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Es importante el nivel correcto de flexión/compresión

Juntas EMC planas, topes de compresión y análisis Montecarlo

Gerard Young, Ingeniero Aplicacion en Parker Chomerics

23/06/2025
Al diseñar una disposición de sellado EMC (compatibilidad electromagnética), lo mejor suele ser especificar una junta en una ranura, normalmente una junta tórica u otro perfil estándar. Sin embargo, en algunas aplicaciones, el uso de este tipo de junta no es posible y las juntas planas se convierten en la opción preferida. En tales casos, la correcta gestión de la deflexión de la junta bajo compresión es de vital importancia para maximizar su eficacia y vida útil.
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Las juntas planas vienen en una variedad de materiales que ofrecen diferentes propiedades y rendimiento. A primera vista, esto es simple: fabrique la junta, coloque los sujetadores y realice el montaje. Por desgracia, no es tan fácil, sobre todo cuando la junta es en su mayor parte de goma y algunas zonas de la misma tienen una sección transversal relativamente pequeña.

Tomemos el ejemplo habitual de las juntas MIL-DTL-38999 de tamaño pequeño, que suelen tener 0,81 mm de grosor y un gran orificio central de 15-25 mm de diámetro y cuatro orificios para tornillos de fijación de unos 3 mm de diámetro. Son muchos los factores que deben examinarse detenidamente para garantizar una aplicación óptima, entre ellos el nivel correcto de flexión/compresión.

Figura 1: junta de conector típica
Figura 1: junta de conector típica.

El manual de elastómeros conductores de Chomerics indica que una junta plana CHO-SEAL® 1285 debe desviarse entre el 5 % y el 15 % de su grosor inicial, que en este caso es de 0,81 mm con una tolerancia de ± 0,13 mm. Además de esta tolerancia algo grande, que resulta del proceso de moldeado de la lámina, otra consideración crítica es el módulo de elasticidad de estos productos, que generalmente es de alrededor de 1-2 MPa. Además, el módulo de compresión de la junta se relaciona con su factor de forma y generalmente está en la región de 30 a 50 MPa. Esto se convierte en un índice de elasticidad mediante la fórmula K =AEc/t, que para la junta del conector de la figura 1 es de unos 10 500 N/mm. Donde K es el índice de elasticidad en N/mm A es el área en mm² Ec es el módulo de compresión en N/mm² y t es el espesor en mm. (Gent, Engineering with Rubber, capítulo 8, 2012).

Teniendo en cuenta que el área de la junta es de unos 250 mm² y que los tornillos utilizados para fijar el conector probablemente sean M2.5, el par para fijar dicho tornillo será de alrededor de 0,6 Nm. Usando la aproximación T = 0,2Fd, siendo F = 1200 N, cuatro tornillos M2.5 proporcionan una carga de aproximadamente 4800 N. Dado el módulo de compresión calculado, esta carga desviará la junta alrededor de 0,45 mm, que es mucho más de lo que se requiere para comprimir la junta en un máximo de 15 %.

Saque todos los topes

Por lo tanto, es necesario considerar el uso de topes de compresión, que soportarán el exceso de carga al alcanzar el 15% de deflexión. Estos topes, normalmente fabricados en aluminio de las series 5000 o 6000, tienen un módulo de compresión de alrededor de 70 GPa o 70 000 N²/mm. Por lo tanto, incluso con solo cuatro topes de compresión de 2 mm de diámetro, hay un área más que suficiente para proporcionar un método sólido de evitar la deflexión excesiva de la junta.

Una deflexión nominal del 10 % en una junta de 0,81 mm equivale a una altura de tope de 0,729 mm ± 0,05 mm. Sin embargo, hay otro problema: la tolerancia en la lámina de material de goma es de ± 0,13 mm, lo que podría dar lugar a un rango de deflexión de -14 % a + 27,5 % en el peor de los casos. Entonces, ¿cómo es posible superar este problema?

Pues bien, sinceramente, el escenario de máximo y mínimo espesor de la lámina prácticamente nunca se da, por lo que lo que se necesita es una herramienta de predicción que minimice la probabilidad de que la junta se deforme en exceso o en defecto en la mayoría de los casos.

Análisis de Montecarlo

Como en prácticamente todos los problemas indeterminados, recurrir a la estadística y a una hoja de cálculo resultará útil, en este caso concreto mediante la aplicación de un análisis de Montecarlo. Calculando la media y la desviación estándar del espesor del tope de compresión y de la junta, y realizando a continuación algunos cientos de simulaciones utilizando combinaciones aleatorias del espesor del tope de compresión y del espesor de la junta, es posible ver la probabilidad de que se produzca una compresión excesiva o insuficiente.

La tabla siguiente se basa en las tolerancias de las láminas de Chomerics del catálogo de la empresa.

Grosor de la lámina/mm Tolerancia de la lámina ± mm Tol como % del grosor de la lámina Desviación estándar
0,51 0,1 19,61% 0,017
0,81 0,13 16,05% 0,022
1,14 0,15 13,16% 0,025
1,57 0,18 11,46% 0,030
2,36 0,25 10,59% 0,042
3,18 0,25 7,86% 0,042

 

Fig. 2: Tolerancias de grosor de la lámina CHO-SEAL® estándar de Chomerics.

Como se muestra en la Figura 2, el objetivo de desviar una junta de 0,81 mm de grosor entre el 5% y el 15% de su grosor presenta un problema, ya que la tolerancia es de ± 0,13 mm o ± 16%. Un problema similar es evidente con las paradas de compresión, pero gracias a los procesos de fabricación que normalmente se llevan a cabo de acuerdo con la norma ISO 2768-fH, no son tan pronunciadas.

 

Grosor del tope Tolerancia de detención ± mm Tol como % de antigüedad del grosor de la parada SD
0,4 0,05 12,50% 0,0083
0,7

0,05

7,14% 0,0083
1

0,05

5,00 % 0,0083
1,3

0,05

3,85% 0,0083
1,6

0,05

3,13% 0,0083
1,9

0,05

2,63% 0,0083
2,2

0,05

2,27% 0,0083
2,5

0,05

2,00% 0,0083
2,8

0,05

1,79 % 0,0083
3,1

0,05

1,61% 0,0083

 

Fig. 3: Tolerancias de grosor del tope de compresion.

Para ser claros, en ambos casos la SD de las juntas y los topes es la tolerancia dividida por 6, lo que da 6σ a cada lado de la media. Como se mencionó anteriormente, aplicar la deflexión nominal del 10% a una junta de 0,81 mm requiere una altura del tope de compresión de 0,729 mm. La ejecución del análisis de Montecarlo para 500 simulaciones produjo los datos de la Figura 4.

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Fig. 4: Gráfica de cajas y bigotes e histograma de dimensiones nominales y tolerancias
Fig. 4: Gráfica de cajas y bigotes e histograma de dimensiones nominales y tolerancias.

Como se muestra, la mayoría de las simulaciones se producen dentro del rango de deflexión del 5% al 15 % con alrededor de un 1,6% ligeramente por encima de la deflexión recomendada y aproximadamente un 3,4% por debajo de la deflexión recomendada. La mayor deflexión no debería ser un problema en la aplicación, aunque no se puede decir lo mismo de la deflexión mínima, que alrededor del 1% podría resultar problemática. Como resultado, es necesario ajustar la altura del tope de compresión o su tolerancia, o ambas.

Resulta que no existe una solución perfecta en este caso de uso, por lo que reducir ligeramente la altura del tope y ajustar la tolerancia representa la mejor acción posible para minimizar la deflexión excesiva o insuficiente. Con el tope de compresión colocado, una altura del tope de compresión nominal de 0,715 mm con una tolerancia de ± 0,03 mm dará como resultado un diseño con una deflexión máxima de alrededor del 18% y un mínimo del 4%. Seguirá habiendo algunos casos de compresión extremadamente baja (de aproximadamente el 1 %), pero serán pocos y distantes entre sí.

Incluso en este escenario, el análisis del peor de los casos proporciona un rango de deflexión de -9% a + 27%. Sin embargo, volver a tratar el problema con una junta de 1,14 mm de grosor, un tope de compresión de 1 mm y una tolerancia de 0,03 mm permite (dentro de la práctica) eliminar toda la deflexión y reducir la probabilidad de una sobrecompresión significativa al mínimo, incluso aunque el análisis del peor de los casos aquí proporciona un rango de deflexiones del -4% al + 25%.

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Fig. 5: Gráfica de caja y bigotes e histograma para una junta de 1,14 mm de grosor
Fig. 5: Gráfica de caja y bigotes e histograma para una junta de 1,14 mm de grosor.

Negar el problema de la tolerancia

Ahora bien, como se mencionó al principio del artículo, las tolerancias bastante grandes asociadas con estas juntas planas son el resultado del moldeado de grandes láminas de materia prima. La tolerancia para la goma de 0,81 mm de grosor es de ± 0,13 mm. Sin embargo, un componente moldeado a medida del mismo tamaño que la junta del conector viene con una tolerancia de ± 0,08 mm.

Al volver a considerar la junta de 0,81 mm como un componente moldeado con varias cavidades, se obtiene el intervalo de análisis del peor de los casos de -4% a + 21,5% de deflexión. En las simulaciones con el tope de 0,729 mm nominal y una tolerancia de ± 0,03 mm, la probabilidad de que una junta esté insuficiente o demasiado desviada se vuelve excesivamente pequeña.

Experiencia y asesoramiento

Si bien es perfectamente posible fabricar una pieza moldeada a medida con topes de compresión, esto puede resultar caro y, a menudo, los volúmenes no justifican el coste añadido. El uso de una lámina de goma estándar como CHO-SEAL® es, por supuesto, mucho más rentable, pero se necesitan cálculos y modelos de predicción cuidadosos para garantizar el mejor resultado posible. Parker Chomerics cuenta con décadas de experiencia en soluciones estándar y personalizadas, lo que ayuda a los clientes a identificar la mejor manera de lograr el resultado óptimo para sus aplicaciones específicas.

Si bien este artículo se ha centrado en las juntas planas y los topes de compresión, se puede utilizar la misma técnica de Montecarlo para las juntas de una ranura, y se pueden añadir más variables si es necesario si estos son parámetros de diseño críticos.

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