Diseño de resortes mecánicos
El diseño de resortes mecánicos hace parte de las piezas principales en el desarrollo e ingeniería mecánica.
facultad de ingeniería · mecánica
lun. 02 de may. 2022
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Los resortes son elementos mecánicos elásticos que tienen como función almacenar energía mecánica, sirviendo como actuadores al retornar esta energía, a consecuencia de estas funciones sirven como aislante de vibraciones, sobre todo trabajando junto con amortiguadores. Para deformar dentro del diseño de resortes mecánicos es necesario aplicar una fuerza F=kX en la que k es la constante del resorte. X es la longitud de deformación del resorte, esta es la fuerza que retorna, eliminando una pérdida de rendimiento, cuando el resorte se libera. Conviene recordar que el sentido de la fuerza F es contrario al de X.

La aplicación de esta fuerza F genera una energía E=1/2kX2 que se mantiene almacenada en el resorte. En el caso de resortes de torsión es necesario aplicar un momento M=kt θ en el que kt es la constante del resorte de torsión. Aquí, θ es el ángulo de deformación del resorte, la energía de torsión que almacena el resorte es E=1/2kt θ2. Se pueden instalar conjuntos de resortes, ya sea en una configuración en serie, en la que el inverso de la constante total kt es la suma de los inversos de las constantes de los resortes 1⁄kt =1⁄k1 +1⁄k2 +1⁄k_n o en una configuración en paralelo, en la que la constante total es la suma de las constantes de los resortes kt =k1 +k2 +kn.

Los resortes se complementan con amortiguadores, que son elementos mecánicos, cuya función es reducir las oscilaciones, aplicando una fuerza siempre en sentido contrario al movimiento. El valor de la fuerza del amortiguador F es el producto de la constante del amortiguador c por la velocidad de desplazamiento. V elevado a un exponente r, que depende del tipo de amortiguador, así F=cvr.

Resortes helicoidales

Los resortes helicoidales sometidos a compresión o a tracción están sometidos a la suma de un esfuerzo de cortadura y a un esfuerzo de torsión. Este de acuerdo con la siguiente fórmula τ=Tr⁄J+F⁄A considerando un diámetro medio de espira D y un diámetro del alambre d. Sirve para obtener un índice del resorte C, entendido como la relación entre los dos diámetros definidos. Al tratarse de un alambre curvado, se deben considerar factores correctores para la curvatura y el esfuerzo cortante directo. Se utilizan el Factor de Wahl, el Factor de Bergsträsser, que se pueden usar indistintamente, ya que la diferencia de valor entre ellos es inferior a 1 %.

También se puede obtener un factor de corrección por curvatura eliminando el efecto del esfuerzo cortante directo KC=KB⁄KS o KC=KW⁄KS. La deformación X del resorte se calcula derivando la energía de deformación U respecto a la fuerza del resorte F. Así, conociendo esta deformación se obtiene la constante del resorte k mediante la fórmula en la que G es el módulo de cortadura del material.

Al igual que las columnas sufren pandeo, los resortes experimentan alabeo cuando se someten a compresión. Esto teniendo en cuenta la deformación a partir de la cual se produce ese alabeo, denominada “deformación crítica”; se obtiene una longitud libre L0 que para ser estable debe cumplir que siendo a una constante que depende las condiciones de los extremos y varían entre 0,5 y 2. En los resortes se recomienda que el índice del resorte C tenga un valor entre 4 y 1w. Además, se recomienda que el número de espiras activas del resorte se encuentre entre 3 y 15.

Otros tipos de resortes

Además de los resortes anteriores, se pueden encontrar los resortes de extensión, de voluta, los de flexión, o de ballestas, las barras de torsión y los muelles neumáticos.

  • Resortes de extensión Se componen de una tira de acero curvado, de manera que la fuerza necesaria para desenrollarlo permanece constante, es decir, que no depende de su extensión.
  • Resortes de voluta Se componen de una tira de acero enrollado, de forma que las espiras encajan unas dentro de otras, como las espiras no se apilan, la altura sólida del resorte está dada por el ancho de la tira, de manera que cuanto mayor es la deformación menor es el número de espiras activas. Si las espiras están en contacto entre ellas, se debe considerar el efecto de amortiguación de la fricción entre ellas.
  • Resortes de flexión Se componen de varias láminas planas sujetas con un perno central de pretensado y unas abrazaderas de sujeción, la tensión que soporta el resorte σ depende de la carga P, la longitud desde el soporte l, el ancho de las láminas b, la altura total del resorte h y el número de láminas n. Se debe considerar que existe una fuerza de rozamiento entre las láminas, que se opone siempre al movimiento de las láminas, de manera que sirve de amortiguamiento.
  • Barras de torsión Se compone de una barra sometida a un esfuerzo de torsión.
  • Muelle neumático e hidroneumático Utiliza una bomba para presurizar aire y utilizarlo como resorte, permite la adaptación de la constante del resorte variando esta presión. El muelle hidroneumático usa un acumulador hidráulico que presuriza el gas.

Diseño de amortiguadores

Los amortiguadores tienen como objetivo atenuar el movimiento de los resortes, ya que aportan una fuerza F que siempre se opone a la dirección del movimiento, es decir, que son elementos que absorben energía. Existen tres tipos principales que ya se han adelantado:

Amortiguador de Coulomb, o de fricción

Actúan por rozamiento entre dos superficies secas o lubricadas, su comportamiento es independiente de la velocidad.

  • Amortiguador viscoso Utilizan un fluido, con una cierta viscosidad, diseñado para pasar por unos huecos calibrados, esto hace que la fuerza de amortiguamiento sea lineal en relación con la velocidad a la que se haga circular el fluido. Una variedad es el amortiguador presurizado, que utiliza un gas para mantener presurizado el fluido, como el gas es compresible actúa también como un resorte.
  • Amortiguador cuadrático Se trata de amortiguadores de fluido con un sistema de disipación de energía que hace que su comportamiento no sea lineal.

Diseño de maquinaria profesional

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