Conceptos básicos de primavera 101: una guía completa

Los resortes se utilizan ampliamente en las industrias mecánica y electrónica debido a sus propiedades elásticas.

Cuando un resorte se somete a una carga, sufre una deformación elástica significativa, transformando el trabajo mecánico o la energía cinética en energía de deformación almacenada.

Después de la descarga, el resorte vuelve a su estado original y la energía de deformación almacenada se convierte nuevamente en trabajo mecánico o energía cinética.

La relación entre la carga del resorte y su deformación se llama rigidez del resorte. Cuanto mayor es la rigidez, más rígido se vuelve el resorte.

1. Función de resorte

Las funciones de resorte incluyen:

  • Amortiguación y amortiguación, como los resortes de amortiguación utilizados en suspensiones de automóviles y trenes y diversos sistemas de amortiguación.
  • Controla el movimiento de mecanismos, como resortes de válvulas en motores de combustión interna y resortes de control en embragues.
  • Almacena y libera energía, como resortes de reloj y resortes de bloqueo de armas.
  • Medición de fuerza, como resortes en balanzas de resorte y dinamómetros.

2. Clasificación de resortes

Los resortes se pueden clasificar según su naturaleza de tensión en cuatro tipos: resortes de tensión, resortes de compresión, resortes de torsión y resortes de flexión.

Un resorte de tensión es un tipo de resorte helicoidal que sufre tensión axial.

Estos resortes suelen estar hechos de materiales de sección transversal circular.

Cuando no están sujetos a una carga, las espiras de un resorte de tensión generalmente están enrolladas firmemente sin espacios entre ellas.

El resorte de tensión es un resorte helicoidal.

Un resorte de compresión es un tipo de resorte helicoidal diseñado para soportar fuerzas de compresión.

La sección transversal de los resortes de compresión suele ser circular, pero también pueden estar hechas de acero rectangular o multifilamento.

Estos resortes suelen tener el mismo paso y hay un pequeño espacio entre las espiras.

Cuando se somete a una carga externa, el resorte de compresión se comprime, se deforma y almacena energía en su deformación.

Resorte de compresión

Los resortes de torsión son un tipo de resorte helicoidal.

Son capaces de almacenar y liberar energía angular o de mantener un dispositivo en una posición estática girando el brazo de fuerza alrededor del eje central del cuerpo del resorte.

Los extremos de un resorte de torsión están unidos a otros componentes, y cuando estos componentes giran alrededor del centro del resorte, el resorte los devuelve a su posición original, generando torque o fuerza de rotación.

Resortes de torsión

Además de los tipos comunes de resortes, también existen dos tipos no convencionales: resortes neumáticos y resortes de nanotubos de carbono.

Un resorte neumático es un resorte no metálico que utiliza la compresibilidad del aire para crear un efecto elástico agregando aire presurizado a un recipiente cerrado flexible.

Cuando se utilizan en sistemas de suspensión de vehículos de alta gama, las cámaras de aire mejoran enormemente la comodidad de marcha, lo que las hace ampliamente utilizadas en automóviles y locomotoras ferroviarias.

resorte neumático

Un resorte de nanotubos de carbono se crea mediante tecnología de hilado, comenzando con la preparación de una película de nanotubos de carbono.

Con un diámetro de cientos de micrones y una longitud de unos pocos centímetros, los resortes de nanotubos de carbono tienen numerosas aplicaciones potenciales, incluyendo conductores retráctiles, electrodos flexibles, microsensores de tensión, supercondensadores, circuitos integrados, células solares, fuentes de emisión de campo, fibras de disipación de energía y más. También se espera que se utilicen en dispositivos médicos como vendajes sensores de tensión.

Resorte de nanotubos de carbono

3. Material del resorte y tensión permitida.

Durante el funcionamiento, los resortes a menudo están sujetos a cargas alternas y de impacto y se ven obligados a sufrir deformaciones significativas. Como resultado, el material utilizado para fabricar los resortes debe tener una alta resistencia a la tracción, límite elástico y resistencia a la fatiga.

Además, el proceso de fabricación debe dar lugar a una templabilidad suficiente, una resistencia a la descarburación y una buena calidad de la superficie.

Materiales de resorte comunes y esfuerzo cortante permitido

Ciencia de los Materiales Ver esfuerzo cortante (τ)/MP para más detalles. Módulo de elasticidad de corte G/MPa Temperatura de funcionamiento recomendada/℃
categoría Código resorte tipo I Resorte tipo II Resorte tipo III
Alambre de acero para resortes de carbono Grupo I II, II y III 0,3 s 0,45 0,5 80.000 -40~120
65 minutos 420 560 700 80.000 -40~120
Alambre de acero para resortes de aleación 60Si2Mn 480 640 800 80.000 -40~200
65SiMnWA 570 760 950 80.000 -40~250
50CrVA 450 600 750 80.000 -40~210
cable de acero inoxidable 1Cr18Ni9 330 440 550 73.000 -250~300
4Ch13 450 600 750 77.000 -40~300

Observación:

  • Los resortes se pueden clasificar en tres categorías según el número de ciclos que sufren bajo carga: Tipo I, con n > 10 6 ; Tipo II, con n = 10 3 ~ 10 5 y bajo carga de impacto; y Tipo III, con n < 10 3 .
  • La tensión permitida para los resortes de tensión del grillete es el 80% del valor indicado en la tabla. Si el resorte se somete a un tratamiento de presión fuerte, su tensión permitida se puede aumentar en un 20%.
  • El acero para resortes de cable al carbono se divide en cuatro grupos según sus propiedades mecánicas: el grupo 1 tiene la mayor resistencia a la tracción, el segundo grupo II, el grupo III la más baja y el grupo IV tiene la misma resistencia a la tracción que el grupo II, pero mejor plasticidad.

El Sb del alambre de acero para resortes de cable de carbono se puede encontrar en la tabla.

Resistencia del alambre de acero para resortes al carbono.

Código congresista
grupo yo Grupo II Grupo III
Diámetro del alambre d/Mn 0,2 2700 2250 1750
0.3 2700 2250 1750
0,5 2650 2200 1700
0,8 2600 2150 1700
1 2500 2050 1650
1.5 2200 1850 1450
dos 2000 1800 1400
2.5 1800 1650 1300
3 1700 1650 1300
3.6 1650 1550 1200
4 1600 1500 1150
4.5 1500 1400 1150
5 1500 1400 1100
5.6 1450 1350
6 1450 1350 1050
7 1250 1000
8 1250 1000

4. Fabricación de resortes

El proceso de producción de un resorte helicoidal implica enrollar, crear ganchos o completar anillos en los extremos, tratamiento térmico y pruebas de rendimiento.

En la producción a gran escala, los resortes se enrollan mediante una máquina enrolladora automática universal. Para piezas individuales o producción de pequeños lotes, se realizan en torno tradicional o manualmente. Cuando el diámetro del alambre del resorte es de 8 mm o menos, generalmente se usa un método de enrollado en frío.

Se requiere tratamiento térmico antes del bobinado y templado a baja temperatura después del bobinado. Cuando el diámetro es superior a 8 mm, se debe emplear un método de bobinado en caliente (con temperaturas que oscilan entre 800°C y 1000°C). Después del bobinado en caliente, el resorte debe enfriarse y templarse a temperaturas medias.

Una vez formado el resorte, se debe realizar una inspección de calidad de la superficie para garantizar que esté lisa y libre de defectos como cicatrices, descarburación y otras imperfecciones. Los resortes que estarán sujetos a cargas variables también deben someterse a un tratamiento superficial, como granallado, para mejorar su vida a fatiga.

5. Estructura final del resorte

El número efectivo de vueltas N que participan en la deformación del resorte de compresión es crucial para asegurar que el resorte funcione uniformemente y que su línea central sea perpendicular a la cara del extremo.

Para lograr esto, hay de 3/4 a 7/4 de vuelta en ambos extremos del resorte que desempeñan un papel de soporte rígido, conocidos como círculos muertos o anillos de soporte. Estas vueltas no participan en la deformación durante el trabajo.

El resorte de tensión está equipado con un gancho en su extremo para su instalación y carga, y existen cuatro tipos comunes de estructuras finales: grillete semicircular, grillete circular, gancho ajustable y gancho giratorio.

Los grilletes semicirculares y circulares son fáciles de fabricar y se utilizan ampliamente, pero debido a la alta tensión de flexión en la transición del gancho, sólo son adecuados para resortes con un diámetro de alambre de resorte d ≤ 10 mm. Por otro lado, los ganchos ajustables y giratorios están en buenas condiciones de tensión y pueden girarse a cualquier posición para una fácil instalación.

Estructura de finales de primavera

6. Cálculo de la tensión del resorte.

Cálculo de la tensión del resorte.

Análisis de tensión del resorte de compresión

La figura (a) muestra el resorte de compresión helicoidal cilíndrico, que soporta la carga de trabajo axial F.

El análisis del método de la sección revela que la sección del alambre del resorte está sujeta a una fuerza cortante F y un par T, que es igual a F multiplicado por D dividido por 2. El par da como resultado un esfuerzo cortante, que se puede calcular de la siguiente manera :

Fórmula de cálculo de la tensión del resorte.

Si tenemos en cuenta el impacto del esfuerzo cortante generado por la fuerza cortante F y la curvatura en espiral del alambre del resorte, el esfuerzo cortante máximo t se puede encontrar en el lado interior del resorte, como se muestra en la figura (b). Su valor y condiciones de resistencia son las siguientes:

Fórmula de cálculo de la tensión del resorte.

Dónde,

C – relación de bobinado,

C = D / D, que se puede seleccionar según la tabla 1

K — coeficiente de curvatura del resorte,

Fórmula de cálculo de la tensión del resorte.

K también se puede encontrar directamente en la tabla 2.

Se sabe por la tabla que cuanto mayor es C, menor es la influencia de K sobre T;

F — carga de trabajo del resorte, N;

D — diámetro del resorte, mm;

D – diámetro del material mm.

Tabla 1 valores recomendados de relación de devanado

Diámetro del alambre de acero. D 0,2 ~ 0,6 0,5~1 1,1 ~ 2,2 2.5~6 7~16 18~50
C=D/d 7~14 5~12 5~10 4~9 4~8 4~6

Tabla 2 Coeficiente de curvatura K

relación de bobinado C 4 5 6 7 8 9 10 12 14
k 1.4 1.31 1.25 1.21 1.18 1.16 1.14 1.2 1.1

En la ecuación 1, la fórmula para calcular el diámetro del alambre de acero para resortes según la condición de resistencia se puede obtener reemplazando f con la carga máxima de trabajo F2 del resorte:

Fórmula de cálculo de la tensión del resorte.

El método para calcular la resistencia de un resorte de tensión es idéntico al de un resorte de compresión.

7. El resorte no está en su lugar y el motivo del fallo.

En el trabajo práctico, es común encontrar situaciones en las que el resorte no puede empujar el objeto en movimiento a la posición designada, lo que hace que la longitud libre calculada del resorte se acorte.

La causa de este problema es la falta de tratamiento de compresión inicial, que implica comprimir el resorte a su altura de compresión o altura de pellizco usando una cantidad significativa de fuerza (si es necesario) y luego soltarlo para que vuelva a su longitud libre original.

La cantidad en la que se ha acortado el resorte se denomina "contracción de compresión inicial".

Normalmente, después de haber sido sometido a compresión de 3 a 6 veces, la longitud del resorte ya no disminuirá y se habrá “asentado en su posición”.

Es importante tener en cuenta que después de sufrir la compresión inicial, el resorte se deforma permanentemente.

El resorte queda permanentemente deformado después de la compresión inicial.

8. Precauciones de primavera

En aplicaciones prácticas, un resorte de compresión debe poder mantener su longitud de trabajo incluso si está sujeto a fuerzas que exceden el límite elástico de su material.

Como resultado, la longitud del resorte terminado debe ser igual a la longitud calculada del resorte más la contracción por compresión inicial. Esto evitará que el resorte permanezca en su lugar y reducirá el riesgo de tensión peligrosa cuando las espiras del resorte se aprietan entre sí, lo que provocará una deflexión anormal del resorte.

Durante el tratamiento térmico del resorte terminado, especialmente en el proceso de templado y revenido, es fundamental colocar la pieza en posición horizontal (acostada) en el horno para evitar que el resorte se acorte por su propio peso, lo que podría resultar en un mal funcionamiento. operación.

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