resortes mecÁnicos · ejemplo en chasis y topes de ferrocarril. ... esta clase de resortes puede...

UNIVERSIDAD DE LOS ANDESESCUELA DE MECÁNICA

CÁTEDRA DE DISEÑO

RESORTES

MECÁNICOSMÉRIDA 2010

ELEMENTOS DE MAQUINAS II

INTRODUCCIÓN

En el diseño de la mayoría de los elementos mecánicos es

deseable, que la deformación inducida por el estado de cargas

actuante sea lo más baja posible, Sin embargo, los resortes

mecánicos cumplen en las máquinas la misión de elementos

flexibles, pudiendo sufrir grandes deformaciones por efecto

de cargas externas sin llegar a transformarse en permanentes

es decir, pueden trabajar con un alto grado de resiliencia

(capacidad de un material para absorber energía en la zona

elástica)


APLICACIONES

Las aplicaciones de los resortes son muy variadas entre las mas

importantes pueden mencionarse las siguientes:

•Como elementos absorbedores de energía 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 suspensión y/o amortiguación, percibiendo la energía

instantánea de una acción externa y devolviéndola en forma de energía de

oscilaciones elásticas.

•Como elemento motriz o fuente de energía, como en mecanismos de

reloj y juguetes, dispositivos de armas deportivas, etc.

•Como absorbedores de vibraciones.


CLASIFICACIÓN

En forma general, los resortes se clasifican en resortes de alambre de

sección transversal circular, cuadrado o rectangular. A los primeros

pertenecen los helicoidales cilíndricos para trabajar a compresión, tracción

y torsión; y los helicoidales cónicos para trabajar a compresión. Al

segundo grupo, los resortes espirales o de torsión (como los del reloj), los

de hojas (ballestas) y los de disco. En la Figura 3.1 se muestran diversos

tipos de resortes.


APLICACIONES

Figura 3.1 Resortes que se utilizan comúnmente con su carga aplicada.


RESORTES PARA TRABAJAR A

COMPRESIÓN

RESORTES HELICOIDALES CILÍNDRICOS DE ALAMBRE DE

SECCIÓN TRANSVERSAL CIRCULAR

Helicoidales de sección transversal circular : En la figura 3.2 se muestra

un resorte helicoidal cilíndrico sin carga, donde se tienen sus diversos

parámetros y la forma de denotarlos.

De : diámetro exterior

Dm : diámetro medio

Lo : longitud libre

d : diámetro de alambre

: ángulo de hélice

p : paso

Fig, 3.2 Resorte helicoidal cilíndrico de alambre de sección transversal circular.



COMPRESIÓN

Fig. 3.3 Resorte helicoidal de

compresión cilíndrico de alambre de

sección transversal circular, sometido a

carga.



COMPRESIÓN

Haciendo un diagrama de cuerpo libre.

La parte seleccionada ejercerá una

carga cortante directa y un momento

torsor en la parte restante del resorte,

notándose que el efecto de la carga

axial es de producir una torsión en el

alambre.

F

V

T

Figura 3.4 diagrama de cuerpo libre.

Por lo tanto de forma general se

tiene que:

Ó

Donde:

T : par torsional; T=(FaDm/2)

J : momento polar de inercia.

A : área de la sección transversal



COMPRESIÓN

tvT

J

dT

A

FaT

)2/(

Figura 3.5 diagrama de cuerpo libre



COMPRESIÓN

La distribución de esfuerzos quedara de la siguiente manera:

Figura 3.6 (a) Efecto de torsión pura, (b) efecto de corte puro, (c) efectos combinados, (d)

tomando en cuenta el concentrados de esfuerzo por curvatura



COMPRESIÓN

Sin considerar el efecto de concentración de esfuerzos debido a la

curvatura del alambre, se obtiene un esfuerzo cortante máximo en las

fibras interiores del resorte de la ecuación:

Donde:

Fa : fuerza axial de compresión

Dm : diámetro medio

d : diámetro del alambre

(Dm/d)

0.51

πd

8FaDm

πd

4Fa

πd

8FaDmτ

323



COMPRESIÓN

Ahora se define el índice del resorte (C) como una medida de la curvatura

de las espiras :

Siendo Ks es un factor de aumento de esfuerzo cortante y se define

mediante la ecuación:

Reacomodando nos queda que:

d

DmC

23 πd

8FaCKs

πd

8FaDmKsτ

C

0.51Ks



COMPRESIÓN

Como recomendación practica puede tomarse para C, el rango de valores

dado por :

4 ≤ C ≤ 12

Es importante resaltar que el factor de multiplicación para el esfuerzo

cortante. Ks, sólo considera los efectos debido a corte puro, sin embargo.

investigaciones realizadas sobre el particular revelan que el esfuerzo

cortante debido a la curvatura del alambre, está concentrado en su mayor

parte en la parte interna de los resortes; por tanto, al estar sometidos solo a

cargas estáticas, sufrirán fluencia en las fibras interiores aliviando dicho

esfuerzo, y podría despreciarse el electo de curvatura.



COMPRESIÓN

En condiciones de fatiga, el esfuerzo debido a curvatura es

significativamente importante y para ello se utiliza un factor Kc, que

considera el efecto de la curvatura del alambre, haciendo las veces de un

factor de concentración de esfuerzos.

Donde:

KC : factor para el efecto de curvatura

KB : factor de Bergstrásser

S

BC

K

KK



COMPRESIÓN

El facto KB incluye el efecto cortante directo y cualquier otro debido a la

curvatura del alambre, y su valor se determina a partir de:

Teniendo que KC es:

34C

24CKB

1)3)(2C(4C

2)2C(4CKC



COMPRESIÓN

Ahora, KS, KB y KC son factores de aumento del esfuerzo aplicado,

mediante multiplicación a (Tr/J) en la ubicación critica, con el objeto de

calcular el esfuerzo particular. No hay factor de concentración de esfuerzo.

Para efecto de cálculos se empleara la ecuación:

2B3Bπd

8FaCK

πd

8FaDmKτ



COMPRESIÓN

Deflexión de resortes helicoidales:

Para el calculo de la deformación originada en el resorte por el efecto de

una carga axial de compresión, se partirá de la expresión para la energía

de deformación total:

Donde:

U : energía de deformación total en un resorte helicoidal

N : numero de espiras activas o efectivas

G : Modulo de rigidez del material del alambre del resorte

Gd

DmNFa

Gd

NDm4FaU

2

2

4

32



COMPRESIÓN

Luego, la deformación axial en el resorte producida por la carga axial de

compresión F, puede obtenerse a través de la aplicación del teorema de

Castigliano, dado por:

Obteniéndose,

Donde :

y : deformación axial originada sobre el resorte

Fa

Uy

dG

N8FaC

2C

11

Gd

N8FaDmy

3

24

3



COMPRESIÓN

De la ecuación anterior podemos obtener el número de espiras:

La constante del resorte y que define su característica de funcionamiento

primordial, se obtiene de la expresión conocida:

De donde:

K : constante del resorte

N8C

Gd

N3CFa8

GdFa

y

FaK

3

33 CK8

Gd

CFa8

GdyN



COMPRESIÓN

A los resortes de compresión en una gran variedad de aplicaciones, se le

debe comprimir hasta el punto de que todas sus espiras se encuentren en

contacto, por lo que deben determinarse parámetros como la longitud del

resorte sin carga (longitud libre), la longitud del resorte totalmente

comprimido (longitud sólida) y la deformación axial necesaria para

convertir el resorte en un sólido (deformación al sólido). Dichos

parámetros se relacionan a través de,

Donde:

Lo : longitud libre del resorte

Ls : longitud sólida

yS : deformación al sólido

sS yLLo



COMPRESIÓN

Para determinar el numero de espiras activas es necesario conocer el

tipo de terminaciones que tiene el resorte están pueden ser del tipo

simple (a), simple y esmerilado (b), cerrado y escuadrado (c), o

cerrado y esmerilado (d).

Figura 3.7 Tipos de terminaciones para los extremos del resorte



COMPRESIÓN

La longitud depende del numero de espiras totales y del tipo determinación de los

extremos del resorte, los cuales conducen a que algunas de las espiras queden

“inactivas”. En la tabla 3.1 se indican algunas caracteristicas para los tipos de

terminaciones comunes en resortes.

Número de

espiras totales

tN

Longitud

libre

0L

Longitud

sólida

sL

Paso del

resorte

P

NdNP * 1* tNd

N

dLo

1N 1* NP tNd *1N

Lo

2N dNP *3* 1* tNdN

dLo *3

Tipos de

extremo o

terminaciones

del resorte

Simple o

sencillo

Simple y

esmerilado

Cerrado o

escuadrado

Cerrado y

esmerilado

N+2 p*N+2*d d*Nt (Lo-2*d)/N

Tabla 3.1. Características de resorte de compresión para diversos tipos de extremos



COMPRESIÓN

RESORTES HELICOIDALES CILÍNDRICOS DE ALAMBRE DE

SECCIÓN TRANSVERSAL CUADRADA Y RECTANGULAR

Los resortes helicoidales de alambre con secciones transversales cuadrada

y rectangular, se utiliza en aplicaciones con cargas elevadas, aunque con

mayor regularidad donde las limitaciones de espacio los hacen

indispensables. Estos resortes son mas resistentes que aquellos de alambre

de sección circular del mismo tamaño, pero poseen la desventaja que su

normalización es limitada.



COMPRESIÓN

Aplicando el teorema de St. Venant para barras no circulares en un

resorte de alambre de sección transversal cuadrada se obtiene:

Donde:

b : lado de la sección cuadrada

La deformación axial se determina de:

3Bb

2.4FaDmKτ

Gb

N5.575FaDmy

4

3



COMPRESIÓN

Análogamente para un alambre de sección transversal rectangular, el

esfuerzo máximo esta dado por:

Donde es solo valida para relaciones b/t comprendidas en el intervalo

1 < (b/t) < 3, y con C > 5.

t : dimensión menor de la sección transversal

b : dimensión mayor de la sección y que debe ser paralela al eje del

resorte

22Bt2b

1.8t)FDm(3bKτ



COMPRESIÓN

La deformación axial se determina de la expresión,

El índice del resorte se obtiene aproximadamente:

Alambre cuadrado

Alambre rectangular

0.56t)(bGt

2.45FaDmNy

3

b

DmC

t

DmC



COMPRESIÓN

En general, se considera la mejor alternativa cuando se tiene la necesidad

de soportar cargas elevadas o eliminar vibraciones, evitando el usar

resortes de secciones especiales.

Comúnmente, se utilizan dos o mas resortes helicoidales cilíndricos de

alambre de sección transversal circular, donde todos están sujetos a la

misma deformación axial como consecuencia de una carga externa

aplicada. Esto corresponde a una disposición de resortes en paralelo.



COMPRESIÓN

Donde:

Kt : Constante de resorte del

conjunto conformado.

F : Carga externa sobre el

conjunto

N

1i

i )(KKt

N

1i

iFaFa

N1 y...yy

Figura 3.8 resortes concéntricos



COMPRESIÓN

RESORTES HELICOIDALES CÓNICOS

Esta clase de resortes puede considerarse como un resorte helicoidal en el

que los diámetros de las espiras sucesivas son distintas. .

A pesar de no ser de uso muy frecuente, este tipo de resorte posee la

cualidad de ser de rigidez creciente a medida que la carga aumenta, es

decir, una relación decreciente de deformaciones por carga unitaria; y

además se emplea en los casos en que resulta difícil o no es conveniente

guiar al resorte para impedir el pandeo bajo caga.



COMPRESIÓN

Estos resortes se usan exclusivamente para soportar cargas axiales de

compresión y se construyen con alambre de sección transversal circular,

ocurriendo por lo general, el esfuerzo máximo en la espira de menor

tamaño, pero dado que el índice del resorte decrece hacia el extremo

menor, deberá siempre verificarse el esfuerzo en la espira de menor

diámetro:

Donde para la espiral mayor del resorte poseerá un valor de C mayor que

para la espira de menor tamaño, y por tanto, a través de la expresión

anterior deberá hacerse la comprobación correspondiente.

2πd

8FaC

C

0.51τ



COMPRESIÓN

La deformación axial esta dad por:

Donde:

Dm1, Dm2 : diámetro de las espiras mayor y menor, respectivamente

La constante de estos resortes se determina a partir de:

Gd

)Dm)(DmDm2NFa(Dmy

4

2

2

2

121

)Dm)(DmDm2N(Dm

GdK

2

2

2

121

4



COMPRESIÓN

PANDEO EN RESORTES HELICOIDALES CILÍNDRICOS DE

COMPRESIÓN

Es un hecho demostrado que si la longitud libre de un resorte helicoidal

cilíndrico de compresión es comparativamente mucho mayor que su

diámetro medio, entonces dicho resorte podría pandear bajo el efecto de

cargas relativamente bajas. Este fenómeno es similar al pandeo de

columnas delgadas y largas, cuando la carga de trabajo sobrepasa el valor

de la carga crítica.



COMPRESIÓN

Para tomar en cuenta lo anteriormente descrito, se han desarrollado

numerosos análisis, que muestran que las deflexiones críticas para que

ocurra pandeo, dependen de la relación existente entre la longitud libre,

Lo, y el diámetro medio del resorte y de la forma de sujeción de sus

extremos.

Se ha obtenido que la condición para lograr una estabilidad absoluta para

el caso de resortes de acero corresponde a:

Donde:

b : constante de apoyo de extremo

β

2.63

Dm

Lo



COMPRESIÓN

La constante b puede obtenerse a partir de la tabla 3.2.

Constante bForma de sujeción

Resortes con extremos cerrados y

esmerilados soportado entre

superficies planas paralelas

(extremos fijos)

0.5

Resorte con un extremo sobre una

superficie plana perpendicular a

su eje (fijo) y el otro extremo

articulado (pivotado)

0.707

Resorte con ambos extremos

articulados (pivotados)

1

Resorte con un extremó con

sujeción y el otro libre.

2

Tabla 3.2. Constante de apoyo .b


RESORTES PARA TRABAJAR A TRACCIÓN

RESORTES HELICOIDALES CILÍNDRICOS PARA TRABAJAR A

TRACCIÓN

Los resortes helicoidales cilíndricos de tracción a diferencia de los de

compresión, se bobinan con las espiras cerradas, y por lo general durante

el proceso de conformado se les induce una tracción inicial como

resultado del par torsional generado sobre el alambre; a medida que se

enrolla en el mandril conformador. Por la razón anterior, en la mayoría de

los casos a estos resortes se les debe aplicar una determinada carga para

que las espiras comiencen a separarse.



En la Figura 3.9 se muestra un

resorte helicoidal cilíndrico de

tracción, donde Di corresponde

al diámetro interior, De al

diámetro exterior, Dm al

diámetro medio y algunos de los

demás parámetros definidos

para el cuerpo de los resortes

helicoidales de compresión,

continúan teniendo el mismo

significado.

Figura 3.9 resorte helicoidal cilíndrico para

trabajar a tracción



ANÁLISIS DE CARGAS, ESFUERZOS Y DEFORMACIONES

Las expresiones obtenidas para los resortes helicoidales cilíndricos de

compresión, son aplicables al denominado cuerpo de los resortes de

tracción, exceptuando el hecho que en estos últimos se da margen para

una tracción inicial, en caso de existir.

La tracción inicial puede regularse y varia de acuerdo a los tipos de

maquinas conformadoras de resortes, donde el intervalo del esfuerzo

torsional debido únicamente al pretensado recomendado, como resultado

de la tracción inicial.



En función del índice del resorte los intervalos de tracción inicial para

resortes de acero:

ÍNDICE DEL

RESORTE (C)

INTERVALO DE ESFUERZO (τi)

(Mpa) (psi)

4 115 – 183 16700 - 26600

6 95 – 160 13800 - 23200

8 82 – 127 1900 – 18400

10 60 – 106 8710 – 15400

12 48 – 86 6970 – 12500

14 37 – 60 5370 - 8710

16 25 – 50 3630 - 7260

Tabla 3.3 intervalos utilizados en resortes de acero para los esfuerzos

torsionales debido a tracción inicial



Es de hacer notar que si la carga de tracción inicial no supera el valor de la

tracción inicial inducida, las espiras del resorte no se separan. Una vez que

se separen, podrá aplicarse la Ley de Hooke y el esfuerzo cortante en el

cuerpo del resorte se determina la carga axial resultante:

Donde:

Fa : carga axial de tracción

Fi : tracción inicial o precarga.

Además, debe cumplirse que:

KyFFa i

8Dm

dπτF

3

ii



En caso de no existir Fi, las ecuaciones obtenidas para los resortes

helicoidales cilíndricos de compresión se aplican sin modificaciones , en

todo lo que respecta al esfuerzo cortante en el cuerpo del resorte, a su

deformación axial y a su constante.

Los resortes de tracción poseen zonas débiles que aparecen en donde se

dobla una espira terminal para formar ganchos o lazos u otros dispositivos,

con el objeto de transferir la carga. En dichas zonas, existen efectos de

concentración de esfuerzos debido al doblez, resultando imposible diseñar

los extremos con la misma resistencia que el cuerpo.



Experimentalmente se ha demostrado que el factor de concentración de

esfuerzos, para lazos o extremos terminales esta dado aproximadamente

por:

y

Donde:K1, K2 : factor concentrador de esfuerzos en el radio medio de la curvatura mayor

y menor del extremo, respectivamente.

rm1 : radio medio de la curvatura mayor

rm2 : radio medio de la curvatura menor.

d

r2C,

1)(C4C

1C4CK m1

1

11

1

2

11

d

r2C,

44C

14CK m2

2

2

22





En la región A de la figura ocurren principalmente esfuerzos debido a torsión.

en la región B pertenecientes estrictamente al gancho, se suponen esfuerzos

normales debido a carga axial y a momento flector.

Figura 3.10 vistas de un gancho de espira completa



En la región A los esfuerzos se determinan a partir de:

En la región B los esfuerzos normales debido a carga axial y a momento

flector, obteniéndose:

32πd

8FDmKτ

23

m11

πd

4F

πd

32Frσ K



MATERIALES USADOS PARA LOS RESORTES HELICOIDALES

Los resortes se fabrican mediante procesos de trabajo en frió o en caliente,

dependiendo dichos procesos del diámetro del alambre , del índice del

resorte y de las propiedades deseadas.

Para la fabricación de los resortes helicoidales se disponen de una gran

variedad de materiales, usándose preferiblemente algunos tipos de aceros,

desde los comunes que se utilizan en los resortes de espiras gruesas y que

se fabrican en caliente, así como en resortes planos, ballestas y barras de

torsión, hasta los aceros de alto contenido de carbono y de aleación

preferidos por los fabricantes.



Generalmente se usan los materiales que se ajustan al comportamiento

dado por la ecuación:

Algunos de estos materiales son:

mUd

Aσ

MATERIAL NUMERO ASTM CONSTANTE mCONSTANTE A

(kpsi) (Mpa)

Alambre para cuerda musical A228 0.163 186 2060

Alambre revenido en aceite A229 0.193 146 1610

Alambre estirado duro A227 0.201 137 1510

Alambre Cr-Va A232 0.155 173 1790

Alambre Cr - Si A401 0.091 218 1960

Tabla 3.4 constantes para la determinación de los esfuerzos últimos a la tracción



Para el caso de cargas estática necesitamos obtener los valores del

esfuerzo admisible a la torsión el cual se obtiene a partir de la ecuación:

Ó se pueden usar los valores aproximados para el valor del esfuerzo

admisible a la torsión, para cada material.

uadm 56.0

MATERIAL τadm

Acero al carbono estirado en frió o

alambre de cuerda de piano0.45σadm

Acero al carbono templado y revenido

a acero de baja aleación0.50σadm

Acero inoxidable austenítico y

aleaciones no férreas0.35σadm

Tabla 3.5 valores aproximados para el valor admisible del esfuerzo a la

torsión



Nombre común Especificación

Módulo de

elasticidad E

(psi)

Modulo de

elasticidad por

cortante G (psi)

Densidad,

(lbf/in2)

Temperatura

de servicio

máxima (°F)

Características

principales

Alambre de

pianoASTM A228 30E6 11.5E6 0.283 250

Alta resistencia

excelente a la

fatiga

Estirado duro ASTM A227 30E6 11.5E6 0.283 250

Uso general,

vida a la fatiga

deficiente

Martensítico AISI 410,420 29E6 11E6 0.280 500

No satisfactorio

para

aplicaciones

bajo cero

Austenítico AISI 301,302 28E6 10E6 0.282 600

Buena

resistencia a

temperaturas

moderadas,

baja relajación

de esfuerzos

Tabla 3.6 Tipos de materiales utilizados en la elaboración de resortes



Latón para

resorteASTM B134 16E6 6E6 0.308 200

Bajo costo; alta

conductividad;

propiedades

mecánicas

deficientes

Bronce

fosforadoASTM B159 15E6 6.3E6 0.320 200

Capacidad para

soportar

flexiones

repetidas;

aleación popular

Cobre al berilio ASTM B197 19E6 6.5E6 0.297 400

Alta resistencia

elástica y a ala

fatiga; templable

Inconel 500 - 31E6 11E6 0.307 600

Buena

resistencia; alta

resistencia a la

corrosión

Inconel X-750 - 31E6 11E6 0.298 1100

Endurecimiento

por

precipitación;

para altas

temperaturas

Ni-Span C - 27E6 9.6E6 0.294 200

Módulo

constante sobre

un amplio rango

de

temperaturas.



En el caso de condiciones de cargas fluctuantes se necesita conocer el

límite de fatiga corregido de los aceros utilizados regularmente para la

fabricación de resortes Los datos más aceptados son los obtenidos por

Zimmerli, que llega a la conclusión que el límite de fatiga en el caso de

duración infinita, es independiente del tamaño, del tipo de material y del

esfuerzo último a la tracción en el caso de aceros para resortes en tamaños

menores de 3/8 plg (l0 mm). Dichos resultados se resumen en:

para resortes no graneados

para resortes tratados por

graneado

10Mpa)45000psi(3σcccτ '

ecbae

pa)00psi(465M756σcccτ '

ecbae



Los datos especificados anteriormente, son válidos para todos los aceros y

están corregidos por los factores de acabado superficial (Ca), por el de

tamaño (Cb), por el de carga (Cc). pero hay que corregirlos en el caso

necesario por los actores de temperatura (Cd) y de efectos diversos (Ce)

Esta último factor debe incluir la concentración de esfuerzos debido a la

curvatura del alambre, en el caso de que se utilice como factor

modificativo de los resultados de Zimmerli pues de no ser así se toma

como la unidad. El factor de concentración de esfuerzos en fatiga (Cf), se

toma corrección por efecto de curvatura, Kc, por tanto se tiene.

Cf

eK

1

C

1C



En cualquier otro caso, el limite de fatiga corregido al cortante, τe, se

obtiene a partir de la expresión conocida:

Donde si se aplica la teoría de la Distorsión se obtiene:

Además, para la aplicación de la teoría de Goodman Modificada es

necesario conocer el esfuerzo ultimo cortante. Dicho limite se determina a

partir de :

'

eedcbae σccccc

ee σ577.0τ

uu σ67.0τ



Para condiciones de vida finita, las expresiones conocidas para los

esfuerzos normales son aplicables a los esfuerzos cortantes, haciendo las

situaciones correspondientes, Así se tiene, para la resistencia a la fatiga al

cortante que:

Donde:

τf : resistencia a la fatiga al cortante

Nciclos : numero de ciclos de aplicación

C, b : constantes

e

2

u

τ

)(0.9τlogC

e

u

τ

)(0.9τlog

3

1b

b

CICLOS

C

f N10τ


ANÁLISIS DE CARGAS

ANÁLISIS BAJO DIFERENTES ESTADOS DE CARGA

De lo expuesto hasta el momento en cuanto a esfuerzos de trabajos,

deformaciones, materiales y esfuerzos resistentes de los mismos, puede

establecerse la metodología de análisis para cada uno de los resorte

helicoidales estudiados, bajo diferentes condiciones de carga.


CARGA ESTÁTICAS

En los resortes helicoidales cilíndricos de compresión y en los resortes

helicoidales cónicos, deberá cumplirse que los esfuerzos de trabajo, no

deberán superar al esfuerzo de fluencia admisible al cortante, por tanto, se

tiene que:

Además, de verificarse la condición de estabilidad o pandeo.

ττadm


CARGA ESTÁTICAS

En el caso de resortes helicoidales cilíndricos para trabajar a tracción, es

necesario comprobar tanto el cuerpo como el tipo de extremo para la

transferencia de la carga. Para las zonas de los ganchos donde se

superponen esfuerzos normales debidos a carga axial y el momento

flector, el factor de seguridad se define a partir de:

σ

σFS

y


CARGAS FLUCTUANTES

Para estas condiciones de carga donde interviene la fatiga. el estado superficial del

resorte es de interés primordial, dado que cualquier defecto por poco importante

que parezca; puede ocasionar un fallo por fatiga. Los defectos tales como:

picaduras, marcas de herramientas, grietas de temple, ralladuras accidentales, etc;

dan como resultado que las resistencias a la fatiga experimentales para alambres

de un determinado tamaño posean una dispersión natural grande, aunque dichas

diferencias no dependen del diámetro.

Dependiendo de los ciclos de vida, que se les exige a los resortes helicoidales, los

mismos pueden poseer vida finita o infinita. En condiciones de ciclos elevados, los

resortes helicoidales para trabajar a compresión y a tracción, no deben fallar en su

cuerpo debido a esfuerzos cortantes, y además en su cuerpo. se debe verificar la

probabilidad de fallo en los dispositivos de transferencia de carga por efecto de los

esfuerzos involucrados.


CARGAS FLUCTUANTES

Para el cuerpo del resorte donde intervienen esfuerzos cortantes, si el

mismo se

encuentra bajo la acción de una carga axial variable entre un valor mínimo

Fmin, y un valor máximo Fmáx (a partir de las cuales se obtienen las

componentes de las fuerzas alternante y media); los esfuerzos

correspondientes se determinan a partir de las expresiones:

donde

τa, τm : esfuerzo cortante alterno y medio, respectivamente

Fa, Fm : cargas axiales alterna y media respectivamente

3Baπd

8FaaDmKτ 3Bm

πd

8FamDmKτ


CARGAS FLUCTUANTES

Ahora, por ser los resortes elementos que

se precargas antes de que actúen las cargas

de trabajo externas, a dichos resortes que

originalmente poseen una longitud libre

Lo; debe comprimírseles para llevarlos a lo

que se denomina su longitud de acomodo

La. Posteriormente, ellos comúnmente

trabajarán entre la referida longitud de

acomodo y otra longitud menor, sin llegar

(salvo condiciones especiales) a la

condición extrema de trabajo inducida por

la carga sólida Fas, que lleva al resorte a la

longitud sólida Ls.

Figura 3.11 condiciones de operación de un

resorte de compresión


CARGAS FLUCTUANTES

El factor de seguridad para verificar la probabilidad de un fallo por fatiga

en el cuerpo del resorte se obtiene a partir de la teoría de Goodman

Modificada aplicada a elementos precargados:

Donde:

τmin : esfuerzo cortante correspondiente a la carga minima

Adicionalmente, debe verificarse simultáneamente con la probabilidad de

un fallo por fatiga, la probabilidad de un fallo por fluencia :

)τ(ττττ

)τ(ττFS

minmeua

minuef

max adm


CARGAS FLUCTUANTES

Para los resortes de tracción, adicionalmente deberá comprobarse la

seguridad de los extremos por donde se transfiere la carga, tanto en la base

del gancho (en caso de existir) como en el gancho propiamente dicho.

Para la base, donde también se suceden esfuerzos cortantes, dichos

esfuerzos resultantes son:

Donde en el caso de vida infinita el factor de seguridad se determina de:

32aπd

Dm8Faaτ K

3mπd

Dm8Famτ

)τ(ττττ

)τ(ττFS

minmeua

minuef


CARGAS FLUCTUANTES

Para los esfuerzos en el gancho propiamente dicho, los cuales son de tipo

normal se tiene:

En el cual el factor de seguridad se obtiene de:

23

m11a

πd

4Faa

πd

r8FaaKσ

23

m11m

πd

4Fam

πd

r32FamKσ

)σ(σσσσ

)σ(σσFS

minmeua

minuef

resortes mecÁnicos · ejemplo en chasis y topes de ferrocarril. ... esta clase de resortes puede...

Documents