76278328-RESORTES

RESORTES
DISEÑO MECANICO
FERNANDO CAMPOS CANO
8 “R”
ING. MECATRONICA
RESORTES
 Los resortes son componentes
mecánicos que se caracterizan
por absorber deformaciones
considerables bajo la acción de
una fuerza exterior, volviendo
a recuperar su forma inicial
cuando cesa la acción de la
misma, es decir; Presentan una
gran elasticidad.
RESORTES
 Para su fabricación se emplean
aceros de gran elasticidad (acero
al carbono, acero al silicio,
acero al cromovanadio, acero al
cromo-silicio, etc), aunque para
algunas aplicaciones especiales
pueden utilizarse el cobre
endurecido y el latón.
RESORTES
 Los resortes se utilizan con
gran frecuencia en los
mecanismos para asegurar el
contacto entre dos piezas,
acelerar movimientos que
necesitan gran rapidez, limitar
los efectos de choques y
vibraciones, etc.
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:
KFy
F
fuerza aplicada
y  deflexión
•
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.
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 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 dimensiónmás 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 trabajoy 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:
y
3
8FD N a
d 4G
F
D
d
Na
G
= carga axial aplicada
= diámetro medio de las espiras
= diámetro del alambre
= número de espiras activas
= 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:
F
d4 G
k 
y 8D 3 N a
•
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.
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
Resortes Helicoidales a Compresión
(Esfuerzos en las Espiras)
T  r F 8FD 4F
 

 max 
3
J
A d
d 2
•
 max
reemplazando la definición del índice del resorte C
8FD  0.5 

 1

3
d  C 
 max
 Ks
8FD
d 3
 0.5 
K s  1
C 

•
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.
Kw 
4C 1 0.615

4C  4
C
 max  K w
8FD
d 3
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.
n  
kg
rad sec
Wa
Wa = peso de espiras activas
g = constante de gravedad k =
constante del resorte
n
= frecuencia angular
CLASIFICACION DE RESORTE
 RESORTE HELICOIDAL
CILINDRICO DE COMPRESIÓN
Este tipo de resorte es de uso general,
utilizándose en válvulas, engrasadores,
amortiguadores, etc. Está formado
por un hilo de acero de sección
redonda o cuadrada, arrollado en
forma de hélice cilíndrica a derecha
con paso uniforme. Trabaja tratando
de extenderse en la dirección de su
eje, oponiéndose a una fuerza externa
que lo comprima.
RESORTE HELICOIDAL CILINDRICO DE
COMPRESIÓN
 Para conseguir un buen apoyo y un funcionamiento correcto,
los extremos del resorte han de presentar superficies de
apoyo planas y perpendiculares a su eje; por este motivo, las
dos espiras extremas (espiras de apoyo) están más próximas
entre sí (disminución del paso) y esmeriladas.
RESORTE HELICOIDAL CONICO DE
COMPRESIÓN
 En este caso, el hilo de acero se arrolla en forma de hélice
cónica a derecha, concebida de manera que, bajo el efecto de
una determinada carga, la altura del resorte sea mínima.
RESORTE CON LAMINA DE SECCION
RECTANGULAR
 El resorte está formado por un fleje de acero de sección
rectangular arrollado en forma de hélice cónica.
RESORTE CON LAMINA DE SECCION
RECTANGULAR
 Este tipo de resorte se emplea principalmente para
amortiguar fuerzas de choque de gran intensidad en un corto
recorrido, por ejemplo en amortiguadores de topes de
vagones de ferrocarril.
RESORTE HELICOIDAL BICONICO DE
COMPRESIÓN
 En los extremos del resorte el hilo está arrollado en forma de
hélice cónica, mientras que en la parte central el hilo se
arrolla en forma de hélice cilíndrica.
RESORTE DE DISCO
 Es un resorte de compresión formado por arandelas elásticas
en forma de tronco de cono (arandelas Belleville),montadas
individualmente o en grupo superpuestas.
RESORTE DE DISCO
 Este tipo de resorte tiene gran aplicación, dada la
simplicidad de su composición y las cualidades que
reúne,entre las cuales podemos destacar las siguientes:
dimensiones reducidas con gran capacidad de carga,
varias arandelas superpuestas en el mismo sentido
permiten multiplicar la carga que soportan con igual
deformación,varias arandelas superpuestas en oposición
permiten multiplicar la deformación elástica con igual
carga,presentan una gran resistencia a la fatiga, máxima
seguridad de funcionamiento ya que la rotura de una
arandela no deja el resorte fuera de servicio.
RESORTE DE ROSCA
RESORTE HELICOIDAL DE TRACCIÓN
 Es un resorte helicoidal cilíndrico que ejerce la
acción hacia su interior, oponiéndose a una fuerza
exterior que trata de estirarlo en la dirección de su
eje. En reposo, las espiras de este tipo de resorte
están normalmente juntas, por lo que el paso de las
espiras es igual al diámetro del hilo.
RESORTE HELICOIDAL DE TRACCIÓN
RESORTE HELICOIDAL DE TORSIÓN
 Este tipo de resorte se deforma al ser
sometido por sus extremos a un par de
fuerzas perpendiculares a su eje.
 Esta formado por un hilo de acero
arrollado en forma de hélice cilíndrica con
dos brazos extremos, los cuales se
deforman angularmente al estar apoyados
en los elementos que tienen el giro
relativo. Las diferentes formas que pueden
presentar sus extremos son muy variadas,
en consecuencia, habrá que representarlos
y acotarlos siguiendo las normas de
carácter general.
 Este tipo de resorte tiene infinidad de
aplicaciones: pinzas de sujeción, juguetes
mecánicos, etc.
RESORTE DE LAMINAS
 Este tipo de resorte se conoce con el nombre
de ballesta. Está formado por una serie de láminas de
acero de sección rectangular de diferente
longitud, las cuales trabajan a flexión; la lámina
de mayor longitud se denomina lámina maestra.
 Las láminas que forman la ballesta pueden ser
planas o curvadas en forma parabólica, y están
unidas entre sí por el centro a través de un
tornillo o por medio de una abrazadera sujeta
por tornillos.
 Las ballestas se utilizan como resortes de
suspensión en los vehículos, realizando la unión
entre el chasis y los ejes de las ruedas. Su
finalidad es amortiguar los choques debidos a
las irregularidades de la carretera.
RESORTES
DISEÑO MECANICO
FERNANDO CAMPOS CANO
8 “R”
ING. MECATRONICA