Guía de selección de bisagras dinamométricas: Cómo calcular el par de apriete adecuado

Las bisagras de torsión (también llamadas bisagras de fricción) introducen una amortiguación controlable y un par de retención en una junta rotacional. Permiten que una cubierta, pantalla o puerta mantenga su posición en cualquier ángulo sin retroceso por muelle y garantizan un tacto uniforme durante la apertura y el cierre.
En ordenadores portátiles, puertas de servicio de equipos industriales, brazos de pantallas médicas e instrumentos de precisión, estas bisagras afectan directamente a la calidad, la vida útil y la seguridad de la HMI.
Este artículo proporciona métodos prácticos de cálculo del par de apriete, un flujo de trabajo de selección y aspectos esenciales del material/proceso, e incluye números de normas técnicas relacionadas para agilizar la alineación durante las revisiones de planos y la comunicación con los proveedores.

Principios básicos de las bisagras de torsión

Definición y significado físico del par

Par T: el producto de la fuerza y el momento brazo. Unidad: N-m (véase ISO 80000-4:2019cantidades y unidades en mecánica).

En una estructura de bisagra, la gravedad genera un momento gravitatorio a través de la distancia perpendicular al eje de rotación; el par de fricción interno de la bisagra produce un par de fricción. El equilibrio entre ambos determina si la pieza mantiene su posición.

Mecanismo de funcionamiento de las bisagras de fricción

Internamente, son habituales las placas de fricción apiladas o los elementos elásticos precargados, que forman una amortiguación constante o casi constante.

Ángulo de sujeción: cuando el par de fricción ≥ par de perturbación externa (gravedad, vibración, fuerza de accionamiento), el ángulo se "bloquea" de forma estable.

Factores que influyen: emparejamiento de materiales de fricción (acero inoxidable/bronce al fósforo/plásticos de ingeniería), rugosidad superficial (Ra), precarga y resistencia al desgaste.

Pruebas pertinentes:

• ISO 4287/4288 (parámetros de rugosidad superficial y evaluación)
• ASTM G99 (prueba de desgaste pin-disk, evaluación de las tendencias de desgaste de los pares de fricción)

Clasificación y características de las bisagras de torsión

Por forma estructural

• Bisagra de torsión unidireccional: proporciona amortiguación principal en un sentido de giro; adecuado para cubiertas abatibles y puertas de servicio.
• Bisagra de torsión bidireccional: Amortiguación similar en ambas direcciones; adecuado para pantallas y sujeción multiángulo.
• Indexado/paso a paso: "clics" en ángulos fijos; se utiliza para el posicionamiento repetible o la alineación de puntos de referencia de montaje.
• No indexado: amortiguación continua en toda la carrera con un tacto suave.

Por campo de aplicación

• Electrónica: portátiles/tabletas/consolas centrales de automóviles; hace hincapié en la ligereza, el tacto y la durabilidad.
• Médico/industrial: brazos de visualización, puertas de servicio, cubiertas de blindaje; hace hincapié en la estabilidad y la robustez medioambiental.
• Muebles/puertas: puertas de armario, tapas de caída suave; hace hincapié en la seguridad y el bajo nivel de ruido.

Tipo Comparación de prestaciones

Tipo	Rango de par típico*	Ángulo ajustable	Vida (ciclos)	Entornos adecuados
Unidireccional	0,2-8 N-m	Medio	10k-50k	General, cubiertas
Bidireccional	0,1-6 N-m	Alta	20.000-100.000	Pantallas/HMI
Indexado	0,5-10 N-m	Escalonado	20k-50k	Posicionamiento industrial
Sin indexar	0,1-5 N-m	Alta	20.000-100.000	Electrónica de consumo

* Los valores reflejan los rangos habituales en la industria. Utilice los catálogos de proveedores y las pruebas de prototipos para conocer los valores exactos (la vida útil y las distribuciones hacen referencia al enfoque de clasificación en ANSI/BHMA A156.1 para bisagras de puertas; los proveedores de electrónica de consumo suelen proporcionar sus propias especificaciones de vida útil).

Parámetros clave para la selección de bisagras de torsión

Cantidades básicas necesarias para el diseño

• Peso W: en newtons (N). Si la masa m convertir con W = m×gcon g ≈ 9,81 m/s².
• Brazo de momento L: distancia perpendicular del centro de gravedad al eje de rotación (metros).
• Ángulo θ: ángulo relativo a la dirección de la gravedad; determina la componente del momento gravitatorio.
• Número de bisagras n y su distribución: determina la cuota de par por bisagra y la estabilidad del soporte.
• Entorno de uso: vibraciones, temperatura/humedad, polvo, exposición a productos químicos.

Fórmula de cálculo del par

Básico:
T_req = W × L × sen θ

Múltiples bisagras que comparten la carga (supuesto de reparto equitativo, instalación simétrica):
T_per = T_req / n

Errores comunes

• Utilizar la masa directamente como peso, lo que lleva a subestimar el par.
• En L como centro geométrico en lugar de la distancia perpendicular del centro de gravedad al eje.
• Ignorando la variación del ángulo: θ cambia a lo largo de la carrera; el pico suele producirse cerca de la horizontal.
• Suponiendo un reparto perfecto de la carga, sin tener en cuenta la desviación del montaje ni las diferencias de fricción.

Factor de seguridad

Factor de seguridad recomendado SF = 1,2-1,5.
T_design = SF × T_req

El par de diseño define el rango de selección; el tacto y la sujeción deben verificarse mediante pruebas de prototipos.

La medición del par y la calibración pueden hacer referencia ISO 6789 (calibración manual de herramientas dinamométricas) y ISO/IEC 17025 (competencia de calibración de laboratorio).

Ejemplos de cálculo para distintas aplicaciones

Todos los escenarios utilizan el peso W (N)brazo de momento L (m)y ángulo θ (°). Se dan las condiciones de pico, y SF = 1,3 para obtener el par de diseño.

Pantalla del portátil

Condiciones: masa del módulo de visualización 0,45 kg → W = 0,45 × 9,81 = 4,415 N; L = 0,10 m del centro de gravedad al eje.

Ángulo clave: alrededor de la horizontal, sin θ ≈ 1.

Par de apriete requerido: T_req = 4,415 × 0,10 = 0,4415 N-m.
Par de diseño: T_diseño = 0,4415 × 1,3 = 0,574 N-m.
Dos bisagras, a partes iguales: por objetivo bisagra T_per ≈ 0,29 N-m.

Optimización: Dar forma a la curva del ángulo de fricción (más bajo al principio, más alto cerca de la horizontal, disminuyendo después) para mejorar el tacto.

Cubierta de servicio para equipos industriales

Condiciones: masa de recubrimiento 3,0 kg → W = 29,43 N; L = 0,18 m.

Segmento horizontal: sin θ = 1.

Par de apriete requerido: T_req = 29,43 × 0,18 = 5,30 N-m.
Par de diseño: T_diseño = 6,89 N-m.
Dos bisagras: por bisagra ≈ 3,45 N-m.

Notas sobre el escenario: con vibraciones de alta frecuencia o salpicaduras de polvo/sal en el exterior, elija una precarga mayor y materiales más resistentes a la corrosión (consulte los materiales y normas más abajo).

Para entornos con vibraciones de alta frecuencia o salpicaduras de polvo/sal en exteriores, se recomienda consultar IEC 60068-2-6 o IEC 60068-2-64 para la verificación de vibraciones; realizar ensayos de corrosión por niebla salina según ISO 9227y, si se requiere protección contra el polvo, siga las siguientes instrucciones IEC 60068-2-68.

Brazo de visualización médica (articulación múltiple)

Junta A (cerca de la base): lleva toda la masa del brazo y los periféricos.
Junta B (ajuste fino final): lleva la parte de la pantalla.

Enfoque de apilamiento: modelar cada articulación de forma independiente y superponer los efectos periféricos; tomar el pico local de cada articulación.

Ejemplo: pantalla final 2,5 kg → W = 24,53 N, L = 0,12 msegmento horizontal T_req = 2,94 N-m, T_design = 3,82 N-m.

Recomendaciones sobre el entorno médico: compatibilidad material-limpiador, baja emisión de partículas, vida útil ≥ 50k-100k ciclos; realizar ciclos de temperatura y pruebas de limpieza química (ver IEC 60068-2-14 ciclos de temperatura).

Efectos de los materiales y los procesos de fabricación en el par motor

Materiales y características comunes

Material	Ventajas	Riesgos/Notas	Normas relacionadas
Acero inoxidable (SUS304/316)	Solidez + resistencia a la corrosión	Desgaste por rozamiento, mayor coste	ISO 9227 niebla salina; ISO 3506 fijaciones
Aleaciones de aluminio (6061/6063)	Ligero, extrudible	Baja dureza superficial; necesita anodizado	ISO 7599 anodizado; ISO 2081 Zincado (acero)
Plásticos técnicos (POM/PA+GF/PTFE)	Baja fricción, silencioso	Deriva térmica, fluencia	UL 94 inflamabilidad; datos de fricción del proveedor

Los emparejamientos por fricción deben ser estables: acero-PTFE, acero-POM, bronce fosforoso-acero inoxidable, etc.

Riesgo de corrosión: para exteriores o entornos químicos, utilizar 316L, revestimientos anódicos duros o revestimiento en polvo; realizar pruebas de niebla salina y calor húmedo cíclico.

Fabricación y montaje

• Rugosidad de la superficie: placas de fricción recomendadas Ra 0,2-0,8 μm para una fricción estable.
• Holgura y coaxialidad: controlar las desviaciones para evitar el "sobreesfuerzo" de una bisagra.
• Consistencia de par: inspección de entrada + comparación antes/después de las pruebas de vida útil; calibres trazables según ISO 6789 o a través de laboratorios acreditados ISO/IEC 17025.

Flujo de trabajo de selección y recomendaciones de ingeniería

Pasos de selección rápida (listos para pegar en las listas de control de diseño)

• Definir la orientación de la instalación, el rango de rotación y la condición de ángulo máximo.
• Calcule T_req = W × L × sen θ pico.
• Establecer SF y obtener T_design.
• En función del número de bisagras y de la disposición, obtenga el objetivo por bisagra T_per.
• Elija el modelo o modelos de bisagra cuyo rango de par/forma de curva coincida (unidireccional/biodireccional, indexado/no indexado).
• Verificación del prototipo: tacto, sujeción, holgura, deriva térmica y vida útil.
• Registre los valores medidos frente a los diseñados y escriba de nuevo la lista de materiales y las anotaciones 2D/3D.

Problemas comunes y soluciones

• Par demasiado alto, funcionamiento pesado
  Reducir la precarga; elegir una curva dependiente del ángulo; añadir muelles de asistencia/puntales de gas.
• Par demasiado bajo, hundimiento o retroceso por muelle
  Aumentar el grado de torsión; añadir bisagras; optimizar el centro de gravedad o acortar el brazo de momento.
• Las variaciones de temperatura provocan la deriva del tacto
  Utilizar pares de fricción de baja temperatura y deriva; verificar por IEC 60068-2-1/-2 (baja/alta temperatura) y -2-14 (ciclos de temperatura).
• Efectos de la corrosión/limpieza
  Utilizar 316L, anodizado duro o níquel químico; verificar según ISO 9227; realizar pruebas de compatibilidad de materiales con limpiadores.

FAQ (datos estructurados)

P1: ¿Utilizar la masa o el peso durante la selección?
Utilice peso W (N). Si tiene masa m (kg), convert with W = m×g.

P2: ¿Por qué el pico suele producirse cerca de la horizontal?
Porque sin θ es igual a 1 en θ = 90°. En este punto, el momento brazo de la gravedad alrededor del eje es máximo, y el par alcanza su punto máximo.

P3: ¿Dos bisagras comparten perfectamente la carga por igual?
No perfectamente. El sesgo de montaje y las diferencias de fricción provocan un reparto desigual. Dejar márgenes de seguridad en la selección y las tolerancias.

P4: ¿Cómo equilibrar "sensación de ligereza" y "sujeción fuerte"?
Utilice una curva de par dependiente del ángulo o un esquema compuesto (bisagra de fricción + puntal de gas/muelle de torsión) para proporcionar un mayor par de sujeción en ángulos críticos.

P5: ¿Cómo evitar la corrosión de los equipos de exterior?
Elija 316L o anodizado duro/níquel sin electrolito; realice la niebla salina ISO 9227; añada calor húmedo cíclico y envejecimiento UV si es necesario.

Conclusión

Calcule primero y verifique después.
Utilice T = W × L × sen θ para encontrar el pico; utilice SF = 1,2-1,5 para fijar el par de diseño; seleccione el tipo estructural y los materiales en función del escenario.
Escriba la curva ángulo-par, la vida útil y las pruebas ambientales en planos y especificaciones. Elabore el plan de validación en función de las normas anteriores.
Si lo hace, las cubiertas no se hundirán, las pantallas aguantarán, el mantenimiento será más seguro y la producción en serie será más estable.