Por qué se aflojan los tornillos: dos tipos de aflojamiento y cómo elegir

1. La respuesta corta: «el tornillo se ha aflojado» son dos fallos distintos

Cuando la línea de montaje informa de que «el tornillo se ha aflojado», la frase que suele venir después es «pongamos una arandela de muelle». Pero si nadie ha determinado de qué tipo de aflojamiento se trata, esa medida es muy probablemente dinero perdido.

Los elementos de fijación roscados se aflojan por dos mecanismos distintos:

Los dos modos de fallo terminan igual, con «ya no aprieta», pero en un caso el material se está deformando y en el otro la pieza está girando. Añadir un elemento elástico a un problema de aflojamiento por rotación, o aplicar fijador de roscas a un problema de relajación, son ejemplos de libro de texto de la receta equivocada.

Los dos mecanismos se desmontan a continuación y al final se ofrece una secuencia de diagnosis para planta.

2. Por qué no se afloja bajo carga estática: autobloqueo y el criterio 0.8T

Una rosca ordinaria es intrínsecamente estable bajo carga estática, por dos razones:

• Autobloqueo del par roscado: el ángulo de hélice ψ es menor que el ángulo de fricción equivalente ρ′ del par roscado, de modo que el plano inclinado no puede empujarse hacia atrás.
• Fricción en la cara de apoyo: tras el apriete sigue existiendo fricción entre la tuerca (o la cabeza del tornillo) y la pieza apretada o la arandela.

De ahí sale un criterio estático práctico: bajo la carga previa Q_p, el par resistente que impide girar la tuerca es aproximadamente

T′ ≈ 0.8 T

donde T es el par de apriete. El significado es claro: en una unión apretada a un par T, mientras el par de aflojamiento externo aplicado en la tuerca o en la cabeza del tornillo no supere 0.8T, la unión no se aflojará.

Pero este criterio tiene una precondición — que el coeficiente de fricción sea estable. Bajo carga fluctuante, vibración y choque, el coeficiente de fricción del par roscado se colapsa, la resistencia por fricción en los flancos y en la cara de apoyo desaparece por un instante y la fórmula deja de ser válida de inmediato: el par roscado ya no cumple la condición de autobloqueo, aparece un deslizamiento relativo microscópico y la tuerca empieza a girar. Repetido las veces suficientes, la unión queda suelta.

Conviene retener una frase: el autobloqueo solo se sostiene bajo carga estática. En cuanto entra en juego la vibración, la condición de autobloqueo de manual deja de gobernar.

3. El verdadero culpable es el deslizamiento transversal, no la vibración axial

«El tornillo se ha aflojado de tanto vibrar» es solo medio cierto. Lo que importa es la dirección de la vibración.

El aflojamiento por deslizamiento transversal se produce en cuatro pasos, ninguno difícil de seguir:

• Primer paso: la fricción se «desvía». Bajo una fuerza transversal, toda la fricción de los flancos y de la cara de apoyo de la tuerca (o de la cabeza) se desvía a resistir el deslizamiento.
• Segundo paso: en ese instante no hay fricción efectiva. La reserva de fricción se agota y el par roscado es, en la práctica, un par sin fricción.
• Tercer paso: la propia carga previa empuja la tuerca hacia atrás. El tornillo estirado almacena energía y, sin nada que la resista, impulsa la tuerca hacia abajo por la hélice — el ángulo de hélice es pequeño, pero la fuerza que empuja es grande.
• Cuarto paso: acumulación. La tuerca gira un ángulo mínimo, la fuerza de apriete baja un poco y el ciclo siguiente repite toda la secuencia.

Un solo episodio de deslizamiento suele producir menos de 0.01° de giro — del todo invisible a la vista. Repetido unos cientos de veces, la fuerza de apriete llega a cero.

Este mecanismo se describió de forma sistemática ya en 1969 y más tarde se normalizó como método de ensayo de vibración transversal: DIN 65151 (equivalente internacional ISO 16130; en el ámbito ferroviario existe además DIN 25201-4). Sigue considerándose la solicitación vibratoria más severa que puede aplicarse a una unión roscada.

4. Por qué el aflojamiento se autorrefuerza

Hay una característica crítica: el aflojamiento no avanza a ritmo constante — cuanto más suelto está, más deprisa se afloja.

La cadena funciona así. El umbral de deslizamiento parcial depende de la capacidad de fricción disponible μ·F_i (μ es el coeficiente de fricción y F_i la carga previa en ese momento). Cuando la fuerza transversal supera ese umbral, la zona de contacto pasa de fricción estática a cinética, el tornillo gira un pequeño escalón y la carga previa F_i baja un poco. Pero en cuanto F_i baja, el umbral μ·F_i del ciclo siguiente es menor y el deslizamiento resulta más fácil — cada ciclo prepara el terreno al siguiente.

El resultado es la forma de la curva de caída de la carga previa: plana al principio, abrupta después. Durante las primeras docenas de ciclos casi no parece cambiar nada, luego da un escalón hacia abajo y por último se desploma en un intervalo muy corto.

De ahí se deducen dos corolarios muy prácticos:

• «Lleva seis meses funcionando bien» no demuestra que no haga falta un bloqueo. Una unión que resiste 500 ciclos a menudo falla de golpe en los 50 siguientes.
• «Bien lubricado quiere decir menos probable que se afloje» es falso. La lubricación reduce el coeficiente de fricción y permite alcanzar más carga previa con el mismo par; pero cuanto menor es el coeficiente de fricción, menor es el umbral μ·F_i frente al deslizamiento, de modo que la resistencia al aflojamiento empeora. La lubricación ayuda al apriete y perjudica al bloqueo. Como comparación aproximada de condiciones habituales: un par roscado de acero fosfatado y aceitado presenta un coeficiente de fricción total en torno a 0.10–0.12; el acero seco, sin tratar y sin lubricar, en torno a 0.16–0.20.

5. Siete factores que aceleran el aflojamiento

6. Los métodos de bloqueo se agrupan en tres familias

Por su principio, todo método pertenece a una de tres clases:

Dos decisiones de diseño merecen además prioridad: emplear rosca fina (menor ángulo de hélice, mejor autobloqueo) y combinar dos métodos de bloqueo de principios distintos para que se complementen.

7. Tabla comparativa de elementos de bloqueo habituales

Una regla de disciplina: todas las valoraciones del rendimiento de bloqueo son relativas y comparativas. Las conclusiones dependen mucho del tamaño del elemento de fijación, el material, el recubrimiento, la calidad de fabricación y de montaje, y la capacidad de bloqueo puede diferir en entornos o condiciones de servicio distintas. Cualquier resultado de ensayo es solo una referencia de diseño; antes de la puesta en producción conviene verificarlo en un banco de vibración con la condición real de servicio.

8. Primero hay que decidir si hace falta bloqueo

Los elementos de bloqueo no son equipo de serie. El juicio se apoya en la relación entre la longitud de apriete L y el diámetro nominal d, además de la dirección de la carga:

¿Por qué son las uniones cortas las más peligrosas? Conviene introducir un concepto — la distancia crítica de deslizamiento, el desplazamiento relativo de las caras de la unión necesario para que la cabeza del tornillo o la tuerca se separe de la cara de apoyo y empiece a ser arrastrada en rotación. En una unión con poca longitud de apriete ese valor puede ser inferior a 0.1 mm; bajo la misma carga, un tornillo con gran longitud de apriete puede necesitar más de 0.5 mm. La razón se apuntó ya en el apartado 5: un tornillo largo se flexiona con la unión en lugar de deslizar en la interfaz.

Así que lo que decide el resultado no es solo el elemento que va bajo la tuerca: el juego de taladro, la relación de longitud de apriete, la rigidez de la unión y la carga previa importan al menos tanto como el propio elemento de bloqueo.

9. Cómo comparar el rendimiento de bloqueo: leer un informe de ensayo de vibración transversal

Dado que la vibración transversal es la única condición severa, también es la única vía para comparar soluciones de bloqueo. El procedimiento normalizado tiene dos etapas:

• Ensayo de referencia. Se monta primero una unión sin ningún elemento de bloqueo y se aumenta el desplazamiento transversal desde cero hasta que se autoafloje por completo en 300 ± 100 ciclos. Ese desplazamiento es el «desplazamiento eficaz» del ensayo y sirve además para calibrar la severidad del entorno de ensayo.
• Ensayo de verificación. Se sustituye por la unión con el elemento de bloqueo, se ensaya exactamente con el mismo desplazamiento eficaz y la misma frecuencia y se registra la curva de caída de la carga previa frente al número de ciclos.

La métrica de evaluación habitual es el porcentaje de carga previa que queda tras 2000 ciclos, junto con una forma de curva que indique que no cabe esperar razonablemente un fallo aunque se prolongara el ensayo.

Un informe utilizable debe contener como mínimo: tipo de bloqueo y su posición de montaje, frecuencia de ensayo, relación entre longitud de apriete y diámetro, método de apriete, desplazamiento transversal eficaz, condición de lubricación empleada y rango de diámetros aplicable.

La advertencia más importante de todas: DIN 65151 / ISO 16130 definen un procedimiento de ensayo; la norma no contiene ningún criterio de aceptación. Que un proveedor diga «certificado según tal norma» no constituye por tanto ninguna conclusión con sentido. Lo que hace falta son cuatro cosas — curva de caída de la carga previa, número de ciclos, carrera transversal y condición de fricción/lubricación. Solo con esas cuatro se puede comparar algo.

10. La otra vía: qué hacer con la pérdida de carga previa (relajación)

Más allá del aflojamiento por rotación, una parte de los fallos no implica rotación alguna — la fuerza de apriete simplemente se va consumiendo. Hay tres fuentes:

• Pérdida por asentamiento. Por la rugosidad, la ondulación y el error de forma, los flancos, las distintas caras de apoyo y las interfaces entre piezas apretadas sufren deformación plástica local durante el apriete; bajo carga externa repetida en servicio, parte de esa deformación sigue desarrollándose y la carga previa cae con ella. Es también la razón de que «una arandela mayor reduce la presión de contacto» y «reapretar tras un periodo de rodaje» sean dos contramedidas clásicas.
• Relajación de tensiones a alta temperatura. Al subir la temperatura bajan el límite elástico, el límite de prueba a la extensión no proporcional prescrita y la resistencia a la tracción; el servicio sostenido en caliente produce relajación de tensiones, y la relajación de tensiones trae inevitablemente consigo pérdida de fuerza de apriete. Como regla práctica, en cuanto la temperatura de servicio del elemento de fijación supera 150°C conviene examinar su comportamiento con cuidado.
• Diferencias de sensibilidad del material. Esto se pasa a menudo por alto: los elementos de fijación conformados en frío (clases de propiedad 4.8, 5.8, 6.8) son más sensibles a la relajación de tensiones que los sometidos a temple y revenido o los aliviados de tensiones. Emplear un tornillo de clase 4.8 en una unión que trabaja caliente de forma continua conlleva un riesgo que va más allá de «menos resistencia».

Merecen atención otras dos condiciones: cuando se emplean elementos de fijación de acero con plomo a alta temperatura y la temperatura de servicio cae en el intervalo de fusión del plomo, debe considerarse la fragilización por metal líquido (LME); para la selección de materiales en elementos de fijación de alta temperatura, normas como EN 10269 y ASTM F2281 son referencias útiles.

La lista de contramedidas frente a la relajación:

• Aumentar la superficie de apoyo: pasar a tornillos o tuercas con brida, o añadir una arandela grande de alta resistencia, para bajar directamente tanto la presión de contacto como la indentación.
• Aumentar la elasticidad de la unión: usar tornillos largos o de vástago reducido (longitud elástica k₀ > 4d) para que la unión no pierda carga previa con tanta facilidad cuando la carga de trabajo fluctúa. Es también la razón de que «conservar la elasticidad» y «resistir el movimiento transversal» se apliquen a menudo juntos en la práctica de ingeniería.
• Eliminar capas intermedias blandas: las películas finas de pintura, las almohadillas de plástico y las arandelas blandas aportan una pérdida continua por fluencia — salvo que la capa esté realmente concebida como elemento elástico (una arandela de muelle cónica calculada para un punto de carga previa concreto, por ejemplo).
• Reapretar cuando sea necesario: volver a dar par una vez que la unión lleva un tiempo en servicio, para eliminar la pérdida inicial por asentamiento.

11. Secuencia de diagnosis en planta

Ante un caso de «se ha aflojado», conviene recorrer el orden siguiente en lugar de ir directamente a cambiar de pieza de bloqueo:

• Primer paso: mirar las huellas. ¿Hay alguna huella de rotación relativa entre la tuerca (o la cabeza del tornillo) y la cara de apoyo? ¿Se ve que el par roscado ha retrocedido?
  Sí → aflojamiento por rotación. No, con solo una huella anular en la cara de apoyo → lo más probable es un aflojamiento por relajación.
• Segundo paso, si es aflojamiento por rotación. Confirmar primero si la carga tiene componente alterna transversal → comprobar si L/d cae en la zona de peligro → verificar que la carga previa alcanzó realmente su valor de diseño → elegir entonces el elemento de bloqueo (prefiriendo uno cuyo principio sea complementario de lo que ya hay) → verificar mediante ensayo de vibración transversal.
• Tercer paso, si es aflojamiento por relajación. Revisar primero la temperatura de servicio y el estado de las caras de contacto → aumentar la superficie de apoyo, aumentar la flexibilidad del tornillo, eliminar capas intermedias blandas → valorar si el «reapriete» debe figurar en el procedimiento de mantenimiento.
• Cuarto paso, comprobar lo mismo en ambos casos. ¿Está realmente ahí la carga previa? Con apriete controlado por par, la dispersión de la carga previa puede llegar a ±25 %, y si la carga previa real es solo la mitad de la de diseño, «el bloqueo era insuficiente» y «nunca se apretó bien» son dos historias muy distintas. Véase Cuánto par de apriete: tres convenciones y una tabla de consulta para el detalle.

Una frase para terminar: la carga previa es la primera línea de defensa, la resistencia al deslizamiento transversal la segunda y el bloqueo positivo mecánico la última. Saltarse las dos primeras e ir directamente a la tercera normalmente solo retrasa el fallo en lugar de eliminarlo.

Fuentes

• Fastener Joint Design Handbook, capítulo 3 «Uniones atornilladas»: mecanismos de aflojamiento, clasificación de los métodos de bloqueo, ejemplos resueltos de métodos de bloqueo habituales en uniones atornilladas y distribución desigual de la carga axial entre los filetes en contacto.
• DIN 65151, Características de bloqueo de los elementos de fijación — ensayo dinámico bajo carga transversal; ISO 16130 (equivalente internacional); DIN 25201-4. Incluye el procedimiento de dos etapas con ensayo de referencia y ensayo de verificación y la métrica de carga previa residual a 2000 ciclos.
• Mecanismo del autoaflojamiento bajo vibración transversal: teoría del deslizamiento local y la conclusión de que la resistencia por fricción desaparece momentáneamente en cuanto las caras de rosca entran en deslizamiento pleno (formulado de manera sistemática por primera vez en el artículo técnico SAE 690055, 1969).
• VDI 2230: clases de coeficiente de fricción, el criterio de longitud de apriete frente a diámetro nominal y las comprobaciones de presión en la cara de apoyo.
• Manual técnico corporativo: relajación de tensiones e idoneidad a alta temperatura, sensibilidad de las clases conformadas en frío a la relajación de tensiones, riesgo de fragilización por metal líquido con acero con plomo; EN 10269, ASTM F2281.
• Dispersión de la carga previa y el error del apriete controlado por par: véase el artículo «Cuánto par de apriete» en este sitio.