Los resortes son componentes mecánicos que están diseñados para almacenar y liberar energía cuando se comprimen, estiran o tuercen. Por lo general, están hechos de materiales como aceros o aleaciones especializadas y se fabrican mediante procesos que incluyen bobinado, tratamiento térmico, rectificado, recubrimiento y acabado. Los resortes sirven para diversos propósitos, como absorción de impactos, amortiguación de vibraciones y movimiento controlado en maquinaria. Además, son componentes versátiles e integrales de la vida diaria, que permiten viajes más suaves con suspensión de automóvil, cronometraje preciso en relojes y comodidad y soporte en muebles.
Algunos resortes se fabrican a medida para adaptarse a aplicaciones precisas, mientras que otros se producen en masa para funciones generales. Si su aplicación exige un tipo particular de resorte, es importante determinar el tipo exacto que se necesita. En este artículo, profundizaremos en cómo funcionan los resortes, exploraremos los distintos tipos de resortes y sus aplicaciones y consideraremos cómo seleccionar los resortes adecuados para sus proyectos.
Principio de funcionamiento de la primavera
Los resortes están diseñados para deformarse cuando se aplica una fuerza, almacenando energía en el proceso. Esta deformación genera una fuerza de restauración que se libera una vez que se elimina la fuerza, lo que permite que el resorte vuelva a su forma y tamaño originales. La ley de Hooke explica este comportamiento.
La Ley de Hooke es un principio fundamental de la física que describe la relación entre la deformación de un material elástico (particularmente un resorte) y la fuerza que se le aplica. Fue formulado por el científico inglés Robert Hooke a finales del siglo XVII.
Matemáticamente, la Ley de Hooke se expresa como:
F = -kx
El signo negativo indica que la fuerza restauradora ejercida por el resorte es en dirección opuesta al desplazamiento provocado por una fuerza externa.
"F" es una fuerza aplicada al resorte.
"k" es la constante del resorte, que cuantifica la rigidez del resorte. En los resortes lineales, "k" depende de factores como el diámetro del alambre, el diámetro de la bobina y el número de bobinas. Por el contrario, en los resortes de torsión, "k" está influenciado por el ángulo de torsión (el ángulo de torsión, típicamente en radianes) y la longitud del brazo (la distancia desde el punto de aplicación de la fuerza hasta el eje de torsión).
"x" representa el desplazamiento; para resortes lineales, es la distancia estirada o comprimida desde la posición de equilibrio, y para resortes de torsión, es el ángulo de torsión.
Tipos de resortes y sus aplicaciones
Los resortes se clasifican fundamentalmente en tres tipos básicos: mecánicos, de gas y neumáticos. Los resortes de gas utilizan gas sellado comprimido para generar fuerza, que se encuentran comúnmente en portones traseros de automóviles y respaldos de sillas ajustables. Las cámaras de aire, por otro lado, utilizan aire comprimido para absorber impactos y cargas, y normalmente se utilizan en los sistemas de suspensión de automóviles y camiones.
Este artículo se centrará principalmente en los resortes mecánicos, el tipo más común que se encuentra en casi todos los dispositivos de consumo y equipos industriales, que se dividen en tres subcategorías: helicoidales, de disco y de hoja. Empecemos por los resortes helicoidales.
Categoría uno: resortes helicoidales
Los resortes helicoidales, también conocidos como resortes helicoidales, generalmente se fabrican utilizando máquinas enrolladoras de resortes enrollando alambre para crear una forma helicoidal. Estos resortes son muy elásticos y flexibles, lo que les permite absorber impactos y mantener la fuerza en una amplia gama de condiciones de carga.
1. Resortes de compresión
Los resortes de compresión son resortes de espiral abierta con un diámetro de espira y espacio entre las espiras constantes. Sólo se pueden comprimir a lo largo de su dirección axial. Para mantener una distribución uniforme de la fuerza y garantizar un montaje estable, los extremos de estos resortes suelen estar sujetos a un rectificado de precisión. Las aplicaciones típicas incluyen colchones, válvulas, bolígrafos y básculas.
2. Resortes de extensión
Los resortes de extensión son resortes fuertemente enrollados diseñados para resistir fuerzas de estiramiento o tracción. Los extremos de estos resortes generalmente tienen forma de bucles o ganchos para facilitar la unión a otros componentes. El el mecanizado CNC se utiliza para crear estas formas de extremos complejas, especialmente para resortes personalizados, de alta resistencia o para fines especiales. Las aplicaciones comunes incluyen puertas de garaje, básculas y suspensiones de automóviles.
3. Resortes de torsión
Los extremos de un resorte de torsión están fijados a otros componentes, y cuando estos componentes giran alrededor del centro del resorte, el resorte los devuelve a sus posiciones iniciales, generando un par o fuerza de rotación. Este tipo de resorte se utiliza en bisagras, contrapesos, cierrapuertas y puertas de garaje.
Los resortes en espiral, también conocidos como resortes de reloj o resortes helicoidales planos, son un tipo específico de resorte de torsión. Se fabrican enrollando tiras de metal rectangulares en espirales planas y son capaces de almacenar y liberar energía a un ritmo constante. Debido a su capacidad de liberar energía continuamente, los resortes en espiral son especialmente adecuados para relojes mecánicos, juguetes y sillones reclinables.
Categoría dos: resortes de disco
Los resortes de disco generalmente se producen mediante un proceso de estampado de alta precisión a partir de láminas planas de metal. Su forma cónica permite apilarlos en varias configuraciones para lograr características específicas de fuerza-deflexión. Por lo tanto, se prefieren en aplicaciones que requieren mucha fuerza en espacios limitados.
1. Belleville Springs
Los resortes Belleville presentan un diseño cónico estándar con una abertura central, más gruesos en los bordes y más delgados en el centro. Debido a sus altas tasas de resorte y capacidades de carga en una configuración compacta, se usan comúnmente como herramientas mecánicas, válvulas, embragues y disyuntores.
2. Resortes de disco curvos
Los resortes de disco curvos también se conocen como arandelas de media luna. Tienen una curvatura que hace que sufran una trayectoria de deformación predeterminada bajo cargas axiales. Estas características de carga no lineal les permiten ser ampliamente utilizadas en componentes de regulación de válvulas de seguridad y válvulas de control de presión, que requieren una respuesta flexible y un control progresivo.
3. Muelles de disco ranurados
Los resortes de disco ranurados se caracterizan por tener ranuras en su diámetro exterior o interior, lo que permite una mayor expansión lateral durante la compresión. A medida que aumenta la compresión, la rigidez del resorte generalmente disminuye, lo que resulta en una respuesta más suave. Además, la respuesta de carga de estos resortes muestra variaciones no lineales en diferentes etapas de compresión, lo que los hace ideales para aplicaciones que exigen un control preciso sobre la fuerza y el desplazamiento. Estos resortes se usan comúnmente en transmisiones automáticas para facilitar cambios de marcha suaves y en acopladores de sobrecarga para proteger contra cargas excesivas ajustando dinámicamente la rigidez.
4. Resortes de disco ondulado
Los resortes de disco ondulado presentan una forma ondulada con múltiples ondas por bobina. Este diseño único les permite absorber una cantidad significativa de compresión axial en una forma muy compacta, lo que les permite ofrecer la misma fuerza que los resortes helicoidales tradicionales pero en un espacio más pequeño. Además, ofrecen una carga progresiva, lo que significa que la fuerza ejercida por el resorte aumenta gradualmente a medida que se comprime. Esta característica es particularmente ventajosa en aplicaciones que requieren una gestión de carga precisa dentro de conjuntos compactos, como conjuntos de válvulas, dispositivos electrónicos y maquinaria liviana.
Categoría tres: ballestas
Las ballestas son placas largas y estrechas dispuestas en capas o pilas, que normalmente se fabrican cortando y luego dando forma mediante conformado en caliente o doblado en frío. Conocidas por su construcción robusta y su capacidad para manejar cargas muy pesadas, las ballestas han sido un componente esencial de los sistemas de suspensión de vehículos durante muchos años. Sin embargo, con los avances en materiales y tecnología, los sistemas de suspensión modernos, como las suspensiones neumáticas, están comenzando a reemplazar los sistemas tradicionales de ballestas en algunas aplicaciones.
1. Muelles mono-ballesta
Los resortes de una sola hoja, también conocidos como resortes de una sola hoja, están construidos a partir de una sola pieza de metal gruesa que se estrecha desde el centro hasta los extremos. Este diseño permite que el resorte sea más liviano y al mismo tiempo pueda soportar cargas importantes. Además, generalmente son más fáciles y económicos de fabricar e instalar. Los resortes mono-ballesta se utilizan tanto en vehículos ligeros como pesados, pero son particularmente preferidos en vehículos de alto rendimiento y vehículos comerciales ligeros.
2. Resortes de múltiples hojas
Los resortes de múltiples hojas constan de varias capas de hojas de metal apiladas una encima de otra, generalmente graduadas en longitud. Cada hoja está diseñada para soportar una parte de la carga, y las hojas trabajan juntas para distribuir la carga de manera más uniforme a lo largo del resorte. En consecuencia, los resortes de múltiples hojas están mejor equipados para soportar cargas más pesadas y ofrecen mayor durabilidad que los resortes de una sola hoja. También exhiben capacidades superiores de absorción de impactos y distribución de carga. Estos atributos hacen que se utilicen habitualmente en vehículos más pesados, como camiones, furgonetas y SUV.
Materiales utilizados para hacer resortes
Los resortes suelen estar hechos de metales, aunque a veces se adoptan materiales compuestos y caucho. A continuación, nos centraremos en los materiales metálicos utilizados habitualmente para fabricar muelles.
Acero con alto contenido de carbono
El acero con alto contenido de carbono contiene una mayor proporción de carbono (normalmente entre 0,6% y 1,5%), lo que le confiere una gran dureza y resistencia. Esto le permite soportar cargas pesadas y altas presiones. También tiene una alta resistencia a la fatiga y al desgaste, que son cruciales para los resortes que pasan por numerosos ciclos de compresión y liberación. Sin embargo, es más frágil y propenso a la corrosión.
Acero de baja aleación
El acero de baja aleación es un tipo de acero cuyo contenido total de elementos de aleación es inferior al 5%. Comúnmente contiene elementos como níquel, cromo y molibdeno, que mejoran propiedades mecánicas como la resistencia y la tenacidad. Esto permite que los resortes fabricados con acero de baja aleación resistan mayores cargas sin romperse. Además, el acero de baja aleación ofrece una mejor resistencia a la corrosión que el acero al carbono y es más rentable que el acero inoxidable.
Acero inoxidable
El acero inoxidable, un acero de alta aleación que contiene al menos un 10,5 % de cromo, es ideal para fabricar resortes utilizados en entornos hostiles expuestos a la humedad, productos químicos o sal. La adición de otros elementos de aleación como níquel, molibdeno y manganeso mejora su resistencia, resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga. Además, el acero inoxidable funciona bien tanto en temperaturas altas como bajas, lo que lo hace muy adecuado para resortes que funcionan en ambientes con temperaturas variables.
Aleaciones de níquel
Las aleaciones de níquel poseen una excelente resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, al tiempo que mantienen una buena resistencia mecánica. Son la mejor opción para fabricar resortes que requieren un alto rendimiento en condiciones ambientales extremas.
Aleaciones de cobre
Las aleaciones de cobre poseen una excelente conductividad eléctrica y térmica, así como resistencia a la corrosión, y son fáciles de moldear. Se utilizan comúnmente para fabricar resortes para aplicaciones que requieren una conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión superiores, como contactos y conectores de baterías.
Titanio
El titanio es el preferido por su baja densidad y alta resistencia, pero es particularmente valorado en el campo médico por su biocompatibilidad. También puede soportar cargas elevadas en entornos extremos, lo que hace que los resortes de titanio se utilicen habitualmente en equipos deportivos de alto rendimiento y componentes aeroespaciales.
Cuando se fabrican resortes, los materiales metálicos mencionados anteriormente generalmente necesitan someterse a una serie de tratamientos para mejorar su rendimiento y durabilidad:
Estirado en frío: Mejora la estructura cristalina del material, potenciando su resistencia a la tracción y a la fatiga.
Tratamiento térmico:
Temple y Revenido: A common heat treatment process that involves heating the metal to a specific temperature, then rapidly cooling it (quenching), followed by moderate reheating (tempering). This process enhances the toughness and wear resistance of the metal.
Enfriamiento con aceite: Involves cooling the heat-treated metal in oil to improve the spring's fatigue resistance and elasticity.
Endurecimiento bainita: A special heat treatment process that controls the cooling rate to form a bainitic microstructure, enhancing the material’s strength and toughness.
Tratamiento de superficie: los resortes a menudo se tratan con zinc, níquel o cromo para evitar la oxidación y prolongar su vida útil. Alternativamente, se emplean mejoras en la calidad de la superficie, como el pulido con chorro de arena o el pulido, para reducir la aparición de grietas por fatiga.
Alivio del estrés: Al calentar moderadamente y luego permitir que el material se enfríe de forma natural, este proceso elimina eficazmente las tensiones internas generadas durante la fabricación de los resortes.
Beneficios de los resortes
Los manantiales contribuyen a nuestra vida diaria de diversas maneras, otorgándonos multitud de comodidades a través de sus funciones. Estos incluyen, entre otros, los siguientes:
Amortiguación de vibraciones
La amortiguación de vibraciones tiene como objetivo reducir la intensidad y la duración de las vibraciones dentro de un sistema. Por ejemplo, en maquinaria industrial, se utilizan resortes para absorber y disipar la energía de las vibraciones, minimizando su transmisión a través de la maquinaria y sus estructuras de soporte. Esto no sólo prolonga la vida útil del equipo, sino que también mejora la seguridad y la comodidad de los operadores al reducir los niveles de ruido y mitigar la fatiga relacionada con las vibraciones. Además, la eficaz amortiguación de vibraciones mediante resortes garantiza un funcionamiento más preciso de la maquinaria industrial.
Absorción de Impactos
A diferencia de la amortiguación de vibraciones que se centra en la amplitud, la absorción de impactos tiene como objetivo específico mitigar los efectos de impactos repentinos y extremos, como colisiones o cambios rápidos de velocidad. Esto es particularmente valioso en los sistemas de suspensión de automóviles, ya que contribuye a una conducción más suave al absorber los impactos de los baches y baches de la carretera.
Provisión de fuerza y control de movimiento
Los resortes pueden generar fuerzas restauradoras para proporcionar fuerzas de empuje, tracción o compresión, controlando así el movimiento o manteniendo el equilibrio. Por ejemplo, en la vida cotidiana, los resortes se utilizan en los cierrapuertas para proporcionar la fuerza controlada necesaria para cerrar las puertas de manera suave y segura.
Apoyo y Compensación
Los resortes pueden soportar y compensar diversas cargas, equilibrándolas o ajustándolas según sea necesario. Un ejemplo común son las sillas de oficina. A medida que el usuario cambia su peso o cambia la altura de la silla, el resorte se ajusta para mantener la comodidad y brindar soporte ergonómico, compensando efectivamente los cambios en la carga y la posición.
Almacenamiento y liberación de energía
Los resortes pueden almacenar energía mediante deformación y liberarla cuando sea necesario. Esto les permite funcionar como dispositivos como baterías para almacenar y liberar energía en aplicaciones como relojes mecánicos y juguetes para conducir.
Cómo elegir el resorte adecuado para su aplicación
Elegir el resorte adecuado para su aplicación es crucial para garantizar un rendimiento y una durabilidad óptimos. A continuación se detallan algunos pasos y consideraciones detalladas para ayudarlo a seleccionar el resorte más apropiado para sus necesidades.
Seleccione el tipo de resorte
Los resortes, independientemente de los resortes helicoidales o planos, funcionan en uno de los tres escenarios que se describen a continuación. Si necesita un resorte para liberar la energía almacenada y generar un movimiento de empuje, es probable que un resorte de compresión sea su mejor opción. Para acciones de tracción, como por ejemplo, extender o retraer, es adecuado un resorte tensor. Y si se necesita movimiento rotacional o radial, los resortes de torsión suelen ser la opción preferida.
Cada tipo de resorte tiene áreas donde se utiliza con mayor frecuencia debido a las propiedades mecánicas específicas que ofrece. Por ejemplo, los resortes de extensión no son autolimitantes, ya que pueden estirarse más allá de su punto de rotura, lo cual es diferente a los resortes de compresión que se están diseñando. con un punto máximo de compresión para evitar fallas del resorte. Los resortes de extensión se utilizan principalmente en aplicaciones no críticas donde las fallas no son una preocupación importante, como trampolines y puertas de garaje. Los resortes de torsión son el tipo más común de resorte y se encuentran en artículos cotidianos como pinzas para la ropa y portapapeles, así como en sistemas más complejos como puertas de garaje y suspensiones de vehículos.
Considere los requisitos de la solicitud
Además del tipo de resorte, también se deben considerar los requisitos específicos para aplicaciones específicas.
1. Requisitos de fuerza
En primer lugar, es fundamental discernir el tipo de carga, si es estática o dinámica. Generalmente, para soportar cargas dinámicas, se necesitan materiales más duraderos o diseños especiales (como resortes progresivos) capaces de gestionar las fluctuaciones de fuerza.
En segundo lugar, es esencial determinar la fuerza máxima que soportará el resorte e incorporar un factor de seguridad (normalmente entre 1,2 y 2 veces) en los cálculos de fuerza. Esto garantiza que el resorte pueda soportar sobrecargas inesperadas y evitar fallas.
Por último, traduzca estos requisitos de fuerza en diseños de resortes específicos determinando parámetros como el diámetro del alambre, el diámetro de la bobina y el número de bobinas. Para permitir que el resorte resista mayores cargas, se pueden seleccionar diámetros de alambre más gruesos y espaciamientos más estrechos entre las bobinas para mejorar la resistencia general del resorte.
2. Evaluar las condiciones ambientales
Para aplicaciones que operan a altas temperaturas, los resortes fabricados con aleaciones a base de níquel como Inconel 600 o Inconel X-750, que ofrecen una excelente resistencia al calor, son ideales. En ambientes corrosivos, las aleaciones de titanio o los resortes de acero inoxidable son excelentes opciones debido a su resistencia a la corrosión; tratamientos superficiales adicionales como recubrimientos y granallado pueden mejorar aún más su resistencia a la corrosión y reducir la fricción. Para aplicaciones que soportan cargas elevadas, se utilizan más comúnmente resortes fabricados con materiales como acero al silicio (p. ej., AISI 5160) o acero al cromo-vanadio (p. ej., AISI 6150), conocidos por su excepcional resistencia y resistencia a la fatiga. uso, la resistencia a la fatiga es un factor primordial que debe tenerse especialmente en cuenta. Se priorizan los materiales con altos límites de fatiga y buena elasticidad, como el acero al cromo-silicio, el acero al cromo-vanadio y el acero inoxidable. Alternativamente, optimizar el diseño del resorte incorporando características como transiciones redondeadas y distribución uniforme de la bobina puede ayudar a mejorar la vida útil ante la fatiga.
3. Limitaciones de espacio
El espacio disponible dictará el tamaño del resorte y posiblemente su configuración. Por ejemplo, en comparación con los resortes tradicionales, los resortes de disco proporcionan una mayor fuerza dentro del mismo espacio axial, lo que los hace adecuados para aplicaciones con espacio limitado. Cuando el espacio es limitado en anchura pero no en longitud, como en los chasis de camiones y vagones de ferrocarril, las ballestas son ventajosas.
Stock versus personalizado
La mayor ventaja de los resortes originales radica en su disponibilidad inmediata. No necesita esperar y puede obtenerlos de inmediato. Además, generalmente son menos costosos que los resortes personalizados. Sin embargo, los resortes sirven como componentes auxiliares y deben cumplir con los requisitos específicos de diversas aplicaciones. Los resortes personalizados brindan una combinación precisa y, por lo tanto, son populares en muchas aplicaciones. Si opta por resortes personalizados, es importante elegir un fabricante acreditado que cumpla con los estándares y las mejores prácticas de la industria. Chiggo es una empresa conocida por suministrar una amplia gama de resortes personalizados.
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