¿Cómo se fabrica un muelle de tracción, qué influencia tienen los diseños de los muelles de tracción, las formas de los ojales, las características de los muelles y los materiales de los muelles, y qué significan para un muelle de tracción términos técnicos como precarga, relajación, límite elástico y carga dinámica? Con el fin de refrescar los conocimientos básicos para el próximo diseño de mu elles de tracción (vídeo), Gutekunst Federn trata brevemente estos temas relacionados con el muelle de tracción. Porque dondequiera que la fuerza tenga que aplicarse por tensión y no por compresión, no se puede evitar el muelle de tracción. Los muelles de tracción se utilizan, por ejemplo, en la construcción de vehículos como muelles de retorno, así como en puertas de garaje, cerraduras, cajas de cama y en relés en la construcción de instalaciones y equipos. También se utilizan a veces sistemas de resortes de tensión con varios resortes de tensión. Los ejemplos de aplicación más comunes son los conjuntos de muelles de puertas de garaje o los mecanismos de plegado de cajones de cama en conexión paralela, donde los componentes con una masa mayor se mantienen en posición con fuerzas y pares de muelles constantes.
La producción
Los muelles de tracción están hechos de alambres de acero para muelles redondos u ovalados. El alambre de acero para muelles se suele conformar en cualquier forma deseada en un proceso de conformación en frío, ya sea enrollándolo alrededor de un mandril con un sistema de un solo dedo o -en el caso de las máquinas de enrollado de muelles totalmente automáticas- con la ayuda de varios pasadores guía de alambre (sistema de dos o tres dedos). Los ojales se forman directamente durante el proceso de enrollado o se colocan en una operación posterior. Los muelles de tracción suelen fabricarse de forma cilíndrica con un ojal alemán 1/1 en cada lado, de acuerdo con la norma EN 13906-2. El especialista en muelles Gutekunst ha elaborado un breve vídeo en YouTube que muestra cómo se fabrica un muelle metálico. Sólo tienes que escribir«vídeo de producción de primavera» en Google.
Formas de muelle y formas de ojal
Además del diseño de muelle de tracción cilíndrico con una característica de muelle lineal, también se fabrican con frecuencia muelles de tracción cónicos o en forma de barril. Además de una curva característica progresiva del muelle, los extremos cónicos del muelle también consiguen una mayor vida útil. No se puede generar una curva de fuerza decreciente mediante el diseño del muelle de tracción; esto requiere un mecanismo de palanca de muelle de tracción, como en el caso de un somier. Se utilizan diferentes formas de ojetes en función de la aplicación. Además de las formas clásicas de ojetes, como el ojete alemán 1/1 o el ojo de gancho, también se ofrecen extremos de resorte más resistentes, como el perno roscado enrollado o el tapón roscado atornillado, lo que se traduce en una mayor vida útil. En general, los muelles de tracción no son adecuados para su uso permanente debido a los ojales, ya que la conexión de los ojales en la curva de transición es un punto débil importante.
En los ojos de los muelles de tracción se producen tres fuerzas: la carga de tracción, la carga de torsión y la carga de flexión. Por eso es importante asegurarse de que la fuerza aplicada a los muelles de tracción esté centrada en el ojal, ya que, de lo contrario, aumenta el riesgo de que se rompa el ojal. Además, el radio de transición (r) del cuerpo del muelle al ojal del muelle debe ser siempre mayor que el grosor del hilo (d).
Precarga
En el caso del muelle de tracción, se crea una tensión previa durante la fabricación mediante un giro contra la siguiente bobina. Esta precarga es en gran medida deseada porque minimiza la longitud de funcionamiento necesaria del muelle de tracción. Sin embargo, en la producción de muelles de tracción se aplica lo siguiente: cuanto mayor sea la precarga, mayor será el esfuerzo de producción. La pretensión también depende de la relación de bobinado «w = D/d» («D» diámetro medio del bobinado, «d» grosor del hilo), disminuye al aumentar la relación de bobinado. Si no se desea ninguna precarga para un muelle de tracción, como un muelle de rango, ésta puede eliminarse casi por completo después utilizando una temperatura de revenido más alta y un tiempo de revenido más largo. Los muelles de tracción conformados en caliente tampoco contienen precarga. Para poder garantizar las propiedades requeridas del muelle, como la dimensionalidad de la construcción o las propiedades de fuerza, después de la fabricación, normalmente se tolera la precarga (F0) o el diámetro medio de la bobina (D) como compensación de fabricación.
Relajación, tensión de cizallamiento y fuerzas de resorte
Si el muelle de tracción se carga a temperaturas más altas durante un periodo de tiempo más largo, se pierde un cierto porcentaje de la fuerza del muelle, como ocurre con todos los muelles metálicos. Esta pérdida de fuerza se denomina relajación, y aumenta con el aumento de la temperatura y la tensión. Dado que la relajación, según el material y la temperatura, puede suponer una pérdida de fuerza de hasta el 20%, el mayor recorrido del muelle debe ser como máximo el 80% de la tensión admisible. Si el esfuerzo cortante supera el valor admisible del límite elástico cuando se carga el muelle de tracción, se produce una reducción permanente de la precarga o una deformación del muelle de tracción. Además, hay que prestar atención a la oscilación de resonancia del muelle de tracción; lo ideal es que las oscilaciones de la frecuencia del excitador sean diez veces menores que la frecuencia natural del muelle, ya que, de lo contrario, pueden producirse aumentos de tensión considerables que provoquen la rotura del muelle.
La fuerza del muelle/rigidez del muelle depende del alambre de acero del muelle y del índice de muelle o de la constante del muelle. El índice de muelle también define la relación entre la fuerza del muelle y su recorrido. Básicamente, el dimensionamiento de la fuerza del muelle puede verse influido por las siguientes medidas:
- Diámetro del hilo (d) mayor > Muelle más duro
- Diámetro de la bobina (De) mayor > Muelle más blando
- Número de espiras del muelle (n) mayor > Muelle más blando
Carga dinámica
Lascargas dinámicas son cargas que varían en el tiempo con más de 10.000 golpes. A diferencia de los muelles de compresión, no existen diagramas de resistencia a la fatiga para los muelles de extensión, con los que se especifica un posible campo de tensiones dinámicas en función del material, el diámetro del hilo y la tensión de la carrera. La razón es la variedad de formas de ojales, la mayoría de los cuales no tienen resistencia a la fatiga debido al arco de transición del cuerpo del muelle al ojal. Las formas de ojal, como el tapón roscado atornillado o el perno roscado enrollado, tienen mejores propiedades dinámicas, pero, no obstante, deben realizarse pruebas de vida real para cada muelle de tracción utilizado dinámicamente para la respectiva aplicación de trabajo.
Material y superficie del muelle
La selección del alambre de acero para mu elles no sólo influye en la fuerza del muelle, sino que también proporciona las propiedades adecuadas para la respectiva aplicación del muelle. Así, además de los alambres normales de acero para muelles sin aleación, también se utilizan aceros inoxidables para muelles, alambres para muelles de válvulas aleados con SiCr, aleaciones de cobre para obtener buenas propiedades eléctricas, aleaciones de níquel para una alta resistencia al calor y a la corrosión, así como aleaciones de titanio para las más altas exigencias de la ingeniería aeronáutica. Además, se pueden aplicar diversos tratamientos superficiales para optimizar el muelle. Sin embargo, con los muelles de extensión, el tratamiento de la superficie es difícil porque las bobinas están muy juntas.
Después y ventajas
Las desventajas del muelle de tracción son el tamaño del espacio de instalación, el punto sensible en la conexión del ojal y la consiguiente pérdida total de la fuerza del muelle tras la rotura del ojal. Las ventajas más importantes del muelle de tracción son la ausencia de acodamiento, la posibilidad de transmisión de fuerza céntrica y la ausencia de fricción gracias a la eliminación de elementos de guía como manguitos o mandriles.
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Información Adicional:
- Diseño de muelles de tracción (vídeo)