RESORTES

Diseo esttico

Fatiga

Resortes

Resortes Helicoidales a Compresin

Resortes Helicoidales a Extensin

Resortes Helicoidales a Torsin

Otros Tipos de Resortes

Resortes

Todos los elementos mecnicos poseen un comportamiento elstico debido a los materiales utilizados en su fabricacin.

Un elemento se denominar resorte cuando la utilidad que tiene para el mecanismo del cual es parte se basa en conocer la deflexin en algn lugar especfico, en funcin

de la carga aplicada.

Los resortes se disean para entregar una fuerza, para empujar, para tirar, torcer o almacenar energa.

Basado en lo anterior los resortes se clasifican en cuatro categoras:

Compresin

Traccin

Torsin

Resorte de motor

En cada una de estas clasificaciones existen muchas configuraciones estndar que dependen del fabricante especfico.

Lo ms comn es recurrir a un fabricante al que se le entregan las especificaciones de dimensiones y condiciones de trabajo.

Resortes

Un elemento se le denominar resorte cuando la utilidad que tiene en el mecanismo en el que trabaja se basa en la deflexin en

funcin de una carga aplicada.

Los resortes se disean para entregar una fuerza, para empujar, para tirar, torcer o almacenar energa.

Basado en lo anterior los resortes se clasifican en cuatro categoras:

Compresin

Traccin

Torsin

Expansin (Belleville)

En cada una de estas clasificaciones existen muchas configuraciones estndar que dependen del fabricante especfico.

Lo ms comn es recurrir a un fabricante al que se le entregan las especificaciones de dimensiones y condiciones de trabajo.

Constante del Resorte

Adems de la forma y/o configuracin, el resorte posee una caracterstica denominada constante de resorte y corresponde a la

pendiente de la curva fuerza/deflexin

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

La tasa del resorte puede ser un valor constante (resorte

lineal) o variar con la deflexin

(resorte no lineal).

Cuando intervienen varios resortes se puede calcular una

constante de resorte global

para el comportamiento en

serie o en paralelo.

yFK F fuerza aplicada

y deflexin

Materiales para Resorte

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

El material ideal corresponde a una con elevada resistencia a la fluencia y un mdulo de elasticidad

bajo.

En caso de resortes sometidos a cargas dinmicas se requieren adicionalmente propiedades de resistencia

a la fatiga.

Los ms comunes son aceros de medio y alto carbono y de aleacin.

Materiales para Resorte

Tambin hay algunas aleaciones de acero inoxidable, de cobre (latn, cobre-berilio) y bronce fosforado.

Para resortes de servicio ligero lo ms comn es el alambre estirado es fro, redondo o rectangular, o

cinta delgada laminada en fro.

Los resortes de servicio pesado son fabricados en materiales laminados en caliente o forjados,

sometidos a tratamiento trmico.

Materiales ver Tabla 10.3 pag.506 y 507 Shigley 8vaEd.

Resortes Helicoidales a Compresin

Para este resorte la configuracin ms comn es el resorte de dimetro de espiras constante, de paso constante, de

alambre redondo.

Hay otros diseos como el cnico, de barril de reloj de arena, cada uno con cualidades especficas.

Caractersticas

Todos proporcionan resistencia a la compresin.

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

Los parmetros de un resorte helicoidal a compresin estndar, que sirven para definir la geometra, son:

Dimetro de alambre (d)

Dimetro medio de la espira (D)

Longitud libre (Lf)

Nmero de espiras (Nt)

Paso de espiras (p)

El dimetro exterior (Do) y el dimetro interior (Di) interesan para definir el alojamiento del resorte.

Longitud de los Resortes

Los resortes tienen varias dimensiones y deflexiones de inters

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

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

Carga de trabajo: es la que e aplica para comprimir an ms el resorte en su deflexin de trabajo (Ytrabajo).

Longitud mnima de trabajo (Lm): es la dimensin ms corta a la que se comprimir 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 mnima de trabajo y la altura de cierre y se expresa como un porcentaje de

la deflexin de trabajo.

Detalles de Terminacin

Hay cuatro tipos de extremos para resortes a compresin:

Sencillo

Sencillo rectificado

Cuadrado

Cuadrado rectificado

Las rectificadas son operaciones ms complejas y costosas pero mejoran la alineacin con la superficie que comprime al

resorte.

Espiras Activas

El nmero total de espiras Nt podra o no contribuir de manera activa a la deflexin.

Los detalles de terminacin eliminan algunas espiras.

Para efectos de clculo se necesita el nmero de espiras activas Na

ndice del Resorte

El ndice del resorte C es la razn del dimetro de la espira D al dimetro del alambre d.

El rango sugerido para C es de 4 a 12.

C12 el resorte es propenso a pandearse y enredarse.

Esfuerzos en las Espiras

Un resorte helicoidal se modela como una barra empotrada sometida

a torsin, por lo que en cualquier

seccin transversal de la espira

habr dos componentes de esfuerzo.

Una componente ser un esfuerzo de corte de torsin provocado por el

torque T.

La segunda componente es provocada por un esfuerzo de corte

debido a la fuerza F.

Esfuerzos en las Espiras

Ambos esfuerzos se suman y presentan su mximo en la fibra interior del resorte,

alcanzando un valor de

A

F

J

Trmax

reemplazando la definicin del ndice 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 correccin del esfuerzo cortante directo y la solucin de la ltima ecuacin de esfuerzo sera

exacta para un alambre recto.

Para incluir el efecto de la curvatura del alambre se presenta una concentracin de esfuerzos en la fibra interna que se

maneja con un factor Kw (factor de Wahl) que incluye la

concentracin de esfuerzos y los esfuerzos de cortante directo.

CC

CK w

615.0

44

14

3max

8

d

FDK w

Otra expresin para el efecto de la curvatura esta basada en el factor KB (factor de Bergstrasser) que difiere de la anterior en

menos de 1%.

La formula de cortante queda como: 3max

8

d

FDKB

34

24

C

CKB

Deflexin del Resorte

Aunque la carga en el resorte es a compresin, el alambre del resorte est sometido a cargas de torsin.

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

La deflexin en un resorte helicoidal a compresin fabricado en alambre redondo es:

Gd

NFDy a

4

38

F = carga axial aplicada

D = dimetro medio de las espiras

d = dimetro del alambre

Na = nmero de espiras activas

G = mdulo de corte del material

Detalle del calculo por energa de deformacin pag.502 Shigley 8vaEd.

Constante de un Resorte

La constante del resorte se encuentra reorganizando la ecuacin de deflexin:

El resorte helicoidal estndar de compresin tiene una tasa de resorte k

que es lineal en la mayor parte del rango

de operacin.

La constante del resorte debe definirse entre un 15% y un 85% de su deflexin

total.

aND

Gd

y

Fk

3

4

8

Resortes Helicoidales a Compresin

(Esfuerzos Residuales)

Cuando se enrolla el alambre en forma de hlice, se ejercen esfuerzos residuales a la tensin en la superficie interna y a compresin en la superficie

externa.

Estos esfuerzos residuales no benefician al resorte y se deben eliminar a travs de un recocido de eliminacin 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 ms largo que el largo requerido.

El asentamiento tambin 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 inversin de carga.

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

Estabilidad de un Resorte a Compresin

(Pandeo)

Un resorte a compresin 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 razn de aspecto de la longitud libre del resorte al dimetro

externo de la espira.

Donde depende de las condiciones de los extremos.

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

D

Lefect

0

Estabilidad de un Resorte a Compresin

(Pandeo)

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

2

1

02

)(2

EG

GEDL

CONDICION DE EXTREMO Resorte apoyado entre superficies planas paralelas (extremos fijos) 0.5 Un extremo apoyado por una superficie plana perpendicular al eje del resorte (fijo) y el otro extremo con pivote (articulado) 0.707 Ambos extremos con pivote (articulados) 1 Un extremo sujeto y el otro libre 2

En el caso de aceros:

DL

63.20

Para extremos a escuadra y esmerilados:

DL 26.50

Frecuencia critica de un resorte (Oscilacin)

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

Si la frecuencia de excitacin es similar a su frecuencia natural entraran en resonancia y las espiras se golpearan

longitudinalmente.

En la prctica la frecuencia natural del resorte debe ser superior a 13 veces la frecuencia de excitacin o de trabajo del resorte,

para aplicar esto es necesario conocer la frecuencia natural del

resorte.

,...3,2,1

sec

m

radW

kgm

a

n W a = peso de espiras activas g = constant e de gravedad k = constante del resorte

n = frecuencia angular

Resortes Helicoidales a Extensin

Resortes Helicoidales a Torsin

Otros Tipos de Resortes

Otros Tipos de Resortes