Realmente no es tan simple como una regla general: hay muchos factores en cada aplicación. Asumiré que su aplicación de perno es una situación bastante tradicional en la que atornilla una pieza de material a otra (un plano de corte) y no un sándwich más complejo (almohadillas de aislamiento, placas de transición, etc.)
En la mayoría de las conexiones atornilladas, los pernos están destinados a proporcionar una fuerza de sujeción normal a las superficies de desgaste para permitir que se desarrolle una gran fuerza de fricción entre los dos materiales que se atornillan. Como tal, aunque casi siempre verificamos que los pernos pueden mantener la carga en cizallamiento, para el diseño de la conexión para el rendimiento, la acción de sujeción es una consideración más importante. Si sus superficies de frenado son muy planas y limpias, y sus dos materiales son muy rígidos, puede imaginar que un solo perno grande sería suficiente para cualquier problema, ya que la fuerza de sujeción aplicaría la misma fricción en toda la superficie de frenado. Un problema con el uso de un solo perno es que si la junta se desliza, podría deslizarse en una dirección que afloje la tuerca contra el perno, lo que provocaría una falla catastrófica.
En realidad, generalmente nuestras dos superficies son algo flexibles, sucias y no planas. Debido a esto, un perno solo aplica con éxito una fuerza de sujeción para un área pequeña alrededor de sí mismo, por lo que las juntas que resisten un momento (como la mayoría de los montajes del motor) no serán muy efectivas con un solo perno. En cambio, agregar más tornillos, más separados entre sí, crea 'pares de momentos' donde, debido a la distancia entre cada tornillo, la resistencia al deslizamiento real requerida en cada tornillo es menor. En general, para conexiones que resisten un momento, desea maximizar el tamaño general del patrón de pernos dentro de lo razonable.
Por supuesto, hay muchos otros factores. Como sugiere, dado que la tolerancia absoluta es mayor en los pernos más grandes, generalmente requieren más agujeros descuidados, lo que significa que no proporcionarán una alineación inherentemente tan buena como los pernos más pequeños. Sin embargo, si alinea sus componentes de forma independiente (midiendo o con una plantilla) y aprieta los pernos, igual puede mantener el componente en el lugar correcto. Por el contrario, debido a que los agujeros para tornillos más pequeños generalmente son menos grandes, alinear un patrón de muchos tornillos pequeños requiere un mecanizado mucho más preciso de sus piezas que alinear un par de tornillos más grandes. Esto se debe principalmente al factor de sobredimensionamiento más pequeño, pero se agrava por el hecho de que cuantos más agujeros tenga,
En cuanto al costo, para piezas de tamaño modesto, los costos de mecanizar las piezas casi seguramente cuestan más que el costo de los sujetadores, por lo que unos pernos más grandes serían una mejor opción: pernos ligeramente más caros, pero menos agujeros para perforar. El tamaño de un agujero para perforar tiene mucho menos impacto en el costo que el tiempo para ubicar un nuevo agujero, especialmente si es lo suficientemente profundo como para requerir múltiples pasos (como un taladro de detección o un taladro central) y, por lo tanto, un cambio de herramienta. Además, dependiendo de su escala, materiales y grosor, a veces los agujeros más pequeños en realidad son más caros, ya que deben perforarse de manera menos agresiva para evitar la rotura de la herramienta. Dos grandes excepciones a esta afirmación serían si sus piezas se producen en masa mediante fundición, moldeo por inyección o un proceso volumétrico similar, o si están siendo cortados por un proceso de perfilado como chorro de agua o corte por láser, donde las pulgadas lineales son el principal impulsor del costo. Como señala, el tiempo para ensamblar el dispositivo depende principalmente de la cantidad de tornillos en lugar de su tamaño, para una longitud determinada de rosca, un tornillo grande es en realidad más rápido para apretar. Por lo tanto, esto también favorece menos tornillos más grandes.
En cuanto a una fórmula que rige la fuerza de sujeción, no es nada especial. Una vez que establezca la pretensión en cada perno como instalado, simplemente multiplique eso por el coeficiente de fricción estático para su combinación de superficie de desgaste. La parte difícil es establecer la pretensión que logrará en cada tornillo: existen fórmulas que le darán tensión en función del par, el ángulo de avance y los materiales, pero se sabe que no son muy precisas. La mejor manera de encontrar este valor sería mediante la medición directa después de apretar los pernos utilizando el mismo método que usará en la producción (par, sensación, giro de la tuerca, etc.)
Hay algunas ventajas principales de tener más tornillos.
El primero es que las cargas se distribuyen de manera más uniforme, especialmente cuando la rigidez del accesorio en sí es un poco marginal y cuando es importante garantizar que no se produzca separación, por ejemplo, en juntas de brida de sistemas de fluidos de alta presión.
En segundo lugar, tener más pernos para la misma carga nominal significa un diámetro de orificio más pequeño y un diámetro de brida tan pequeño que puede ser útil cuando necesita empaquetar las cosas lo más apretado posible (por ejemplo, en aplicaciones de motores de automóviles).
En tercer lugar, más sujetadores pueden mejorar la redundancia, es decir, si tiene 4 pernos y 1 está por debajo de las especificaciones o está ensamblado incorrectamente, pierde el 25% de la resistencia de diseño si tiene 10 pernos y uno está mal, entonces solo pierde el 10%.
El otro lado de la moneda es que el uso de muchos sujetadores pequeños para soportar una carga mucho mayor que su capacidad individual puede causar fallas en cascada si se presentan condiciones de carga imprevistas y se pueden desabrochar las articulaciones.
Por otro lado, puede haber casos en los que una gran cantidad de sujetadores complican el ensamblaje y el mantenimiento, especialmente si el acceso es limitado y es probable que los sujetadores se corroan o se atasquen o agarren. De manera similar, los sujetadores de menor diámetro pueden tener un rango de torque aceptable más pequeño que los más grandes.
También vale la pena tener en cuenta que la mejor práctica en el diseño de accesorios atornillados es que los pernos trabajen sujetando dos superficies juntas para que las fuerzas de corte se resistan mediante la fricción entre las superficies de acoplamiento en lugar de ser transportadas directamente por los pernos. Del mismo modo, los pernos generalmente requieren un espacio moderado en agujeros sin rosca y, por lo tanto, no son adecuados como el único medio para proporcionar una alineación precisa entre dos partes. Cuando esto se requiera, es habitual tener algo como una disposición de perno o muesca para proporcionar un medio positivo de alineación.
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En la industria de la maquinaria, los selectores de pernos holo-krome se usan regularmente para obtener el par de apriete y las tensiones de los pernos resultantes: el verde es para pulgadas y el azul es para métrica: https://www.google.com/#q=holo-krome + tornillo + selector + tarjetas
Si es factible, se evitan los tamaños en miniatura como 2.5 mm. Simplificado, la resistencia del perno es proporcional al área de la sección transversal, o PI * R ^ 2. Al comparar un 6 mm con un 2.5 mm, los radios correspondientes son 3 y 1.25, las relaciones de resistencia correspondientes son aproximadamente 3 ^ 2 y 1.25 ^ 2, o 9 a 1.56, o una relación de 5.8.
Los tornillos más grandes pueden necesitar locktite azul para evitar que se aflojen debido a la vibración: la longitud del tornillo bajo tensión generalmente debe ser 4 veces el diámetro para ser considerado resistente a las vibraciones.
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Siempre es mejor usar más tornillos pequeños que unos pocos más grandes porque si algunos fallan, es mejor tener más.
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