La fiabilidad es muy importante para muchos usuarios de muelles. Sin resortes, muchas aplicaciones fallarán o se volverán menos eficientes. Por lo tanto, se ha investigado mucho sobre el comportamiento de los resortes bajo cargas variables.
Si un resorte funciona durante menos de 10.000 ciclos durante su vida útil, se considera que está funcionando estáticamente y la fatiga no juega un papel. Además de esto, la fatiga afecta el rendimiento del resorte y debe tenerse en cuenta durante el proceso de diseño.
Los factores que afectan principalmente el rendimiento a fatiga de los resortes son los siguientes:
- Estrés laboral
- La calidad de la superficie del material
- llevar
Tabla de contenido
Estrés laboral
Durante el funcionamiento, el resorte generalmente funciona entre dos posiciones fijas. Puede calcular fácilmente la tensión de trabajo en estas posiciones y utilizar los resultados para predecir la vida útil del resorte. Para ello, es necesario utilizar un diagrama de Goodman basado en datos obtenidos a través de muchos años de experimentación en centros como The Institute of Spring Technology. Los diagramas de Goodman están disponibles en una variedad de grados y tipos de materiales utilizados.
A continuación se muestra un ejemplo de un diagrama de Goodman (Figura 1Para calcular la vida útil esperada del resorte, las tensiones de trabajo se trazan contra los ejes relevantes. Si la intersección de las tensiones trazadas está dentro del área sombreada, se puede esperar que el resorte trabaje tantos ciclos como represente el gráfico. En general, se puede esperar que el gráfico logre un 95% de certeza, es decir, que el 95% de los resortes logren el número de ciclos.
La mayoría de los diagramas de Goodman se aplican solo a los resortes de compresión.
Figura 1: Ejemplo de un diagrama de Goodman
Se trazan las tensiones inicial y final. Desde el cruce, se puede ver que esta primavera superará los 100.000 ciclos
Los resortes de tracción tienen muchos problemas cuando funcionan en un entorno dinámico.
- Rotura cerca del bucleLa causa más común de falla del resorte de extensión es cuando el bucle del resorte se rompe en el punto donde el gancho se encuentra con el cuerpo del resorte. Este punto de transición entre el cuerpo del resorte y el bucle suele ser el punto de mayor tensión. Los bucles están sujetos a tensiones de flexión y torsión, y la mayoría de los diagramas de Goodman para materiales de resorte son para materiales sometidos a esfuerzos de torsión.
- Las herramientas crean estrésCuando se forma un bucle en un resorte de tracción, inevitablemente se crean pequeñas marcas de herramientas. Tales marcas son un factor estresante que aumenta la probabilidad de fracaso en este punto.
- La curva del bucle es demasiado pequeñaOtra razón es que a veces se pueden formar bucles utilizando curvas demasiado pequeñas. Si el radio es pequeño, será estresante.
- Los diferentes tipos de bucles finales tienen diferentes rendimientos de fatiga.
- Hay dos soluciones posibles:
- Utilice un bucle con un radio de transición entre el cuerpo del muelle y el bucle final que sea aproximadamente el radio del cuerpo.
- El extremo del cono se utiliza con un bucle giratorio. Esto es muy exitoso para reducir la fatiga, ya que el bucle giratorio solo entra en contacto con la sección cónica ( Figura 2).
Figura 2: Ejemplo de un resorte de extensión de bucle giratorio
Si los resortes de estiramiento deben accionarse dinámicamente, debe recordarse que los resortes de tracción tienen aproximadamente un 20% menos de rendimiento en términos de fatiga que los resortes de compresión.
Cuanto menor sea la tensión de trabajo, mayor será la vida útil esperada del resorte.
La calidad de la superficie del material
La calidad de la superficie del material es importante para evitar el riesgo de falla del resorte. Las grietas por fatiga generalmente se propagan desde la superficie del material, por lo que cuanto mejor sea la calidad de la superficie, mayor será el rendimiento a fatiga. Es posible mejorar la calidad de la superficie de varias maneras. El más popular es el granallado.
El granallado consiste en disparar un material pequeño, redondeado y parecido a un cordón en la superficie del resorte. Esto crea una pequeña tensión de compresión residual en la superficie del material, lo que reduce la probabilidad de propagación de grietas por fatiga y aumenta la tensión de trabajo. El granallado generalmente solo se realiza con compresión y ballestas grandes porque el granalla queda atrapado en las bobinas de los resortes de torsión y extensión de palabra cerrada. Además, la superficie interna de la bobina no se granalla, lo que pierde los beneficios del proceso.
Cuanto mejor sea la calidad de la superficie del material, mejor será el rendimiento a la fatiga.
llevar
El desgaste puede ocurrir debido a una variedad de causas. Cuando el resorte funciona dinámicamente, es importante asegurarse de que la deflexión máxima no exceda el 85% de la deflexión utilizable. Esto se debe a que si el resorte funciona a una longitud cercana a la longitud del sólido (ligado a la bobina), las bobinas se tocarán entre sí, lo que reducirá el número de bobinas activas. Cuando esto ocurre, las superficies de contacto de la bobina pueden desgastarse. Esto puede reducir el área de la sección transversal del material y aumentar la tensión en esta posición.
Otra causa de desgaste es cuando el resorte trabaja en el eje o en el orificio. Si el resorte entra en contacto con el eje o la pared del orificio durante la operación, el desgaste puede provocar una falla prematura, especialmente si el diámetro interior del resorte está desgastado, porque la tensión de trabajo es mayor. Por lo tanto, el desgaste debe evitarse a toda costa.
Los resortes de torsión tienen un menor rendimiento de fatiga que los resortes de compresión y tensión.
Esto se debe principalmente a la fricción y el desgaste entre el muelle y el eje sobre el que trabaja, así como a los accesorios de las patas. Esto se puede reducir con un buen diseño, pero es poco probable que se elimine.
Otros factores que afectan el rendimiento a la fatiga incluyen la corrosión, la limpieza del material y la velocidad de funcionamiento. Las preguntas relacionadas con estos o cualquiera de los anteriores deben dirigirse al autor.
La eliminación de la posibilidad de desgaste en las aplicaciones de resortes mejora el rendimiento de fatiga del resorte.
¿Qué es el pretensado y cuáles son sus beneficios?
El pretensado se utiliza para mejorar la capacidad de los resortes para soportar tensiones, aumentando así su capacidad de carga y mejorando la vida a fatiga. Por ejemplo, los resortes de compresión fabricados con acero al carbono estirado en frío BS5216 pueden estresar el 49% de la resistencia a la tracción máxima del material sin pretensado. Cuando el resorte está pretensado, puede aumentar hasta el 70% de la resistencia máxima a la tracción.
Cuando el resorte se somete a una tensión inicial, se produce un cambio dimensional. Esto significa que los fabricantes de muelles deben tener esto en cuenta durante la producción.
La operación de pretensado de los muelles de compresión es relativamente sencilla. Una vez que el resorte ha sido enrollado, tensado y rectificado, el resorte se coloca en una prensa o similar y se comprime a una posición sólida o fija más grande que la posición máxima de trabajo. Luego repita esto muchas veces, generalmente tres o más. El resorte es más corto que el resorte helicoidal, pero con el ajuste inicial correcto, se puede lograr la longitud final requerida.
También se puede realizar un pretensado para resortes de tracción y torsión. Desafortunadamente, cuando se pretensa un resorte de tracción, no se realiza muy a menudo, ya que la cantidad de tensión inicial disminuye.
Los resortes de torsión requieren accesorios especiales para pretensar con éxito. Cuando haces pretensado, la relación entre las piernas cambia. Es decir, el número de bobinas aumenta ligeramente.
Dado que el pretensado es una operación adicional en la fabricación de muelles, el precio unitario aumenta. Sin embargo, en general, los beneficios superan los costos adicionales.
Artículo escrito por David Banks-Fear y publicado con el amable permiso de MDF Southern Springs y Press Limited.
David Banks Fier Es miembro del Grupo del Foro de Diseño Mecánico. Es un autor técnico e ingeniero de diseño consultor con casi 40 años de experiencia. Él y su equipo de diseño pueden ayudar con problemas de diseño técnico con resortes, prensas y piezas de ingeniería de precisión. Correo electrónico: [email protected]