Resorte E1

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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA “ANTONIO JOSE DE SUCRE” VICE-RECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICAANTONIO JOSE DE SUCREVICE-RECTORADO BARQUISIMETODEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

IntroduccinEn el diseo de la mayora de los elementos mecnicos es deseable, que la deformacin inducida por el estado de cargas actuante sea lo ms baja posible. Sin embargo, los resortes mecnicos cumplen en las mquinas la misin de elementos flexibles, pudiendo sufrir grandes deformaciones por efecto de cargas externas volviendo a recuperar su forma inicial cuando cesa la accin de las mismas, es decir, presentan una gran elasticidad. Para su fabricacin se emplean aceros de gran elasticidad (acero al carbono, acero al cromo-vanadio, acero al cromo-silicio, etc.), aunque para algunas aplicaciones especiales pueden utilizarse el cobre endurecido y el latn. Debido al elevado valor de la maquinaria en la industria, los resortes han sido estudiados con meticulosidad; adems, se producen en masa y se han determinado configuraciones ingeniosas para lograr una variedad de propiedades deseadas Las aplicaciones de los resortes son muy variadas entre las ms importantes pueden mencionarse las siguientes: Como elementos capaces de absorber energa o cargas de choque, como por ejemplo en chasis y topes de ferrocarril. Como dispositivos de fuerza para mantener el contacto entre elementos, tal como aparece en los mecanismos de leva y en algunos tipos de embragues. En sistemas de suspensin y/o amortiguacin, percibiendo la energa instantnea de una accin externa y devolvindola en forma de energa de oscilaciones elsticas. Como elemento motriz o fuente de energa, como en mecanismos de reloj y juguetes, dispositivos de armas deportivas, etc. Como elementos capaces de absorber vibraciones entre otros.Qu es un resorte?Los resortes son elementos elsticos, componentes mecnicos que se caracterizan por absorber deformaciones considerables bajo la accin de una fuerza exterior, volviendo a recuperar su forma inicial cuando cesa la accin de la misma, es decir, presentan una gran elasticidad. Los resortes se utilizan con gran frecuencia en los mecanismos para asegurar el contacto entre dos piezas, acelerar movimientos que necesitan gran rapidez, limitar los efectos de choques y vibraciones, etc.Funciones de los resortes

-Absorcin de energa o cargas de choque: suspensin de vehculos-Elementos motores o fuentes de energa: relojes y juguetes de cuerda-Para ejercer fuerza o mantener posicin: levas y seguidores, troqueladoras, lapiceros-Para absorber vibraciones-Para convertir deformacin en fuerza: elementos de medicin.-Mantener una posicin.-Aplicar una fuerza.-Almacenar energa.-Amortiguar las presiones externas.

Tipos de resortesResortes de alambres (compresin, extensin y torsin)Resortes de compresin Los resortes de compresin son helicoidales abiertos ofreciendo resistencia para una fuerza compresiva aplicada axialmente. Estos resortes son generalmente de diseo cilndricos. Los resortes de compresin se utilizan para resistir la fuerza y/o para almacenar energa, dependiendo del uso. Se utilizan en auto-partes, lapiceras de pluma, elevadores, accesorios elctricos, paraguas, artculos de la casa, vlvulas, etc.

Dimetros (D):La siguiente figura muestra la notacin para referirse a los dimetros caractersticos de los resortes helicoidales de compresin. El dimetro externo (DE), el dimetro interno (DI) y el dimetro del alambre (DW) son obvios, y se pueden medir con instrumentos estndar de medicin. Para calcular el esfuerzo y la deflexin de un resorte, se usara el dimetro medio (Dm). Observe que:Dm = DE = Dm + DwDI = Dm DwNotacin de los dimetros:

Notacin de longitudes y fuerzas:

Fuerzas (F):Se usara el smbolo F para representar las fuerzas que ejerce un resorte, con diversos subndices para especificar cul es la fuerza a considerar. Los subndices son iguales a los que indican las longitudes. Entonces.Fs = Fuerza en longitud comprimida (la fuerza mxima a la que se puede someter al resorte).Fo = Fuerza en la longitud de operacin (Lo) (es la fuerza mxima que siente el resorte en su operacin normal).Fi = Fuerza en la longitud instalada (Li) (para un resorte alternativo, la fuerza vara entre Fo y Fi).Fj = Fuerza en la longitud libre (Lf) (esta fuerza es igual a cero).

Constante del resorte (K):La relacin entre la fuerza que ejerce un resorte y su deformacin en su constante de resorte o constante de elasticidad K. Cualquier cambio en la fuerza, dividido entre el cambio correspondiente en la deflexin, se puede usar para calcular la constante de resorte:Por ejemplo:K = K =

K =

K =

ndice del resorte (C):La relacin del dimetro medio del resorte (Dm), entre el dimetro del alambre (Dw), se llama ndice del resorte (C):C = , se recomienda que 5 C 12Se recomienda que C sea mayor que 5.0, y los resortes comunes en maquinaria tienen valores de C que van de 5 a 12. Para C menor que 5, es muy difcil dar forma al resorte, y la gran deformacin necesaria puede causar grietas en el alambre. Los esfuerzos y las deflexiones de los resortes dependen de C, y una C mayor ayudar a eliminar la tendencia de un resorte a pandearse.Numero de espiras (N):N representar el nmero total de espiras de un resorte. Pero en clculos de esfuerzos y deflexiones de en resorte, algunas de las espiras son inactivas, por lo que no se consideran. Por ejemplo, en un resorte con extremos cuadrados y rectificados, cada extremo de espira es inactiva, y el nmero de espiras activas (Na) es Na = N-2. Para extremos planos, tolas las espiras son activas: Na = N. Para extremos planos y rectificados: Na = N-1.Paso (P):El paso P, indica la distancia axial de un punto en una espira al punto correspondiente en la siguiente espira. Las relaciones de paso, longitud libre, dimetro del alambre y nmero de espiras activas son las siguientes:Donde:d = Es el dimetro del alambre (Dw).Ne = Nmero de espiras en los extremos.Nt = Nmero total de espiras.Na = Nmero de espiras activas.Lf = Longitud libre.Lb = Longitud del bloque.P = Paso.Angulo de paso ():La siguiente figura muestra la definicin de ngulo de paso ; observe que mientras mayor es el ngulo de paso, las espiras parecen estar ms inclinadas. La mayor parte de los diseos prcticos de resorte tienen ngulo de paso menor que 12 .

Esfuerzo de los resortes de compresin ():Se calcula de la siguiente manera:

Donde:P = Es la fuerza F que acta en el resorte.D = Es el dimetro medio (Dm) del resorte.d = Es el dimetro del alambre (Dw).Mt = Es el momento de torsin.J = Es el momento polar de inercia. A = Es el rea.Ahora sustituimos en la ecuacin: = + = = (1 + = (1 + Dnde: 1 + = Factor de correccin de Whal = Ks.Ks = 1 + Por lo tanto el esfuerzo () es: = Para que el resorte no se deforme plsticamente, el esfuerzo cortante () debe ser menor que el esfuerzo de fluencia (f) sea < f. Y se puede romper cuando el esfuerzo cortante () es mayor que el esfuerzo mximo (mx) sea > mx.

Resortes de traccin o extensinEstos resortes tambin llamados resortes de extensin actan absorbiendo y/o acumulando energa, mediante la creacin de resistencia a una fuerza de traccin.La forma de los extremos vara en forma para satisfacer el usuario y la aplicacin o uso. Los resortes de tensin se utilizan en telefona, pilates, juguetes, auto-partes, etc.

Esfuerzo de los resortes de traccin o extensinEsfuerzo cortante recomendado para un resorte de extensin, causado por la tensin inicial (Datos de Associated Spring, Barnes Group, Inc.)

ndice del resorte C = Con frecuencia, las partes ms dbiles de un resorte de extensin son sus extremos, en especial en casos de carga de fatiga. A continuacin, calcularemos esos esfuerzos:Esfuerzo de los resortes de traccin o extensin (en los extremos)

Esfuerzo flexionante en A Esfuerzo de torsin en B

Donde:Las relaciones C1 y C2 se refieren a la curvatura del alambre, y deben ser grandes, mayores que 4 en el caso tpico, para evitar grandes esfuerzos.Resortes de torsinLos resortes de torsin ofrecen resistencia rotacional torque al aplicarse una fuerza en sus extremos. Estos resortes se utilizan en juguetes, accesorios del pelo, clips, electrodomsticos, partes de automotrices, etc.Los resortes de torsin se usan en bisagras de puerta y arrancadores de automvil y, de hecho, en cualquier aplicacin donde se requiere par de torsin. Se enrollan de la misma manera que los resortes de tensin o de compresin, pero sus extremos estn diseados para transmitir momentos torsionantes.

Muchos elementos de mquinas requieren un resorte que ejecute un movimiento de rotacin, o ejerza un par torsional, y no una fuerza de empuje o de traccin. El resorte helicoidal de torsin es diseado para satisfacer estos requisitos. Tiene la misma apariencia general que el resorte helicoidal de compresin o de extensin, con alambre redondo enrollado en forma cilndrica. Por lo general, las espiras estn juntas, pero con una holgura pequea, y no se permite una tensin inicial en el resorte (que es cuando se extienden los resortes hasta que se pueda "ver pasar la luz del da" entre las espirales y luego se mide la carga) como en el caso de los resortes de extensin.

Esfuerzo de los resorte de torsinSe calcula de la siguiente manera: = x Ks

Donde:Mt = Es el momento de torsin.d = Es el dimetro del alambre (Dw).Ks = Factor de correccin de Whal.Ks = ; en el cual (+) Enrollando y (-) AbriendoC = ndice de curvatura. C =

Otro tipo de resortes: Resortes planos (muelles o ballestas)Este tipo de resortes es muy utilizado en las industrias ferroviarias y automotrices. Para su anlisis el resorte se considera como un tipo de viga simple o compuesta actuando en voladizo. Tambin se le puede considerar como una placa triangular cortada y apilada como se muestra a continuacin:

(a) Resorte en voladizo de placa triangular; (b) resorte de hojas mltiples equivalente.

Para una ballesta en voladizo de seccin transversal rectangular de base (b) y altura (t), se tiene que: = = = = Ahora bien, de acuerda a la ltima expresin y teniendo en cuenta que el ancho puede variar, se podr obtener una constante para el resorte de forma que: = = ConstanteSe debe tener presente que el resorte de placa triangular y su equivalente de planchas mltiples o ballestas tienen tensiones y deflexiones idnticas con 2 excepciones:-Si se considera la friccin entre lminas lo que genera amortiguamiento.-El resorte soporta la carga en una sola direccin.La deflexin del resorte de mltiples lminas o ballestas se obtiene de la siguiente manera (suponiendo siempre condicin de voladizo): = En tanto que la constante del resorte se puede calcular como:K = = Donde:Mf = Es el momento flector o de flexin (par).I = Inercia.b = Base.t = Altura.P = Carga o fuerza.x = Distancia.L = Longitud.n = Numero de hojas mltiples o de ballestas.E = Modulo de elasticidad. = Deformacin.

Materiales utilizados en la fabricacin de resortes

Los resortes se fabrican mediante procesos de trabajo en frio o en caliente, dependiendo dio proceso del dimetro del alambre, del ndice del resorte y de las propiedades deseadas. En general no se deben emplear alambre pre endurecido si D/d < 4 si d> pulg. El enrollado de los resortes induce esfuerzos residuales mediante flexin, peros son normales a la direccin de los esfuerzos de trabajo torsionales. Con mucha frecuencia en la manufactura de resorte, estos se relevan despus del enrollado por medio de un tratamiento trmico moderado.El diseador dispone de una gran variedad de materiales para fabricar resortes, entre ellos: acero al carbono, aceros de aleacin y aceros resistentes a la corrosin, as como materiales no ferrosos como bronce fosforado, latn para resortes, cobre de berilio y varias aleaciones de nquel. Los Materiales ms utilizados son: Alambre de piano ( UNS G10850, AISI1085, ASTM A228-51)Este es el mejor, el ms tenaz y el ms empleado de todos los materiales para fabricar resortes pequeos. Presenta la mayor resistencia a la tensin y puede soportar mayores esfuerzos ante cargas repetidas que cualquier otro material para resortes. Disponible en dimetro de 0.12 a 3 mm, no se emplea a temperaturas mayores de 120 C o a temperaturas bajo 0. Alambre templado en aceite (UNS G10650, AISI 1065, ASTM 229-41)Este es un acero para resortes de uso general que se emplea para fabricar muchos tipos de resortes de espiras, cuando el costo del alambre de piano resulta prohibido y se necesitan tamaos mayores que el alambre de piano disponible. No adecuado para cargas de choque o impacto, disponible en dimetro de 3 a 12 mm pero se consiguen en tamaos mayores y menores, no se emplea a mas de 180C o a temperaturas bajo 0. Alambre estirado (UNS G10660, AISI 1066, ASTM A227-47)Este acero es para fabricacin de resortes de uso general mas barato, y se debe utilizar solo donde la duracin, la exactitud y la deflexin no sea muy importante. Disponible en dimetro de 0.8 a 12 mm y no se emplea a ms de 120C ni bajo 0. Cormo vanadio (UNS G 61500, AISI 6150, ASTM 231-41)Esta es la aleacin ms popular de aceros para construir resortes en condiciones que implican esfuerzos mayores que los que se pueden emplear con los aceros al alto carbono, y para usarlos cuando son necesarias resistencias a la fatiga y alta durabilidad. Tambin sirven para carga de choques o impacto. Se utilizan ampliamente para fabricar resortes de vlvulas de motores de aviones y para temperaturas hasta los 220C. Disponible en recocido o pre revenido con tamaos de 0.8 a 12 mm de dimetros. Cromo silicio (UNS G92540, AISI 9254)Esta aleacin constituye un material excelente para fabricar resortes sometidos a esfuerzos elevados y cargas de impacto que requieren larga vida. Las durezas Rockwell de C50 a C53 son muy comunes y el material se utiliza hasta temperaturas de 250C. disponible en 0.8 a 12mm de dimetros.