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hay seis tipos de resortes primarios Se utiliza en productos industriales y de consumo: resortes de compresión, resortes de extensión, resortes de torsión, resortes de fuerza constante, resortes ondulados y resortes de disco (Belleville). Cada uno se define por cómo almacena y libera energía mecánica: comprimida, estirada, torcida, rotada, aplanada o apilada. La elección correcta depende de la dirección de la carga, del espacio disponible y de cuántos ciclos de trabajo debe soportar la pieza, y casi todos ellos se forman hoy en día en una máquina controlada por computadora. maquina de resorte en lugar de hacerlo a mano.
La categoría a la que pertenece un resorte es en realidad una abreviatura de comportamiento mecánico. Un resorte de compresión empuja hacia atrás. Un resorte de extensión retrocede. Un resorte de torsión resiste una torsión. Una vez que se soluciona ese comportamiento, todo lo demás (diámetro del cable, número de bobinas, geometría del extremo y material) es un ejercicio de ajuste para alcanzar una carga, deflexión y vida útil objetivo.
Esta guía desglosa cada tipo de resorte en profundidad, los materiales detrás de ellos, cómo una máquina de resortes moderna da forma a cada uno, cómo los ingenieros dimensionan un resorte para un caso de carga real, dónde aparece cada tipo en diferentes industrias, puntos de falla comunes, acabado y protección contra la corrosión, y cómo comparar cotizaciones al obtener cantidades de producción.
Los resortes de compresión son resortes de espiral abierta diseñados para resistir una fuerza de compresión y empujar hacia atrás cuando se comprimen. Son el tipo de resorte más común en ensamblajes mecánicos, apareciendo en colchones, bolígrafos, válvulas, sistemas de suspensión y troqueles industriales. Cuando una carga junta las bobinas, el resorte almacena energía y empuja hacia atrás a lo largo del mismo eje una vez que se suelta la carga.
Debido a que las espiras se encuentran separadas unas de otras en reposo, un resorte de compresión se puede comprimir hasta que las espiras se toquen, un estado llamado altura sólida. Un buen diseño mantiene un resorte bien alejado de la altura sólida en operación normal, ya que tocar fondo repetidamente endurece el alambre en el punto de contacto y acorta la vida de fatiga. La mayoría de las guías de ingeniería mantienen la deflexión de trabajo en aproximadamente el 80 por ciento o menos del recorrido total disponible hasta una altura sólida, lo que deja un margen de seguridad para eventos de sobrerrecorrido.
Los resortes de compresión también se definen por el acabado de las espiras de los extremos. Los extremos lisos dejan el alambre cortado en un ángulo que coincide con la hélice, lo cual es rápido de producir pero permite que el resorte se balancee ligeramente bajo carga. Los extremos cuadrados se rectifican o se presionan para que el resorte quede en posición vertical sobre una superficie plana sin inclinarse, y los extremos cuadrados y rectificados van un paso más allá al rectificar la bobina del extremo perfectamente plana, lo cual es común donde el resorte necesita asentarse uniformemente contra una placa plana, como en los conjuntos de válvulas.
Un grado de producción maquina de resorte forma resortes de compresión alimentando alambre a través de un conjunto de rodillos de alimentación y envolviéndolo alrededor de un mandril o pasador de formación, luego una herramienta de corte separa cada bobina a una longitud programada. Las máquinas controladas por CNC pueden mantener tolerancias de paso lo suficientemente estrictas como para mantener la variación de la tasa de resorte por debajo de aproximadamente el 3 por ciento durante una serie de producción, lo cual es importante para piezas donde la fuerza constante es crítica, como los resortes de válvula. Las líneas de resortes de compresión de gran volumen generalmente combinan el cabezal de bobinado con una estación de rectificado en línea para que los extremos cuadrados puedan terminarse sin una operación secundaria separada.
Los resortes de extensión son bobinas fuertemente enrolladas que resisten una fuerza de tracción e intentan volver a su longitud original una vez liberados. A diferencia de los resortes de compresión, sus espiras se encuentran juntas en reposo, generalmente con una tensión inicial incorporada, por lo que el resorte solo comienza a estirarse una vez que la fuerza aplicada excede esa precarga. Los mecanismos de puertas de garaje, trampolines, puertas mosquiteras e interruptores de palanca dependen de resortes de extensión.
La tensión inicial es una de las propiedades menos comprendidas de un resorte de extensión. Debido a que las bobinas se enrollan firmemente una contra otra durante la formación, el resorte resiste cualquier tirón hasta que la fuerza aplicada excede esa tensión incorporada; solo entonces comienza a estirarse en proporción a la carga agregada. Los diseñadores especifican esta tensión inicial deliberadamente, ya que muy poca permite que el resorte se doble en reposo, mientras que demasiada hace que el mecanismo se sienta rígido al comienzo de su recorrido.
La mayor parte del trabajo de diseño en un resorte de extensión ocurre en los extremos, no en el cuerpo helicoidal. Los ganchos de máquina, los bucles cruzados, los bucles laterales y los ojos extendidos cambian la forma en que se monta el resorte y cómo se concentra la tensión en la curva. Debido a que la curvatura del gancho es típicamente donde comienza la falla por fatiga, la geometría del gancho es a menudo el factor limitante en la vida útil de un resorte, más que la bobina misma.
En una máquina de resortes moderna, la formación del gancho se realiza en el mismo ciclo que el bobinado: después de que la herramienta de bobinado enrolla el cuerpo, una herramienta secundaria gira y dobla el extremo del alambre en forma de gancho antes del corte. Esto mantiene constante la alineación del gancho, que es una de las quejas de calidad más comunes cuando los resortes de extensión se forman a mano. El ángulo constante del gancho también es importante para la forma en que el resorte cuelga en su soporte de montaje: un gancho torcido puede introducir una carga lateral no deseada que el cuerpo de la bobina nunca fue diseñado para soportar.
Los resortes de torsión almacenan energía cuando se giran alrededor de su eje en lugar de ser empujados o tirados a lo largo de él. El cuerpo de la bobina resiste el desplazamiento angular y las patas rectas en cada extremo transmiten esa fuerza de rotación al conjunto. Ejemplos típicos son las pinzas para la ropa, las trampas para ratones, los sistemas de contrapeso de puertas de garaje y las bisagras de las puertas de los armarios.
A diferencia de los resortes de compresión y extensión, un resorte de torsión casi siempre está diseñado para funcionar con el diámetro de su espiral reduciéndose ligeramente a medida que se enrolla bajo carga. Eso significa que el eje o mandril sobre el que se asienta debe tener un tamaño con espacio libre para esta reducción, o las bobinas se unirán al eje antes de que el resorte alcance su recorrido previsto, un detalle que toma por sorpresa a muchos diseñadores primerizos.
| Característica del resorte de torsión | Efecto de diseño |
|---|---|
| Dirección de la bobina (izquierda o derecha) | Debe coincidir con la dirección en la que el resorte debe enrollarse bajo carga, o las bobinas se desenrollarán en lugar de apretarse. |
| Configuración de piernas | Las patas rectas, con bisagras o en ángulo determinan cómo se transfiere el torque al conjunto circundante. |
| Número de bobinas activas | Más bobinas generalmente reducen la tasa de torsión y aumentan el recorrido de rotación disponible. |
| Estilo de carrocería (cerrada versus espaciada) | Las bobinas cerradas reducen el ruido de fricción entre las bobinas; Las bobinas espaciadas reducen la posibilidad de atascarse bajo cargas pesadas. |
Más allá de los ejemplos domésticos, los resortes de torsión aparecen en mecanismos de contrapeso para puertas basculantes pesadas, resortes de retorno en conjuntos de trinquete y trinquete, cierres de bisagras en gabinetes y cerramientos, y mecanismos de sujeción donde se necesita una fuerza de rotación ligera y constante para mantener juntas dos piezas sin un sujetador separado.
Los resortes de torsión generalmente se forman en una máquina de resortes CNC equipada con un cabezal giratorio para doblar las patas, ya que la precisión del ángulo de las patas afecta directamente cómo se asienta el resorte en sus orificios de montaje. Una pata que está desviada incluso por unos pocos grados puede crear una inconsistencia en la precarga en una línea de ensamblaje, razón por la cual el ángulo de la pata es una de las primeras dimensiones que se verifican durante la inspección entrante en una nueva configuración de herramientas.
Los resortes Belleville son arandelas en forma de cono que se aplanan bajo carga axial. Apilarlos en serie aumenta el recorrido, mientras que apilarlos en paralelo aumenta la capacidad de carga, lo que los hace útiles en cualquier lugar donde un diseñador necesite una curva de fuerza específica en un espacio axial muy corto; los conjuntos de bridas atornilladas y la maquinaria pesada son ejemplos comunes. Una propiedad útil de los resortes de disco es que su curva de fuerza puede ajustarse según la altura de su cono en relación con su espesor: un cono poco profundo proporciona una respuesta de fuerza casi lineal, mientras que un cono más alto puede ajustarse para producir una curva de fuerza plana o incluso rápida, lo cual es útil en mecanismos de liberación de sobrecarga.
Los resortes ondulados utilizan una forma ondulada en forma de anillo en lugar de una bobina de alambre redondo, lo que proporciona la misma fuerza de resorte que un resorte helicoidal en aproximadamente un tercio a la mitad de la altura comprimida. Las aplicaciones de precarga de rodamientos y conectores electrónicos pequeños favorecen los resortes ondulados cuando el espacio axial es limitado. Por lo general, se producen en variedades de una sola vuelta, de varias vueltas y anidadas, y los resortes ondulados de varias vueltas se usan comúnmente cuando se dispone de una altura de trabajo más alta pero el espacio radial aún es reducido.
Laminado a partir de una tira plana pretensada en lugar de un alambre redondo, un resorte de fuerza constante ofrece casi la misma fuerza de salida en todo su rango de extensión en lugar de una curva de fuerza ascendente. Las cintas métricas retráctiles, los mecanismos de contrapeso y los carretes de cable dependen de este comportamiento. Debido a que la tira se enrolla sobre sí misma en un rollo apretado en reposo y se desenrolla bajo carga, la salida de fuerza se mantiene notablemente plana en comparación con la resistencia en constante aumento de un resorte helicoidal.
Los resortes de gas son una categoría completamente diferente: un cilindro sellado con gas comprimido y un vástago de pistón, que se usa cuando se necesita una extensión controlada y amortiguada, como puntales de escotillas de automóviles y sillas de oficina ajustables. Se fabrican con equipos de llenado hidráulico en lugar de con una máquina de resortes formadora de alambre.
Dos tipos menos comunes pero aún relevantes completan la categoría de especialidad. Los resortes de voluta son tiras planas enrolladas en forma de cono y funcionan como un resorte de compresión con excelente resistencia al pandeo, históricamente utilizados en suspensiones de vehículos pesados. Los resortes serpentinos se forman a partir de un zig-zag continuo de alambre redondo y alguna vez fueron comunes en los asientos tapizados, valorados para distribuir la carga uniformemente a lo largo de un amplio asiento en lugar de concentrarla en unos pocos puntos.
El tipo de resorte que se produce generalmente dicta qué aleación de alambre tiene sentido, y cada aleación se comporta de manera diferente una vez que se pasa a través de una máquina de resortes.
Dos dimensiones dominan el comportamiento de un resorte más que cualquier otra variable: el diámetro del alambre y el índice del resorte, la relación entre el diámetro de la bobina y el diámetro del alambre. Un alambre más grueso aumenta considerablemente la rigidez, ya que la velocidad del resorte aumenta con la cuarta potencia del diámetro del alambre, mientras que un índice de resorte bajo (una bobina apretada en relación con el alambre) aumenta la concentración de tensión en el interior de cada bobina y hace que el resorte sea más difícil de formar con precisión. La mayoría de los diseños prácticos mantienen el índice del resorte entre aproximadamente 4 y 12; Los resortes enrollados más apretados que eso necesitan cuidado adicional en el mecanizado y la corrección de tensión, mientras que los resortes enrollados más sueltos tienden a enredarse y doblarse más fácilmente.
Una máquina de resortes CNC cambia su velocidad de bobinado, velocidad de alimentación del alambre y presión del pasador de formación dependiendo de la aleación cargada, ya que el alambre más duro necesita más fuerza de formación, pero retrocede más después de que la herramienta lo suelta, un comportamiento llamado recuperación elástica. Las máquinas construidas para producción de gran volumen generalmente compensan esta recuperación automáticamente sobreformando cada bobina por un margen calculado, que es una de las razones por las que el bobinado automatizado ha reemplazado en gran medida el conformado manual en banco para cualquier cosa que vaya más allá de las cantidades de prototipo. Las modernas máquinas de resortes servoaccionadas registran estos datos de compensación por lote, lo que hace que sea mucho más fácil reproducir la geometría exacta de la bobina la próxima vez que se pase el mismo lote de alambre.
Elegir un tipo de resorte es sólo el primer paso. El tamaño de uno para una aplicación real generalmente se reduce a tres objetivos vinculados: la velocidad del resorte (cuánto cambia la fuerza por unidad de deflexión), la tensión máxima segura en la deflexión total y la cantidad de ciclos que el resorte necesita para sobrevivir antes de que la fatiga se convierta en una preocupación.
La tasa de resorte describe qué tan rígido se siente el resorte: la fuerza adicional necesaria para cada unidad adicional de deflexión. Para un resorte helicoidal, la velocidad aumenta con el diámetro del alambre y disminuye a medida que aumenta el diámetro de la espiral o el número de espiras activas. Dos resortes pueden parecer casi idénticos y aun así tener tasas muy diferentes si uno tiene un diámetro de espira ligeramente mayor o dos espiras más activas que el otro, razón por la cual la tasa de resorte, no solo las dimensiones físicas, es el número que se debe especificar y verificar.
Los resortes que realizan ciclos ocasionales, como un resorte de pestillo que se abre varias veces al día, pueden diseñarse con un generoso margen de tensión y probablemente durarán más que el producto que los rodea. Los resortes que realizan ciclos continuos, como el resorte de una válvula que se dispara miles de veces por minuto, deben diseñarse teniendo en cuenta una curva de fatiga en lugar de un único valor de tensión máxima, ya que una carga repetida muy por debajo de la resistencia máxima del material aún puede eventualmente causar que se inicie y crezca una grieta. Como guía aproximada, mantener la tensión operativa máxima por debajo de aproximadamente el 45 al 50 por ciento de la resistencia a la tracción del alambre es un punto de partida común para los resortes que se espera que sobrevivan millones de ciclos, aunque el número correcto siempre depende de la aleación específica y el acabado de la superficie.
El granallado es el tratamiento más utilizado para prolongar la vida útil de los resortes de compresión y torsión. La cocción de pequeños medios redondos en la superficie del alambre introduce una capa poco profunda de tensión residual de compresión, que resiste la tensión de tracción que de otro modo iniciaría una grieta por fatiga en la superficie. Para resortes sujetos a ciclos elevados y servicio de alta tensión (los resortes de válvulas de automóviles son el ejemplo clásico), el granallado puede extender significativamente la vida útil en comparación con un resorte sin granallado de las mismas dimensiones.
Una moderna máquina de resortes CNC convierte un carrete de alambre en bruto en un resorte terminado y tratado térmicamente en una secuencia de pasos coordinados, todos controlados mediante servomovimiento programado en lugar de levas mecánicas en equipos más antiguos.
Las máquinas bobinadoras más antiguas accionadas por levas dependen de levas físicas y topes mecánicos para controlar el paso y la longitud, lo que significa que cambiar el diseño de un resorte requiere cambiar las herramientas físicas. Una máquina de resortes CNC reemplaza la mayoría de esas levas mecánicas con servoejes programados independientemente, por lo que cambiar entre diseños de resortes (incluidos tipos completamente diferentes, como pasar de un resorte de compresión a uno de torsión) es en gran medida una cuestión de cargar un nuevo programa y ajustar las herramientas en lugar de reconstruir la máquina. Esta flexibilidad es una de las principales razones por las que los tirajes de primavera de volumen pequeño y medio se han vuelto mucho más rentables en las últimas dos décadas.
| Industria | Tipos típicos de resortes | Por qué ese tipo |
|---|---|---|
| Automotriz | Compresión, torsión, disco. | Las aplicaciones de válvulas y embragues de ciclo alto necesitan resortes de compresión granallados; Los resortes de disco soportan cargas elevadas en un espacio axial corto. |
| Muebles y electrodomésticos | Compresión, extensión, fuerza constante. | Los mecanismos reclinables y las correderas de los cajones necesitan una fuerza constante y de ciclo moderado con una velocidad plana o ligeramente ascendente. |
| Electrónica y conectores | Onda, pequeña compresión. | El espacio interno limitado favorece los resortes ondulados de bajo perfil para la precarga de contacto |
| Agricultura y equipo pesado. | Compresión, torsión | Los resortes de gran diámetro y calibre pesado deben sobrevivir a cargas de impacto en exteriores, lo que favorece los revestimientos resistentes a la corrosión. |
| Dispositivos médicos | Compresión, extensión, torsión (miniatura) | Se prefiere el alambre inoxidable por su facilidad de limpieza, con tolerancias estrictas en diámetros de alambre muy pequeños. |
La elección del material de un resorte maneja la mayor parte de la resistencia a la corrosión, pero los recubrimientos y acabados agregan otra capa de protección y también pueden cambiar la apariencia y las características de fricción del resorte.
El espesor del recubrimiento importa más de lo que podría parecer para los resortes de tolerancia estrecha, ya que incluso una capa delgada de revestimiento cambia ligeramente el diámetro efectivo del alambre y puede cambiar la velocidad del resorte en resortes muy pequeños. Para resortes con tolerancias de velocidad estrictas, las pruebas generalmente se realizan después del recubrimiento en lugar de antes, por lo que los valores informados reflejan la pieza tal como se instalará realmente.
El espaciado desigual de las bobinas generalmente se debe a que el alambre no estaba completamente enderezado antes de enrollarse, a los rodillos de alimentación desgastados que se deslizan sobre la superficie del alambre o a una herramienta de paso que se ha descalibrado. En una máquina de resortes CNC, esto a menudo se detecta tempranamente mediante la medición del paso en línea integrada en la propia estación de bobinado.
La mayoría de las grietas por fatiga comienzan en un defecto de la superficie (un rasguño, una picadura por corrosión o una concentración de tensión en una curva o gancho) en lugar de en el medio de una bobina lisa. Mejorar el acabado de la superficie, agregar granallado o rediseñar un radio de gancho afilado son las soluciones habituales una vez que se identifica un patrón de falla por fatiga.
El fraguado permanente describe un resorte que ya no regresa a su longitud libre original después de ser desviado, generalmente porque fue estresado más allá del límite elástico del material, a menudo por haber sido comprimido repetidamente a una altura sólida o por operar a una temperatura más alta que la que la aleación del alambre estaba clasificada. El alivio adecuado de la tensión después del enrollado reduce el riesgo de fraguado al relajar las tensiones residuales de formación antes de que el resorte realice su primer ciclo de trabajo.
Un puñado de variables tienden a determinar la mayor parte de la diferencia de costos entre las cotizaciones de resortes, independientemente del tipo que se produzca.
Al comparar cotizaciones entre proveedores, es útil preguntar específicamente cómo se verifican la carga y la velocidad: la mayoría de los productores acreditados prueban una muestra de cada lote de producción en un probador de desplazamiento de fuerza en lugar de depender únicamente de comprobaciones dimensionales, ya que dos resortes pueden medir de manera idéntica y aún así funcionar de manera diferente si la dureza del alambre varía ligeramente entre los lotes de alambre.
La forma más rápida de delimitar un tipo de resorte es preguntar en qué dirección se aplica la fuerza y cuánto espacio axial hay disponible:
Los resortes de compresión son el tipo más producido, ya que una simple fuerza de retroceso cubre la mayor parte de aplicaciones mecánicas y de consumo, desde bolígrafos hasta núcleos de colchones.
Un resorte de compresión se resiste a ser comprimido y sus espiras se mantienen separadas en reposo, mientras que un resorte de extensión se resiste a ser estirado y sus espiras se mantienen juntas en reposo, generalmente con extremos en forma de gancho o bucle para su montaje.
Sí. La mayoría de las máquinas de resortes CNC modernas se reprograman en lugar de reconstruirse mecánicamente para cambiar entre compresión, extensión y torsión, ya que la diferencia se reduce a cambios de herramientas y parámetros actualizados de bobinado, paso y flexión en el software de control.
Las curvaturas concentran la tensión mucho más que una bobina enrollada suavemente, por lo que los ganchos en resortes de extensión y las patas en resortes de torsión suelen ser el primer punto de falla bajo ciclos repetidos, razón por la cual la geometría del gancho y la pata recibe tanta atención en el diseño como la propia bobina.
En la mayoría de los casos de modernización, sí: un resorte ondulado puede ofrecer una fuerza comparable a un resorte de compresión helicoidal y al mismo tiempo ocupa aproximadamente entre un tercio y la mitad de la altura comprimida, razón por la cual son comunes en diseños de conectores y cojinetes con espacio limitado.
El índice de resorte es la relación entre el diámetro de la bobina y el diámetro del alambre. Un índice bajo significa un resorte fuertemente enrollado con una mayor concentración de tensión en el borde interior de la bobina, mientras que un índice alto significa un resorte ligeramente enrollado que es más fácil de formar pero más propenso a pandearse y enredarse; la mayoría de los diseños prácticos se mantienen en un rango medio para lograr un equilibrio entre capacidad de fabricación y rendimiento.
Sí, para resortes que experimentan cargas de alto ciclo y tensión elevada. La tensión residual de compresión introducida en la superficie del alambre resiste la tensión de tracción que inicia las grietas por fatiga, razón por la cual el granallado es una práctica estándar para aplicaciones exigentes como resortes de válvulas de automóviles, aunque agrega un paso secundario al proceso.
La dureza y el diámetro del alambre pueden variar ligeramente entre lotes de molinos, incluso dentro de un rango de tolerancia aceptado, razón por la cual los productores consistentes prueban una muestra de cada lote en un probador de desplazamiento de fuerza en lugar de asumir que la conformidad dimensional por sí sola garantiza una carga y velocidad consistentes.
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