Como é fabricada uma mola de tensão, que influência têm os projetos de molas de tensão, as formas dos ilhós, as características e os materiais das molas, e o que significam termos técnicos como pré-carga, relaxamento, ponto de rendimento e carga dinâmica para uma mola de tensão? A fim de atualizar os conhecimentos básicos para o próximo desenho da mola de tensão (vídeo), Gutekunst Federn discute brevemente estes tópicos relacionados com a mola de tensão. Porque onde quer que a força tenha que ser aplicada por tensão e não por compressão, não há como contornar a mola de tensão. As molas de tensão são utilizadas, por exemplo, na construção de veículos como molas de retorno, assim como em portas de garagens, fechaduras, caixas de cama e em relés na construção de instalações e equipamentos. Por vezes também são utilizados sistemas de molas de tensão com várias molas de tensão. Os exemplos de aplicação mais comuns são conjuntos de molas para portas de garagem ou mecanismos de dobra para gavetas de cama em conexão paralela, onde componentes com maior massa são mantidos em posição com forças constantes e torques de mola.
A produção
As molas de tensão são feitas de arames de aço de mola redonda ou oval. O arame de aço para molas é geralmente formado em qualquer forma desejada num processo de conformação a frio, seja enrolando-o em torno de um mandril com um sistema de um dedo ou – no caso de máquinas totalmente automáticas de enrolar molas – com a ajuda de vários pinos guia de arame (sistema de dois ou três dedos). Os ilhós são formados diretamente durante o processo de guincho ou montados em uma operação a jusante. As molas de tensão são normalmente fabricadas de forma cilíndrica com um ilhó 1/1 alemão em cada lado, de acordo com a norma EN 13906-2. O especialista em molas Gutekunst reuniu um pequeno vídeo no YouTube mostrando como é fabricada uma mola metálica. Basta digitar“vídeo de produção de primavera” no Google.
Formas de molas e de ilhós
Além do desenho da mola de tensão cilíndrica com característica de mola linear, também são frequentemente fabricadas molas de tensão cónicas ou em forma de barril. Além de uma curva característica progressiva da mola, as extremidades cônicas da mola também alcançam uma vida útil mais longa. Uma curva de força degressiva não pode ser gerada através do desenho da mola de tensão; isto requer um mecanismo de alavanca da mola de tensão, como no caso de uma base de cama. São utilizadas diferentes formas de ilhós, dependendo da aplicação. Além das formas clássicas de ilhós, como o ilhós 1/1 alemão ou o olhal de gancho, também são oferecidas extremidades de mola mais resistentes, como o parafuso de rosca enrolado ou o tampão roscado aparafusado, resultando em uma vida útil mais longa. Em geral, as molas de tensão não são adequadas para uso permanente devido aos ilhós, pois a conexão dos ilhós na curva de transição é um ponto fraco importante.
Três forças ocorrem com os olhos da mola de tensão – a carga de tração, a carga de torção e a carga de flexão. É por isso que é importante assegurar que a força aplicada às molas de tensão esteja centrada no ilhós, caso contrário há um risco acrescido de quebra do ilhós. Além disso, o raio de transição (r) do corpo da mola para o ilhós da mola deve ser sempre maior do que a espessura do fio (d).
Pré-carga
No caso da mola de tensão, é criada uma pré-tensão durante a fabricação por uma torção contra a próxima bobina. Esta pré-carga é largamente desejada porque minimiza o comprimento de operação necessário da mola de tensão. Entretanto, o seguinte se aplica à produção de molas de tração: quanto maior a pré-carga, maior o esforço de produção. A pré-tensão também depende da relação de enrolamento “w = D/d” (“D” diâmetro médio de enrolamento, “d” espessura do fio), ela diminui com o aumento da relação de enrolamento. Se não for desejada uma pré-carga para uma mola de tensão, como uma mola de medição, esta pode ser quase completamente removida posteriormente por uma temperatura de têmpera mais elevada e um tempo de têmpera mais longo. As molas de tensão com forma quente também não contêm pré-carga. A fim de poder garantir as propriedades da mola necessárias, tais como dimensionalidade de construção ou propriedades de força, após a fabricação, a pré-carga (F0) ou o diâmetro médio da bobina (D) é normalmente tolerada como compensação de fabricação.
Relaxamento, tensão de cisalhamento e forças de mola
Se a mola de tensão for carregada a temperaturas mais elevadas durante um período de tempo mais longo, perde-se uma certa percentagem da força da mola – como é o caso de todas as molas metálicas. Esta perda de força chama-se relaxamento, e aumenta com o aumento da temperatura e da tensão. Como o relaxamento, dependendo do material e da temperatura, pode significar uma perda de força de até 20 por cento, o maior curso da mola deve ser no máximo 80 por cento da tensão permitida. Se a tensão de corte exceder o valor admissível do ponto de rendimento quando a mola de tensão é carregada, ocorre uma redução permanente da pré-carga ou uma deformação da mola de tensão. Além disso, deve-se prestar atenção à oscilação de ressonância da mola de tensão; idealmente, as oscilações da freqüência do excitador são dez vezes menores que a freqüência natural da mola, caso contrário podem ocorrer aumentos consideráveis de tensão que levam à quebra da mola.
A rigidez da mola depende do fio de aço da mola e da velocidade da mola ou constante da mola. A taxa da mola também define a relação entre a força da mola e o curso da mola. Basicamente, o dimensionamento da força da mola pode ser influenciado pelas seguintes medidas:
- Diâmetro do fio (d) maior > Mola mais dura
- Diâmetro da bobina (De) maior > Mola mais macia
- Número de bobinas de mola (n) maior > Mola mais macia
Carga dinâmica
Ascargas dinâmicas são cargas variáveis no tempo com mais de 10.000 golpes. Ao contrário das molas de compressão, não existem diagramas de resistência à fadiga para molas de extensão, com os quais é especificado um possível campo dinâmico de tensão com base no material, no diâmetro do fio e na tensão de curso. A razão para isso é a variedade de formas dos ilhós, a maioria dos quais não tem resistência à fadiga devido ao arco de transição do corpo da mola para o ilhós. Formas de ilhós como o tampão roscado aparafusado ou o parafuso roscado enrolado têm melhores propriedades dinâmicas, mas mesmo assim devem ser realizados testes de vida real para cada mola de tensão utilizada dinamicamente para a respectiva aplicação de trabalho.
Material e superfície da mola
A seleção do fio de aço para molas não só influencia a força da mola, mas também fornece as propriedades apropriadas para a respectiva aplicação da mola. Assim, além dos fios normais de aço não ligado para molas, também são utilizados aços inoxidáveis para molas, fios de molas para válvulas em SiCr, ligas de cobre para boas propriedades elétricas, ligas de níquel para alta resistência ao calor e à corrosão, bem como ligas de titânio para as mais altas exigências da engenharia aeronáutica. Além disso, vários tratamentos de superfície também podem ser aplicados para otimizar a mola. Com as molas de extensão, porém, o tratamento superficial é difícil porque as bobinas estão tão próximas umas das outras.
Depois e vantagens
As desvantagens da mola de tensão são o tamanho do espaço de instalação, o ponto sensível na conexão do ilhós e a perda total da força da mola após uma ruptura do ilhós. As vantagens mais importantes da mola de tensão são a ausência de dobras, a possibilidade de transmissão de força cêntrica e a ausência de atrito devido à eliminação de elementos de guia, como mangas ou mandris.
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Para mais informações:
- Design de mola de tensão (vídeo)