Una cifra de par presupone una condición de rozamiento

La pregunta, hecha ochenta mil veces

«¿Grasa en los tornillos de rueda o no?» (traducción) se ha leído más de 82.000 veces en Mechanics Stack Exchange, y las respuestas se dividen. Un bando dice que nunca; otro, que una película fina evita el agarrotamiento. Ambos discuten sobre lo que no es, porque el desacuerdo depende de una cifra que nadie examina: la propia cifra de par.

Qué compra el par

El par hace tres trabajos a la vez, y solo el primero es el que se busca:

T = F · [ nP/(2π)  +  μ_t·d₂/(2·cos 30°)  +  μ_n·r_n ]

El primer término sube por la rosca y produce fuerza de apriete. Los otros dos son rozamiento –en los flancos de la rosca y bajo la cabeza o la cara de la tuerca– y se gastan, no se almacenan. Es la misma relación que la VDI 2230 da como M_A = F_M(0.16P + 0.58μ_Gd₂ + μ_KD_Km/2).

Ahora pase un M8×1,25 dos veces por ella, cambiando solo el rozamiento:

Un setenta por ciento más de fuerza de apriete, con el mismo clic de la misma llave. La forma simplificada da la misma imagen: la guía de diseño de la NASA cita un factor de tuerca de aproximadamente 0,20 en seco frente a 0,11–0,15 lubricado, lo que por sí solo supone una variación del 33 % al 82 %.

Entonces, qué dice realmente el fabricante

Para los turismos corrientes, la postura es coherente entre los fabricantes que consultamos, y no es folclore:

• Toyota prohíbe la grasa en tornillos y tuercas de rueda, y cita el exceso de apriete y los daños en el tornillo o la rueda.
• El procedimiento de taller de BMW lo dice claramente: no aplicar aceite a los tornillos de rueda. Los tornillos corroídos se sustituyen, no se lubrican.
• SEAT exige que tornillos y roscas estén limpios y libres de aceite y grasa.

Fíjese en lo que eso no es. No es una regla universal dictada por una norma: la SAE J2316 remite expresamente a la especificación del fabricante del vehículo en lugar de fijar un único par en seco para todos. Es un conjunto de especificaciones calibradas cada una en seco, y una advertencia de no salir de la condición para la que se calibraron.

Por eso existen las excepciones, y existen

Si «nunca lubricar» fuera una ley física, no habría contraejemplos. Los hay.

• Los camiones medianos de Chevrolet especifican dos gotas de aceite SAE 30 en la rosca del extremo del espárrago y en la interfaz entre la tuerca y la arandela flotante, y la cifra de par de 610–678 N·m corresponde a ese estado lubricado.
• Las tuercas planas de dos piezas de la Ford E-Series llevan una gota de aceite entre el cuerpo de la tuerca y la arandela flotante, mientras que se exige expresamente que las roscas de tuerca y espárrago queden secas.
• BMW engrasa la superficie de centrado de la rueda y mantiene secos los tornillos; Bentley no permite más de 0,25 cm³ de grasa de cobre en el diámetro de centrado y exige específicamente que no llegue a la cara de apriete.

Leídas juntas, la regla aparece bien formulada: lubrique exactamente donde lo diga la especificación, porque la cifra de par se calibró con esa lubricación presente. Los dos últimos son el caso más claro: grasa en una superficie, seco en otra, a pocos milímetros, porque solo una de ellas está en la trayectoria del par.

Qué sale mal realmente, dicho con cuidado

El exceso de tensión por una lubricación no prevista puede hacer daño de más de una manera, y no debemos fingir que sabemos cuál llega primero.

• El espárrago fluye, o el asiento se aplasta. Son estados límite paralelos, no una secuencia. Cuál llega primero depende de la resistencia del espárrago, la geometría del asiento y el material de la rueda. La SAE J2315 existe precisamente para especificar la resistencia del asiento de la tuerca de rueda, lo que indica que el asiento es un límite de diseño independiente y no algo secundario. La propia advertencia de Toyota menciona juntos el daño en el tornillo y el daño en la rueda.
• Después llega la fatiga. El alargamiento permanente, un asiento dañado o la relajación por asentamiento de las superficies de contacto cambian la fuerza de apriete residual y, por tanto, la tensión cíclica. Trabajos publicados de elementos finitos sobre llantas de aluminio fundido muestran que la carga de apriete desplaza la tensión media, el punto crítico y la vida prevista.

Y una afirmación que no vamos a hacer. «El aceite hace que se aflojen al circular» (traducción) no se deduce de la relación entre par y tensión: un par de aflojamiento menor significa menos rozamiento, lo cual no es lo mismo que autoaflojamiento. Toyota advierte de que la grasa puede hacer que las tuercas se aflojen, pero no encontramos base experimental para situar ese mecanismo por delante de los demás, y los trabajos de la NTSB sobre desprendimiento de ruedas encontraron tanto apriete insuficiente como excesivo, y atribuyeron las roturas de espárragos a fatiga tras un apriete incorrecto y no a la lubricación por sí sola.

La forma general

Hay una condición que conviene nombrar expresamente: el rozamiento puede cambiar en el almacén. Tornillos con recubrimiento de láminas de zinc apretados recién salidos de una cámara fría necesitaron entre un 11 % y un 30 % menos de par para la misma fuerza de apriete.

Nada de esto trata en realidad de ruedas. Una cifra de par lleva una calibración de par y tensión para un estado superficial concreto, y cualquier cosa que cambie ese estado –aceite, otro recubrimiento, corrosión o simplemente limpiar lo que había– le saca de la calibración mientras la cifra del plano sigue siendo la misma.

Eso funciona en ambos sentidos, y es lo que conviene recordar. Algunas especificaciones exigen lubricación a propósito, porque reduce el par necesario y, sobre todo, la dispersión de la precarga que realmente se obtiene. El rozamiento no es el enemigo. El rozamiento no registrado sí lo es.

También conviene comprobar de dónde salió en origen la cifra del plano: en una tabla de pares ordenada por clase de resistencia, las dos cifras para la misma rosca difieren en la relación entre clases y en nada más.

Qué puede y qué no puede lograr el control por par está en par y fuerza de apriete; el orden en que se añade cualquier cosa a una unión validada, en revalidar un cambio de tornillo; y dónde queda el montaje entre las demás decisiones, en especificar un tornillo (en inglés).

Referencias

• VDI 2230 parte 1: relación del par de apriete, ec. 5.4/17–5.4/20
• ISO 16047: elementos de fijación, ensayo de par y fuerza de apriete (factor de tuerca válido solo para las mismas condiciones de rozamiento; deben registrarse recubrimiento y lubricante)
• NASA TM-106943: Preloaded Joint Analysis Methodology (factor de tuerca de aproximadamente 0,20 en seco, 0,11–0,15 lubricado)
• NASA RP-1228: Fastener Design Manual, par de los elementos de fijación
• NASA-STD-5020B: exige parámetros de instalación obtenidos en ensayo en lugar de factores fijos
• SAE J2315: resistencia del asiento de la tuerca de rueda; SAE J2316: sistemas de fijación de ruedas del mercado de recambios
• Instrucciones de fabricantes de vehículos: Toyota, procedimiento de taller de BMW 36 10 300, SEAT, camiones medianos de Chevrolet, Ford E-Series, boletín técnico de Bentley
• «¿Grasa en los tornillos de rueda o no?» (título de la pregunta, traducción), Mechanics Stack Exchange

Esta página explica una relación y cita instrucciones de fabricantes como ejemplos de ella. Para cualquier vehículo o unión real, el documento que rige es la especificación de ese fabricante, no esta página.

Este artículo no pertenece a un solo paso de los seis: abarca varios o aparece después del montaje. Las decisiones se explican en el artículo inglés Specifying a screw.

Preguntas frecuentes

¿Cuánto cambia el aceite la fuerza de apriete al mismo par?

En un M8x1,25 cuyo coeficiente de rozamiento baja de 0,15 a 0,08, el mismo par da 1,70 veces la precarga, alrededor de un 70 % más. Con el factor de tuerca simplificado, la guía de diseño de la NASA cita aproximadamente 0,20 en seco frente a 0,11 a 0,15 lubricado, lo que supone un aumento del 33 % al 82 %. No hay una cifra universal única porque depende de las condiciones de rozamiento que se comparen.

¿Debo poner grasa en los tornillos de rueda?

Para los turismos corrientes, los fabricantes que consultamos dicen que no. Toyota prohíbe la grasa en tornillos y tuercas de rueda y cita el exceso de apriete y los daños en el tornillo o la rueda. El procedimiento de taller de BMW indica no aplicar aceite a los tornillos de rueda. SEAT exige roscas limpias y libres de aceite y grasa. El documento que rige es la especificación del fabricante de su vehículo, no una regla general.

¿Hay casos en los que se especifica lubricación?

Sí, y son instructivos. Los camiones medianos de Chevrolet especifican dos gotas de aceite SAE 30 en la rosca del extremo del espárrago y en la interfaz entre tuerca y arandela, y la cifra de par corresponde a ese estado lubricado. Las tuercas de dos piezas de la Ford E-Series llevan una gota de aceite entre el cuerpo de la tuerca y la arandela flotante, mientras que las roscas deben quedar secas. BMW engrasa la superficie de centrado de la rueda, pero no los tornillos. La regla es lubricar exactamente donde lo diga la especificación, porque el par se calibró con esa lubricación presente.

¿Qué falla realmente si los tornillos tienen exceso de tensión?

La fluencia del espárrago y el aplastamiento del asiento son estados límite paralelos y no una secuencia, y cuál llega primero depende de la resistencia del espárrago, la geometría del asiento y el material de la rueda. La SAE J2315 especifica la resistencia del asiento de la tuerca de rueda como límite de diseño independiente. La fatiga sigue a cualquiera de los dos: el alargamiento permanente, un asiento dañado o la relajación por asentamiento cambian la fuerza de apriete residual y la tensión cíclica.

¿La grasa hace que las tuercas de rueda se aflojen al circular?

Eso no se deduce de la relación entre par y tensión. Un par de aflojamiento menor significa menos rozamiento, lo cual no es lo mismo que autoaflojamiento. Toyota advierte de que la grasa puede hacer que las tuercas se aflojen, pero no encontramos base experimental para situar ese mecanismo por delante del exceso de tensión y el daño en el asiento, y los trabajos de la NTSB sobre desprendimiento de ruedas encontraron tanto apriete insuficiente como excesivo, y atribuyeron las roturas de espárragos a fatiga tras un apriete incorrecto.