Cálculos de diseño de resorte

Conocimientos básicosConstrucción

Los resortes son componentes mecánicos que pueden almacenar y suministrar energía de tensión generada por el trabajo utilizado para tensar, alargar o comprimir el resorte en forma de energía de deformación o tensión. Se utilizan en muchas aplicaciones y pueden encontrarse en componentes electrónicos pequeños, así como en máquinas industriales grandes. Para garantizar que un resorte realice su función, debe diseñarse correctamente. Para este fin, se calculan parámetros como la constante del resorte y el recorrido del resorte.

Tipos de resortes

Hay diferentes tipos de resortes que difieren en función y apariencia.

Los resortes se diferencian por carga y forma. Los tipos más comunes son:

Formas de resortes:

  • Muelles en espiral: Los muelles en espiral tienen forma helicoidal. Pueden ser muelles de tensión, muelles de compresión o muelles de torsión. Pueden tener una fuerza de resorte constante durante un recorrido más largo.
  • Resortes de hojas: Los resortes de hojas constan de varias hojas metálicas que están conectadas entre sí. Pueden absorber grandes cargas durante un período de tiempo prolongado.
  • Resortes de disco: Los resortes de disco constan de uno o más discos o placas concéntricos. Absorben cargas axiales y están comprimidos.

Cargas de resorte:

  • Resortes de compresión: Los resortes de compresión se comprimen mediante cargas de compresión (fuerza de compresión). Son cilíndricos o cónicos.
  • Resortes de tensión: Los resortes de tensión se estiran bajo carga de tensión. Por ejemplo, pueden ser rectos, cónicos o helicoidales.
  • Muelles de torsión (también resortes de torsión): Los muelles de torsión se retuercen cuando se ejerce una torsión sobre ellos. Tienen una constante de resorte de torsión lineal o no lineal.
  • Muelles de flexión: Los muelles de flexión son capaces de absorber cargas de flexión, lo que genera un efecto de resorte.

Puede obtener más información en el blog sobre la selección de resortes de tensión y resortes de compresión: descripción general/uso/ejemplos de aplicación.

Cálculo de muelles

Para calcular y diseñar resortes, deben determinarse o conocerse primero parámetros como la velocidad del resorte, la constante del resorte y el trabajo del resorte. Pueden calcularse, por ejemplo, la fuerza del resorte o la constante del resorte.

Consideraciones preliminares para el cálculo del resorte y el diseño del resorte

Antes de calcular o diseñar el resorte, deben establecerse varios requisitos y especificaciones importantes, tales como:

  • Requisitos de carga, p. ej., carga máxima, tipo de carga (compresión, tensión, torsión), frecuencia y ciclo de trabajo del tipo de carga
  • Entorno y condiciones de funcionamiento, p. ej., temperatura, riesgo de corrosión, humedad y grado de contaminación
  • Amortiguación y absorción de vibraciones, por ejemplo, necesidad de elementos de amortiguación
  • Restricciones de espacio e instalación, p. ej., para las dimensiones del muelle, el diseño de la geometría de la bobina y los extremos

La automatización rentable utiliza principalmente resortes de tensión y resortes de compresión.

Parámetros para calcular resortes

Los siguientes parámetros deben conocerse primero antes de calcular los resortes de compresión, los resortes de tensión, etc.:

Para un resorte de tensión de ejemplo

  • ¿Qué fuerza (F) se ejercerá sobre el resorte? ¿Qué longitud libre (L0) y recorrido de resorte (X) está disponible?
  • ¿El resorte debe estar equipado con terminales de tensión o se requieren terminales de tensión adicionales? ¿Y qué efecto tienen las lengüetas de tensión adicionales en la longitud?
  • ¿El diámetro interior (D) del resorte y/o el diámetro del alambre (d) desempeñan un papel?
  • ¿El peso muerto del resorte desempeña un papel en la aplicación y de qué espacio se dispone para cualquier reemplazo necesario del resorte?
  • ¿Las lengüetas deben disponerse con la misma orientación o girarse 90°?

Cálculo de la fuerza del resorte con la fórmula de fuerza del resorte

La fuerza del resorte, también llamada fuerza de sujeción, es la fuerza generada por un resorte cuando se estira o comprime, en función de su rigidez o constante de resorte. Esta fuerza tiene como objetivo devolver el resorte a su forma o posición original. El cálculo se realiza normalmente utilizando la fórmula de fuerza del resorte, también llamada ley de Hooke. La ley de Hooke describe la relación lineal entre la fuerza (F) ejercida sobre un cuerpo elástico y la elongación o compresión resultante (Δx) de ese cuerpo en la región elástica del material:

 

Donde:

  • F = Fuerza del resorte, medida en Newton (N)
  • k = Constante de resorte, la rigidez del resorte, en unidades como N/m (Newtons por metro)
  • Δx = Recorrido del resorte, el alargamiento (para resortes de tensión) o la compresión (para resortes de compresión) del resorte, medidos en metros (m).

La constante del resorte y el recorrido del resorte (elongación o compresión) se pueden leer a partir de las especificaciones técnicas y los datos del fabricante o se calculan de la siguiente manera.

Cálculo de la constante de resorte con la fórmula de fuerza del resorte

La constante de resorte, a menudo denominada tasa de resorte, es uno de los parámetros básicos de un resorte. Indica cuánta fuerza se requiere para deformar el resorte a cierta distancia.

k = \frac{F}{\Delta x}

Cuanto mayor sea la constante de resorte, más rígido será el este. Una constante de resorte alta significa que se necesita una fuerza relativamente alta para deformar el resorte, mientras que los resortes con una constante de resorte baja se deforman más fácilmente.

Cálculo de la constante de resorte total para varios resortes

En realidad, rara vez se instala un solo resorte. En su lugar, por lo general se instalan varios resortes sucesivamente o uno junto al otro. ¿Cómo se calcula la constante de resorte en estos casos? La constante de resorte total debe determinarse en todos los casos.

 

Si se conectan varios resortes en serie (configuración en línea), la constante total de resorte se calcula de la siguiente manera:

\frac{1}{k_{ges}} = \frac{1}{k_{1}} + \frac{1}{k_{2}} + ..

Si se instalan varios resortes uno al lado del otro (configuración paralela), la constante total de resorte se calcula de la siguiente manera:

k_{ges} = k_{1} + k_{2} + ..

Aspectos de seguridad

Para evitar fallos en el resorte, este no debe cargarse por encima de su tensión nominal. La tensión nominal depende del material del resorte. Por ejemplo, para resortes de acero, la tensión nominal varía de 550 MPa (megapascal) a 800 MPa, dependiendo de la aleación y el templado. Para resortes de acero inoxidable, la tensión nominal es de entre 500 MPa y 700 MPa.

Vida útil y fatiga

Un resorte puede fatigarse con el tiempo, especialmente si se carga y alivia con frecuencia. Por lo tanto, es importante tener en cuenta la vida útil del resorte en condiciones de carga.

Muelles de tensión MISUMI - Rango de carga para capacidad de carga máxima por serie (especificado en N)
Versión Ilustración Material:
JIS-SWP-A		 Material:
EN 1.4301 (WPB) Equiv.		 Rango de carga - Capacidad de carga máxima de la serie
(Material JIS-SWP-A)
Número de pieza de a
Carga muy baja AWA AUA 0.69 19.6
para baja capacidad de carga AWY
BWY		 AUY
BUY		 1.86 78.45
Carga baja/media AWU
BWU		 AUU
BUU		 2.45 98.07
Capacidad de carga media AWS
BWS		 AUS
BUSS		 3.53 225.55
Carga media/pesada AWF - 6.47 83.36
Capacidad de carga alta AWT
BWT		 AUT
BUT		 8.8 430.51
Configurable WFSP
BWFSP		 UFSP
BUFSP		 2.37
(a L = 50 mm)		 156
(a L = 50 mm)
Largo sin ojal LWS LUS - -
Nota sobre la resistencia al calor:
(aplicable al material del hilo del muelle)		 JIS-SWP-A: Uso entre 0 °C y 120 °C
EN 1.4301 (WPB) Equiv. Uso entre 0 °C y 180 °C
Nota general: Datos obtenidos a temperatura ambiente. La carga permitida y la resistencia al envejecimiento pueden variar en función de las diferentes condiciones a temperaturas más altas.

Recomendaciones para los resortes MISUMI

MISUMI ofrece una amplia gama de resortes, como resortes de tensión y resortes en espiral redondos. Los resortes en espiral están diseñados para mantener la carga máxima constante en el mismo diámetro. Recomendamos utilizar los resortes dentro de la desviación permitida para garantizar la funcionalidad y la forma y para lograr la vida útil esperada. Se recomiendan resortes a temperaturas ambiente normales (40 °C o menos). Los valores de carga disminuyen por encima de 40 °C. Este rango de temperatura también se asume para los resortes de bobina redonda MISUMI.

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