Resortes mecanicos

CAPITULO 3: RESORTES MECÁNICOS

Resortes

• Resortes Helicoidales a Compresión

• Resortes Helicoidales a Extensión

• Resortes Helicoidales a Torsión

• Otros Tipos de Resortes

Resortes(Introducción)

• Todos los elementos mecánicos poseen un comportamiento elástico debido a los materiales utilizados en su fabricación.

• Un elemento se denominará resorte cuando la utilidad que tiene para el mecanismo del cual es parte se basa en conocer la deflexión en algún lugar específico, en función de la carga aplicada.

• Los resortes se diseñan para entregar una fuerza, para empujar, para tirar, torcer o almacenar energía.

• Basado en lo anterior los resortes se clasifican en cuatro categorías:

• Compresión

• Tracción

• Torsión

• Resorte de motor

• En cada una de estas clasificaciones existen muchas configuraciones estándar que dependen del fabricante específico.

• Lo más común es recurrir a un fabricante al que se le entregan las especificaciones de dimensiones y condiciones de trabajo.

Resortes(Tasa de Resorte)

• Además de la forma y/o configuración, el resorte posee una característica denominada tasa o constante de resorte

• La tasa corresponde a la pendiente de la curva fuerza/deflexión

• Si la pendiente es constante, la tasa se define como:

• La tasa del resorte puede ser un valor constante (resorte lineal) o variar con la deflexión (resorte no lineal).

• Cuando intervienen varios resortes se puede calcular una constante de resorte global para el comportamiento en serie o en paralelo.

yFK Ffuerza aplicada

ydeflexión

Resortes(Materiales para Resorte)

• Hay un número limitado de materiales y aleaciones adecuadas para servir como resortes.

• El material ideal corresponde a una con elevada resistencia a la fluencia y un módulo de elasticidad bajo.

• En caso de resortes sometidos a cargas dinámicas se requieren propiedades de resistencia a la fatiga.

• Los más comunes son aceros de medio y alto carbono, y de aleación.

• También hay algunas aleaciones de acero inoxidable, de cobre (latón, cobre-berilio) y bronce fosforado.

• Para resortes de servicio ligero lo más común es el alambre estirado es frío, redondo o rectangular, o cinta delgada laminada en frío.

• Los resortes de servicio pesado son fabricados en materiales laminados en caliente o forjados, sometidos a tratamiento térmico.

Resortes(Tipos de Resorte)

• De la infinidad de tipos de resortes, los más estandarizados son los resortes helicoidales a tracción, compresión y torsión.

• Los resortes motor tienen una configuración que comúnmente es espiral.

• La presentación más detallada será basada en resortes helicoidales.


• Resortes

Resortes Helicoidales a Compresión




Resortes Helicoidales a Compresión(Introducción)

• Para este resorte la configuración más común es el resorte de diámetro de espiras constante, de paso constante, de alambre redondo.

• Hay otros diseños como el cónico, de barril de reloj de arena, cada uno con cualidades específicas.

Resortes Helicoidales a Compresión(Introducción)

• Todos proporcionan resistencia a la compresión.

• Estos resortes pueden ser enrollados a la izquierda o a la derecha.

• Los parámetros de un resorte helicoidal a compresión estándar, que sirven para definir la geometría, son:

Diámetro de alambre (d)

Diámetro medio de la espira (D)

Longitud libre (Lf)

Número de espiras (Nt)

Paso de espiras (p)

• El diámetro exterior (Do) y el diámetro interior (Di) interesan para definir el

alojamiento del resorte.

Resortes Helicoidales a Compresión(Longitud de los Resortes)

• Los resortes tienen varias dimensiones y deflexiones de interés

Longitud libre (Lf): longitud general del resorte en su estado no cargado.

Longitud ensamblada(La): es la longitud después de ensamblarse a su deflexión inicial (Yinicial).

Carga de trabajo: es la que e aplica para comprimir aún más el resorte en su deflexión de trabajo (Ytrabajo).

Longitud mínima de trabajo (Lm): es la dimensión más corta a la que se comprimirá el resorte

durante su servicio.

Altura de cierre (Ls): es la longitud el resorte de forma que todas sus espiras entren en contacto.

Holgura de golpeo (ygolpeo): es la diferencia entre la longitud mínima de trabajo y la altura de

cierre y se expresa como un porcentaje de la deflexión de trabajo.

Resortes Helicoidales a Compresión(Detalles de Terminación)

• Hay cuatro tipos de detalles en los extremos para resortes helicoidales a compresión:

Sencillo

Sencillo rectificado

Cuadrado

Cuadrado rectificado

• Las últimas son las operaciones más complejas y costosas.

• Las últimas mejoran la alineación con la superficie que comprime al resorte.

Resortes Helicoidales a Compresión(Espiras Activas)

• El número total de espiras Nt podría o no contribuir de manera activa a la

deflexión.

• Los detalles de terminación eliminan algunas espiras.

• Para efectos de cálculo se necesita el número de espiras activas Na

Resortes Helicoidales a Compresión(Indice del Resorte)

• El índice del resorte C es la razón del diámetro de la espira D al diámetro del alambre d.

• El rango sugerido para C es de 4 a 12.

• C<4 el resorte es difícil de fabricar.

• C>12 el resorte es propenso a pandearse y enredarse.

Resortes Helicoidales a Compresión(Deflexión del Resorte)

• Aunque la carga en el resorte es a compresión, el alambre del resorte está sometido a cargas de torsión.

• Un modelo simplificado de la carga de un resorte, sin considerar la curvatura del alambre, es una barra de torsión.

• La deflexión en un resorte helicoidal a compresión fabricado en alambre redondo es:

Gd

NFDy a

4

38

F = carga axial aplicadaD = diámetro medio de las espirasd = diámetro del alambreNa = número de espiras activas

G = módulo de corte del material

Resortes Helicoidales a Compresión(Tasa o Constante de Resorte)

• La constante del resorte se encuentra reorganizando la ecuación de deflexión:

• El resorte helicoidal estándar de compresión tiene una tasa de resorte k que es lineal en la mayor parte del rango de operación.

• La constante del resorte debe definirse entre un 15% y un 85% de su deflexión total.

aND

Gd

y

Fk

3

4

8

Resortes Helicoidales a Compresión(Esfuerzos en las Espiras)

• Un resorte helicoidal se modela como una barra empotrada sometida a torsión, por lo que en cualquier sección transversal de la espira habrá dos componentes de esfuerzo.

• Una componente será un esfuerzo de corte de torsión provocado por el torque T.

• La segunda componente es provocada por un esfuerzo de corte debido a la fuerza F.

• Ambos esfuerzos se suman y presentan su máximo en la fibra interior del resorte, alcanzando un valor de

max

Resortes Helicoidales a Compresión(Esfuerzos en las Espiras)

• reemplazando la definición del índice del resorte C

23max

48

d

F

d

FD

A

F

J

rT

Cd

FD 5.01

83max

3max

8

d

FDK s

CK s

5.01

• Ks se denomina factor de cortante directo y la solución de la última ecuación de

esfuerzo sería exacta para un alambre recto.

• Para incluir el efecto de la curvatura del alambre se presenta una concentración de esfuerzos en la fibra interna que se maneja con un factor Kw que incluye la

concentración de esfuerzos y los esfuerzos de cortante directo.

CC

CK w

615.0

44

14

3max

8

d

FDK w

Resortes Helicoidales a Compresión(Esfuerzos Residuales)

• Cuando se enrolla el alambre en forma de hélice, se ejercen esfuerzos residuales a la tensión en la superficie interna y a compresión en la superficie externa.

• Estos esfuerzos residuales no benefician al resorte y se deben eliminar a través de un recocido de eliminación de esfuerzos.

• Existen esfuerzos residuales que benefician al resorte y se aplican en un procedimiento denominado asentamiento.

• El asentamiento consiste en someter a carga el resorte hasta lograr fluencia en el material. Con esto se pierde algo de longitud, por lo que hay que fabricar el resorte un poco más largo que el largo requerido.

• El asentamiento también libera de esfuerzos residuales en el resorte enrollado por lo que se debe modificar el valor de Kw.

• En los resortes espirales siempre presentan esfuerzos residuales (asentados o no), por lo que es inaceptable la inversión de carga.

• Un procedimiento general para mejorar la resistencia a la fatiga es el aplicar un tratamiento de granallado.

Resortes Helicoidales a Compresión(Pandeo)

• Un resorte a compresión se carga como una columna y se pandea si es demasiado esbelto.

• Se crea un factor similar a la esbeltez de las columnas, como una razón de aspecto de la longitud libre del resorte al diámetro externo de la espira.

• Si el factor es mayor que 4 el resorte se puede pandear.

• Al igual que en las columnas, la naturaleza de extremos del resorte influye en la tendencia al pandeo del elemento.

Resortes Helicoidales a Compresión(Oscilación)

• Los resortes vibran tanto lateral como longitudinalmente al ser excitados dinámicamente cerca de sus frecuencias naturales.

• Si la frecuencia de excitación es similar a su frecuencia natural entraran en resonancia y las espiras se golpearan longitudinalmente.

• En la práctica la frecuencia natural del resorte debe ser superior a 13 veces la frecuencia de excitación o de trabajo del resorte, para aplicar esto es necesario conocer la frecuencia natural del resorte.

secradW

kg

an

Wa = peso de espiras activas g = constante de gravedad k = constante del resorte

n = frecuencia angular


• Resortes


Resortes Helicoidales a Extensión



Resortes Helicoidales a Extensión


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Resortes Helicoidales a Torsión


Resortes Helicoidales a Torsión


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Otros Tipos de Resortes



• Resortes, Cristian Ramírez, 2004.

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