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Resortes

Un resorte helicoidal, también conocido como un muelle helicoidal, es un dispositivo mecánico, que se utiliza normalmente para almacenar energía que posteriormente es liberada para absorber los golpes; es decir, mantienen una fuerza entre superficies de contacto. En otras palabras, se pueden definir como elementos mecánicos que se montan entre dos partes mecánicas de una máquina, con el fin de amortiguar impactos o de almacenar energía y devolverla cuando sea requerida.

Se puede decir, que los resortes helicoidales, soportan el peso de los vehículos y absorben el impacto de la condición de las carreteras; los mismos, aumentan la vida del amortiguador y otros componentes de suspensión incluyendo los neumáticos, junto con los amortiguadores componen el sistema de suspensión de los vehículos que mantienen los cauchos en contacto con la carretera.

Tipos de resortes helicoidales

Los resortes helicoidales se subdividen de la siguiente manera:

Resortes de Compresión: los resortes de compresión son de bobina o espira abierta, destinados a soportar esfuerzos de compresión y choque, propiedad esta que les permite disminuir su volumen cuando se aumenta la presión ejercida sobre ellos, convirtiéndose en los dispositivos de almacenamiento de energía disponibles más eficientes; representan la configuración más común utilizados en el mercado actual. Su fabricación se realiza a partir de alambre redondo, y sus formas pueden ser: cilíndrica, de barril cónico, convexo y otros tipos de perfil.

En la forma más común del resorte helicoidal de compresión, un alambre redondo se enrolla y forma un cilindro con paso constante entre las espiras adyacentes. Esta forma básica se completa con diversos estilos de extremas, como los de la figura 1.

Figura 1. Aspecto de resortes helicoidales de compresión, mostrando estilos de extremos.

Para los resortes de tamaño mediano a grande que se usan en maquinaria, el estilo con extremos escuadrados y rectificados proporciona una superficie plana sobre la cual asentar el resorte. La espira final se aplasta contra la adyacente (cuadrada), y la superficie se rectifica hasta que al menos 270° de la espira extrema están en contacto con la superficie del cojinete. Los resortes hechos con alambre más pequeño (menor que 0.020 pulgadas o 0.50 mm, aproximadamente) sólo son cuadrados, sin rectificarlos. En casos excepcionales, los extremos pueden ser rectificados sin escuadrarlos, o solamente se les puede cortar a cierta longitud después de enrollados. Es probable que esté familiarizado con muchos usos de los resortes helicoidales de compresión. El bolígrafo retráctil depende de un resorte helicoidal de compresión que se le instala alrededor del depósito de tinta. Los sistemas de suspensión de automóviles, camiones y motocicletas contienen, con frecuencia, esos resortes.

Otras aplicaciones automotrices incluyen los resortes de válvulas en motores de combustión, mecanismos de contrapeso en cofres de carrocerías y los resortes de la placa de presión del embrague .En la manufactura, estos resortes se usan en matrices que accionan placas separadoras, en válvulas hidráulicas de control, como resortes de retomo de cilindros neumáticos y en el montaje de equipos pesados, para amortiguar choques. Muchos aparatos pequeños, como los interruptores eléctricos y las válvulas de bola de retención, poseen resortes helicoidales de compresión. Los sillones de escritorio tienen potentes resortes para regresar el asiento a su posición derecha.

En los siguientes párrafos, se definen las muchas variables usadas para describir y analizar el funcionamiento de los resortes helicoidales de compresión

Diámetros

La figura 2 muestra la notación para referirse a los diámetros característicos de los resortes helicoidales de compresión. El diámetro externo (DE), el diámetro interno (DI) y el diámetro del alambre (Dw) son obvios, y se pueden medir con instrumentos estándar de medición. Para calcular el esfuerzo y la deflexión de un resorte, se usan el diámetro medio, Dm. Observe que:

DE=Dm+Dw

DI=Dm-Dw

Figura 2.Notacion de los diámetros.

Longitudes

Es importante comprender la relación entre la longitud del resorte y la fuerza que ejerce (vea la figura 3). La longitud libre, Lf, es la longitud que tiene el resorte cuando no ejerce fuerza, como si estuviera sólo descansando sobre una mesa. La longitud comprimida, Ls, es la que tiene el resorte cuando se comprime hasta el punto en que todas sus espiras se tocan. Es obvio que representa la longitud mínima posible que puede tener el resorte. En general, el resorte no se comprime hasta su longitud comprimida durante su funcionamiento.

La longitud más corta del resorte durante su funcionamiento normal es la longitud de operación, Lo. A veces se diseña un resorte para que trabaje entre dos límites de deflexión. Considerando el resorte de válvula de un motor de combustión, cuando la válvula se abre, el resorte asume su longitud más corta, Lo. Después, cuando la válvula se cierra, el resorte se alarga, pero aún ejerce una fuerza para mantener la válvula firme en su asiento. En este estado, se !e denomina longitud instalada, Li. Entonces, la longitud de este resorte de válvula cambia de Lo a Li durante su funcionamiento normal, cuando la válvula misma realiza un movimiento recíproco.

Figura 3. Notación de longitudes y fuerzas

Para la figura 3, se usará el símbolo F para representar las fuerzas que ejerce un resorte, con diversos subíndices para especificar cuál es la fuerza a considerar. Los subíndices son iguales a los que indican las longitudes. Entonces:

Fs = fuerza en longitud comprimida; la fuerza máxima a la que se puede someter al resorte

Fo = fuerza en la longitud de operación, Lo; es la fuerza máxima que siente el resorte en su operación normal.

Fi = fuerza a la longitud instalada, Li; para un resorte alternativo, la fuerza varía entre Fo y Fi.

Ff= Fuerza en la longitud libre, Lf ; esta fuerza es igual a cero.

Constante del resorte

La relación entre la fuerza que ejerce un resorte y su deformación es su constante de elasticidad, k. Cualquier cambio en la fuerza, dividido entre el cambio correspondiente en la deflexión, se puede usar para calcular la constante del resorte:

K=ΔF/ΔL

Resortes de Extensión: los resortes de extensión se caracterizan por ser de bobina o espira cerrada, destinados a soportar esfuerzos de tracción cuando son sometidos a la acción de fuerzas opuestas que lo atraen, pueden usarse multitud de configuraciones y longitud del gancho, donde las vueltas unidas suministran la tensión inicial en el resorte para ayudar a manipular la carga y la velocidad. Sus aplicaciones varían desde pequeños equipos médicos hasta resortes de frenos para maquinaria pesada o automotores.

Los resortes de extensión son diseñados para ejercer una fuerza de tracción y para almacenar energía. Se les fabrica con espiras helicoidales muy próximas, de apariencia similar a los resortes helicoidales de compresión. La mayoría de los resortes de extensión están fabricados con las espiras adyacentes en contacto, de tal manera que se debe aplicar una fuerza inicial para separarlas. Una vez separadas, la fuerza es linealmente proporcional a la deflexión, igual que para los resortes helicoidales de compresión. La figura 4 muestra un resorte de extensión típico y la figura 5 muestra el tipo característico de curva carga-deformación. Por convención, la fuerza inicial se determina al prolongar la parte recta de la curva hasta la deflexión cero.

Figura 4. Resorte de extensión.

Figura 5. Curva carga-deflexión, para un resorte de extensión.

Los esfuerzos y deflexiones en un resorte de extensión se pueden calcular mediante las fórmulas para resortes de compresión. Todas las espiras de un resorte de extensión son activas. Además, como las espiras o ganchos extremos se flexionan, su deflexión puede afectar la constante real del resorte.

La tensión inicial en un resorte de extensión es del 10 al 25% de la fuerza máxima de diseño, en el caso típico. La figura 6 muestra la recomendación de un fabricante, acerca del esfuerzo de torsión preferido, debido a la tensión inicial, en función del índice del resorte.

Figura 6. Esfuerzo cortante torsional recomendado para un resorte de extensión, causado por la tensión inicial.

Configuraciones de extremos en resortes de extensión

Se puede conseguir una gran variedad de configuraciones de extremos, para fijar los resortes a los elementos de máquina que les corresponden. Algunas de las configuraciones se muestran en la figura 19-4. El costo del resorte puede verse muy influido por el tipo de sus extremos, por lo que se recomienda consultar a los fabricantes antes de especificar los extremos.

Figura 7. Configuraciones de extremos para resortes de extensión.

Resortes de Torsión: en los resortes de torsión por lo general sus espiras son por lo general cerradas, están destinados a soportar esfuerzos laterales o deformación helicoidal cuando se le aplica un par de fuerzas paralelas de igual magnitud y sentido contrario,

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