Guía de diseño de resortes de compresión: fórmulas, materiales y consejos de fabricación.

Lo que debe hacer bien primero en el diseño de resortes de compresión.

Cinco números deciden el rendimiento de cada recurso de compresion : diámetro del alambre, diámetro medio de la bobina, número de bobinas activas, longitud libre y módulo de corte del material del alambre. Una vez establecidos, la tasa de recurso, la tensión máxima, la altura del sólido y la deflexión utilizable siguen como resultados fijos. Haga bien estos cinco y el resto del trabajo de diseño será la verificación; Si se equivoca, el recurso se asentará mal en su orificio, se fatigará antes de tiempo o nunca alcanzará la carga objetivo.

La conclusión práctica de más de 28 años de construir equipos de fabricación de resortes es simple: comience con el espacio instalado y el requisito de carga-deflexión, elija un índice de resorte entre 4 y 12 y deje que la fórmula de índice de resorte haga el trabajo pesado. Luego verifique la tensión, verifique la relación longitud-diámetro y siempre deje espacio por encima de la altura sólida. Un resorte de compresión que alcanza una altura sólida en servicio es un resorte que sufrirá un aumento dramático en la tensión.

• Diámetro del alambre (d) controla la tasa, el estrés y el costo. Debido a que la fórmula utiliza la cuarta potencia de d, un cambio del 10% en el diámetro del alambre cambia la tasa de resorte en aproximadamente un 46%.
• Diámetro medio de la bobina (D) establece el ajuste dentro de un orificio o sobre una varilla. También afecta la tensión directamente, por lo que una D más pequeña significa un resorte más rígido y una tensión mayor.
• bobinas activas (na) son las bobinas que realmente se flexionan. Agregar bobinas activas suaviza el resorte.
• Longitud libre (si) Determine el recorrido disponible, la altura del sólido y el riesgo de pandeo.
• Módulo de corte (G) es una propiedad del material elegido. Para el alambre de acero, el valor se mantiene cerca de 79.300 N/milímetros², pero el acero inoxidable y el bronce son significativamente más bajos.

El orden importa. No comience con longitud o tono libre. Comience con d, D, na, si y G; todo lo demás se deriva.

Qué es un recurso de compresión y cómo almacena energía

Un resorte de compresión es un resorte helicoidal de espiral abierta formado a partir de alambre redondo, con paso entre las espiras para que el resorte pueda acortarse cuando se aplica una carga de compresión axial. Cuando se retira la carga, el recurso vuelve a su longitud libre original. El espacio entre aspiraciones no es cosmético: defina la capacidad de deflexión del resorte.

Los resortes de compresión son el tipo de resorte más combinado producido en el mundo. Aparecen en válvulas de motores, sistemas de suspensión, cerraduras de puertas, contactos eléctricos, jeringas médicas, válvulas de seguridad industriales y actuadores aeroespaciales. En estas aplicaciones, el recurso realiza una de tres funciones: resistir una fuerza, almacena energía para liberarla más tarde o devuelve una pieza a una posición definida después del desplazamiento.

El principio de funcionamiento es la torsión, no la flexión.

Cuando se comprime un resorte de compresión, el alambre se tuerce alrededor de su propio eje. Esa torsión genera un esfuerzo cortante en la sección transversal del alambre y el resultado medido es una fuerza de compresión a lo largo del eje del resorte. En diseño normal, el resorte trabaja en el rango elástico donde la deflexión es proporcional a la carga. La relación entre carga y deflexión es la tasa de recurso, expresada en newtons por milímetro (N/milímetros) o libras por pulgada (lb/in).

Donde se especifican los resortes de compresión

Los diseñadores especifican recursos de compresión cuando la fuerza debe permanecer predecible durante un recorrido fijo, cuando el espacio de ensamblaje es limitado o cuando el mecanismo requiere una fuerza de restauración simple y confiable. En comparación con otros tipos de resortes, un resorte de compresión cilíndrico es económico de fabricar, fácil de calcular y sencillo de producir en masa en máquinas enrolladoras de resortes CNC. La desventaja es que necesita soporte lateral si la longitud libre es larga en relación con el diámetro medio.

Parámetros clave que debes definir en cada diseño

La siguiente tabla enumera el conjunto de parámetros estándar para un resorte de compresión cilíndrico. Estos símbolos siguen las convenciones utilizadas en las referencias comunes de diseño de resortes, por lo que se traducen directamente en las fórmulas de la siguiente sección.

Diámetro del alambre, diámetro medio e índice del resorte

El índice de resorte C es la relación entre el diámetro medio y el diámetro del alambre. Un recurso con C inferior a 3 es muy difícil de enrollar sin agrietar la superficie del alambre, porque el lado interno del alambre está comprimido más allá de los límites prácticos. Un recurso con C superior a 12 es fácil de enrollar, pero es propenso a enredarse, es sensible a la tolerancia y es más probable que vibre o se mueva. El punto ideal del diseño es C entre 4 y 12; Para recursos de precisión, trate de 6 a 10.

Bobinas activas versus bobinas totales

Sólo las bobinas activas se flexionan durante la compresión. Las bobinas finales que se presionan hasta quedar planas entran en contacto con la siguiente bobina y ya no contribuyen a la desviación. En un diseño de extremo cerrado y puesto a tierra con dos bobinas finales, el número de bobinas activas es igual al total de bobinas menos dos. El uso de un número incorrecto de bobinas en la fórmula es responsable de muchos prototipos de resortes fallidos.

Longitud libre, altura sólida y paso.

La longitud libre y la altura sólida definen el recorrido disponible. Un recurso nunca puede comprimirse hasta alcanzar una altura sólida en funcionamiento normal; Hacerlo aumenta excesivamente el estrés y, a menudo, deja una sensación permanente. Una regla común es mantener al menos entre el 10% y el 15% de la deflexión máxima como espacio libre por encima de la altura sólida. Luego se ajusta el paso de modo que la longitud libre se ajusta al espacio de montaje y al mismo tiempo proporciona el recorrido necesario.

Tipos de extremos y su efecto sobre el rendimiento en primavera

El tratamiento final es la primera decisión de producción en el diseño. Cambia el número de bobinas activas, la cuadratura del recurso y el costo. Hay cuatro configuraciones de extremos comunes para resortes de compresión.

Por qué los extremos cerrados y rectificados son el estándar de precisión

Un recurso cerrado y rectificado se encuentra perpendicular a su asiento, distribuye la carga uniformemente sobre la superficie del terreno y no gira mientras se comprime. Por este motivo, los resortes de válvulas, los resortes de dispositivos médicos y los resortes de instrumentos casi siempre se especifican con extremos cerrados y rectificados. La operación de pulido también elimina la capa superficial del alambre en los extremos, donde pueden comenzar las grietas. El aumento de costes es modesto, pero la mejora en la estabilidad de los asientos es significativa.

Cuando un final sencillo es suficientemente bueno

Si el recurso es corto y está apoyado en un bolsillo, o si la trayectoria de carga no es crítica, un extremo liso ahorra dinero. Los resortes de compresión industriales en mecanismos de cerradura, interruptores eléctricos y máquinas de embalaje suelen utilizar extremos lisos o cerrados sin conexión a tierra. El diseño aún debe verificar que el resorte no se incline hacia los lados al inicio de la compresión.

Selección de materiales: comience con el módulo de corte y luego verifique el entorno

La fórmula de la tasa de recurso utiliza el módulo de corte G antes que cualquier otra propiedad del material. G es una constante del material y no cambia con el tratamiento térmico, el trabajo en frío o la dureza. Lo que cambia el tratamiento térmico es la resistencia a la tracción, que establece la tensión permitida. Por lo tanto, la elección del material determina tanto la fuerza elástica como la capacidad de carga del diseño.

Para la mayoría de las aplicaciones, la decisión sobre el material se reduce a unas pocas preguntas: ¿El recurso ve humedad o productos químicos? ¿Cuál es la temperatura de funcionamiento? ¿Cuántos ciclos sobrevivirán? ¿Es relevante la corrosión o la conductividad eléctrica? La siguiente tabla enumera los materiales de alambre para resortes utilizados con su módulo de corte típico y límites de temperatura. Estos valores siguen los datos de materiales publicados utilizados en referencias de diseño de resortes, como los manuales de diseño de resortes SAE y las hojas de datos de proveedores de alambre.

Debido a que la fórmula de la tasa de resorte utiliza la cuarta potencia del diámetro del alambre, cambiar de acero al carbono a acero inoxidable no cambia la tasa de resorte tanto como la gente espera; la caída del 10% al 15% en G puede compensarse con un aumento muy pequeño en d. La tabla de comparación de materiales anterior es un punto de partida, y la lógica de selección completa, incluido el acabado de la superficie y las propiedades de alimentación del alambre para la producción, se cubre en nuestra guía para elección del material de recurso para la producción de máquinas de recursos .

Fórmulas básicas: índice de resorte, tensión y desviación

Fórmula de tasa de primavera

La fuerza elástica de un resorte de compresión cilíndrico es:

k = GRAMO × re ⁴ / (8×D ³ × Na)

donde k es la tasa de resorte en N/mm, G es el módulo de corte en N/mm², d es el diámetro del alambre en mm, D es el diámetro medio de la bobina en mm y Na es el número de bobinas activas. Mantenga todas las unidades consistentes; mezclar milímetros y metros es el error más común.

Factor de Wahl y tensión cortante

La fórmula del esfuerzo cortante directo para un resorte helicoidal bajo carga F es 8FD/(πd³). Esto ignora la curvatura del alambre, lo que concentra la tensión en el lado interior de la bobina. El factor de Wahl K_w corrige ese efecto:

K_w = (4C − 1)/(4C − 4) 0,615/C

donde C es el índice de recurso. El esfuerzo cortante corregido es τ = K_w × 8FD/(πd³). Con un índice de resorte de 7, el factor de Wahl es sólo aproximadamente 1,21; en el índice 3, sube por encima de 1,62. Es por eso que siempre verifica la tensión con un índice de resorte bajo.

Ejemplo resuelto: alambre de 2 mm, diámetro medio de 14 mm

Diseñe un resorte de compresión con alambre musical (G = 79,300 N/mm²), diámetro del alambre d = 2,0 mm, diámetro medio de la bobina D = 14 mm y Na = 8 bobinas activas. Total de bobinas con extremos cerrados y puestos a tierra: Nt = Na 2 = 10.

Paso 1: índice de primavera: C = D/d = 14/2 = 7, dentro del rango recomendado de 4 a 12.

Paso 2 - Tasa de primavera: k = 79,300 × 16 / (8 × 2,744 × 8) = 1,268,800 / 175,616 = 7,22 N/mm .

Paso 3: Deflexión con una carga de 120 N: s = 120 / 7,22 = 16,6 milímetros . La longitud libre es de 45 mm, por lo que la longitud comprimida bajo carga es de 28,4 mm.

Paso 4: altura sólida: Ls ≈ Nt × d = 10 × 2 = 20mm . El espacio libre sobre el sólido es 28,4 − 20 = 8,4 mm, que es aproximadamente el 28 % del recorrido de deflexión, con seguridad encima del margen recomendado del 10 % al 15 %.

Paso 5: control del estrés: Kw = 1,21; τ = 1,21 × 8 × 120 × 14 / (π × 8) = 647 N/mm² . La tensión de corte típica permitida para cables musicales con este diámetro es de alrededor del 45 % de la resistencia mínima a la tracción, aproximadamente 900 N/mm², por lo que el diseño funciona con un margen cómodo pero no excesivo. Estos porcentajes de tensión permitida provienen de referencias de diseño de resortes estándar y la cifra exacta depende del grado de tracción del cable entregado por el proveedor.

Reglas prácticas de diseño desde una perspectiva de producción.

Un recurso que parece perfecto sobre el papel puede ser difícil o costoso de producir. Las siguientes reglas provienen de la experiencia práctica con equipos de bobinado, rectificado y templado y no solo de la teoría de los libros de texto.

Mantenga el índice de primavera entre 3 y 12

Por debajo de 3, la superficie del alambre en el radio interior se tensa demasiado durante el bobinado y el mandril sufre una presión excesiva de la herramienta. Por encima de 12, el recurso es frágil de manipular, las tolerancias en el diámetro se vuelven más difíciles de mantener y las aspiraciones adyacentes pueden tocarse bajo una carga lateral ligera. La mayoría de las máquinas de resortes CNC producen su calidad más estable entre el índice 4 y 10.

Observe la relación longitud-diámetro para pandeo

Un resorte de compresión se comporta como una columna delgada: por encima de cierta relación entre longitud libre y diámetro medio, se pandea lateralmente bajo carga. Para resortes apoyados en paralelo, la relación crítica es aproximadamente 4. Si Lf/D excede 4, el diseño necesita una varilla guía, un manguito exterior o un resorte con forma cónica. El pandeo es un problema de geometría, no un problema de material; cambiar el grado del cable no lo solucionará.

Especificar tolerancias que la máquina realmente puede mantener

Las tolerancias de fabricación típicas para resortes de compresión varían según el índice del resorte. Una suposición de trabajo razonable es una tolerancia del diámetro exterior de aproximadamente ±1% para índices de hasta 8 y de ±1,5% a ±2% para índices superiores a 10. Tolerancias de longitud libre de ±1% a ±2% son realistas; Una tolerancia de longitud libre más estricta generalmente requiere una clasificación o molienda adicional. La tolerancia de la tasa de recurso se deriva de la tolerancia del diámetro del alambre, por lo que si necesita una tasa muy precisa, debe controlarse estrictamente aguas arriba.

• Especifique el diámetro controlado: OD si el resorte se asienta en un orificio, ID si se desliza sobre una varilla.
• No requieren tolerancias más estrictas de las funcionalmente necesarias; Cada 0,1 mm adicional de precisión añade costos al herramental y la inspección de la bobina.
• Para resortes muy estresados, agregue una prueba de fraguado permanente que comprima el resorte a una altura sólida una cantidad específica de veces antes de la verificación final de longitud libre.

Diseño para bobinado CNC

Las máquinas bobinadoras CNC de ejes múltiples controlan el paso, el diámetro, la longitud de avance y el ángulo de corte en una sola pasada. Eso significa que un diseño puede incluir paso variable, una bobina final reducida o un ángulo de hélice cambiante sin cambiar las herramientas. Una máquina formadora de resortes CNC de 5 ejes mantiene una precisión de paso en el rango requerido para la mayoría de los resortes helicoidales de precisión, por lo que el diseñador debe especificar el paso como una dimensión controlada en lugar de un valor derivado. Si el tono es crítico para el comportamiento de oleada, obsérvelo en el dibujo; un diseño de paso constante siempre es más fácil de verificar en producción.

Pasos finales de pulido, alivio de tensiones y acabado.

Por qué los extremos cerrados y rectificados necesitan una operación de rectificado

Cuando las espiras de los extremos están cerradas, la superficie del extremo sigue siendo irregular. El pulido aplana el extremo en todo el ancho del alambre y hace que el resorte quede perpendicular. La calidad del rectificado se juzga por dos factores: el ancho plano de la cara rectificada y la cuadratura del extremo con respecto al eje del recurso. Para conjuntos de precisión, las especificaciones incluidas requieren que al menos el 75% de la circunferencia del extremo del cable esté conectado a tierra de forma plana. ONU Rectificadora de resortes CNC controla el avance de las muelas y el tiempo de permanencia para que el calor generado no queme la superficie del alambre. Un pulido excesivo reduce la sección transversal del cable y debilita las bobinas de los extremos, mientras que un pulido insuficiente deja un asiento oscilante.

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Alivio del estrés y templado después del enrolado

El enrollado de alambre frío introduce una tensión residual significativa, especialmente en el radio interior de cada bobina. El alivio de tensión se logra calentando el resorte terminado durante un breve período a una temperatura que depende del material: el cable musical generalmente se alivia entre 180 °C y 230 °C, el alambre templado con aceite entre 230 °C y 260 °C, y las aleaciones de cromo-silicio entre 350 °C y 430 °C. El objetivo es estabilizar las dimensiones y mejorar la vida útil sin ablandar el alambre. Los hornos de templado utilizados en los talleres de resorts mantienen una temperatura uniforme en toda la carga, de modo que todos los resorts del lote reciban el mismo tratamiento; El templado no uniforme es una causa común de variación en la longitud libre de un lote a otro.

Shot Peening y Preset

Para recursos que deben sobrevivir millones de ciclos, el granallado comprime la superficie del alambre y empuja el origen de las grietas por fatiga debajo del campo de tensión. El ajuste preestablecido, también llamado ajuste de tensión residual de compresión, implica comprimir el resorte a una altura sólida una o varias veces para inducir una tensión residual beneficiosa en la fibra interna. Ambos procesos son estándar para resortes de válvulas y resortes de suspensión, pero agregan costos; Úselos sólo cuando la fatiga de la vida lo exija.

Llevando el diseño del dibujo a la producción.

Prototipos y ejecuciones de muestra.

Antes de comprometerse con la producción total, ejecute un lote pequeño para verificar tres cosas: la tasa de recurso medida, la longitud libre después del alivio de tensión y la altura del sólido. Si la medida de la tasa es incorrecta, verifique primero el diámetro real del cable, porque la cuarta potencia magnifica incluso una tolerancia del cable de 0,02 mm hasta convertirla en un cambio de tasa visible. Luego verifique si el número de bobinas activas coincide con el tratamiento final realmente producido en la máquina; un resorte cerrado y rectificado hecho con una espiral adicional se comportará más suave de lo calculado.

Elegir el tipo de máquina para la producción

El tipo de máquina importa tanto como el dibujo. Un resorte de compresión cilíndrico puro con paso constante y extremos rectificados es un trabajo estándar para una máquina enrolladora de resortes seguida de una máquina rectificadora de extremos. Un resorte con paso variable, forma cónica o pata doblada requiere más ejes. ONU Máquina sin levas de resorte CNC de 12 ejes maneja geometría compleja porque cada eje de trabajo se mueve de forma independiente y no hay levas para cambiar entre familias de productos. La ruta de producción desde el alambre hasta el resorte terminado, incluido el bobinado, el rectificado de los extremos y el tratamiento térmico, se describe paso a paso en nuestro artículo sobre como fabricar resorts .

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Verificación específica de la aplicación

Un resorte de compresión que funciona en el pestillo de una puerta puede fallar en un inyector de combustible para automóviles, porque la frecuencia de operación es diferente y el comportamiento dinámico del resorte cambia. Resortes de compresión utilizados en aplicaciones de automoción y movilidad Se debe verificar la frecuencia de sobretensión, la vida útil de la fatiga y la relajación a la temperatura de funcionamiento. Los dibujos realizados por el diseñador son sólo el comienzo; el equipo de producción debe mantener la geometría consistente en millas de piezas.

Preguntas frecuentes sobre el diseño de resortes de compresión.

1. ¿Cuál es la forma más rápida de calcular la fuerza elástica de un resorte de compresión?

Utilice k = G × d⁴ / (8 × D³ × Na). Mida d, D y Na en unidades consistentes. El resultado está directamente en N/mm cuando G está en N/mm² y todas las dimensiones están en mm. El error más frecuente es mezclar el calibre del cable con el diámetro físico del cable.

2. ¿A qué índice de primavera debo aspirar?

Apunte a un índice de resorte entre 4 y 12, siendo de 6 a 10 la zona preferida para resortes de precisión. Por debajo de 4 el alambre está sobrecargado en el radio interior; por encima de 12, el recurso se vuelve difícil de manejar, inscribir con precisión y medir de manera consistente.

3. ¿Cuándo se deben especificar los extremos cerrados y rectificados?

Especifique extremos cerrados y rectificados cuando el resorte deba permanecer perpendicular, asentarse en un hueco con un asiento plano o soportar una carga cíclica. Los resortes de válvulas, células de carga y resortes de instrumentos médicos utilizan extremos cerrados y rectificados. Los extremos lisos son aceptables para aplicaciones de bajo costo y ciclo bajo donde el resorte es guiado por una varilla o un bolsillo.

4. Cable musical o acero inoxidable: ¿cuál debes elegir?

Elija el cable musical para obtener la mayor resistencia y la mejor resistencia a la fatiga en un ambiente seco, interior y no corrosivo. Elija acero inoxidable 302 o 304 cuando el resorte experimente humedad, productos químicos o lavado, y acepte que el módulo de corte más bajo significa un diámetro de alambre ligeramente mayor para la misma velocidad de resorte. El acero inoxidable también conserva su resistencia útil hasta aproximadamente 260°C, mientras que el alambre musical pierde rendimiento por encima de 120°C.

5. ¿Cómo evitar que se doble un resorte de compresión?

Mantenga la relación entre longitud libre y diámetro medio por debajo de aproximadamente 4 para resortes con extremos paralelos. Si la relación es mayor, utilice una varilla guía o un manguito exterior, o cambie a un resorte cónico o en forma de barril. El pandeo no se puede solucionar eligiendo un material más resistente; es un problema de geometría.

6. ¿Puede una máquina de resortes CNC producir resortes de compresión de paso variable?

Si. Un formador de resorte CNC de ejes múltiples mueve la herramienta de paso y la alimentación de alambre de forma independiente, por lo que el paso puede cambiar a lo largo del eje del resorte en la misma pieza. El paso variable se utiliza para controlar la frecuencia natural y reducir la altura sólida de los recursos de largo recorrido. Para obtener resultados consistentes, especifique el perfil de paso como una tabla de puntos en el dibujo en lugar de un valor nominal único.