre un orificio sobredimensionado, pero también modifica la fricción y el recorrido. Siga el plano en lugar de añadirla por su cuenta.

¿Puede una arandela Belleville sustituir un dispositivo de bloqueo?

No por sí sola. Ayuda a mantener la precarga a medida que la unión se asienta o se desplaza, por lo que se utiliza en aplicaciones con vibración y variaciones de temperatura; sin embargo, mantener carga axial y bloquear positivamente un elemento de fijación son funciones distintas. Si la especificación de la unión exige un método de bloqueo, manténgalo salvo que un rediseño aprobado y los ensayos indiquen lo contrario.

¿Cómo puedo saber si una arandela Belleville está instalada al revés?

Compárela primero con el plano o con sus fotografías anteriores. Una arandela montada al revés suele mostrar marcas de contacto en el borde incorrecto o presenta la tuerca apoyada sobre la superficie cónica, y la altura montada o la fuerza aplicada no coincidirán con lo que debe proporcionar el conjunto. Mida antes de sacar conclusiones, porque un número incorrecto de discos puede dar una apariencia similar.

¿Debo reapretar la unión después de su primer ciclo de funcionamiento?

Solo si el procedimiento de mantenimiento lo exige. Un reapriete no planificado puede aumentar la carga o consumir el recorrido elástico disponible. Para una verificación programada, respete las condiciones especificadas de temperatura, descarga y medición.

¿Puedo reutilizar las arandelas retiradas durante el mantenimiento?

Revise primero las instrucciones del producto y sus criterios de inspección. Una arandela puede parecer correcta y, aun así, haber perdido carga. Cuando se permita la reutilización, verifique las dimensiones y el comportamiento de carga frente a los límites de aceptación, y sustituya cualquier pieza con historial desconocido.