Una "guía definitiva" a resortes planos requiere cubrir su definición, varios tipos, ventajas, desventajas, aplicaciones, materiales, consideraciones de diseño, procesos de fabricación, y cómo conseguirlos.
La guía definitiva para resortes planos
1. ¿Qué es un resorte plano?? (Definición & Principio básico)
A resorte plano Es un tipo de resorte mecánico hecho de tiras metálicas planas o rectangulares., a diferencia del alambre redondo (que es común para la compresión helicoidal, extensión, o resortes de torsión). Los resortes planos almacenan y liberan energía mecánica a través de doblando en lugar de torcerse o enrollarse.
Su característica fundamental es su eficiencia del espacio axial. Sobresalen en aplicaciones donde el espacio radial es abundante pero el espacio axial (a lo largo del eje de movimiento) el espacio es muy limitado.
Principio básico: Cuando se aplica una fuerza a un resorte plano., el material de la tira se deforma elásticamente (enfermedad de buzo). Cuando se elimina la fuerza, el resorte vuelve a su forma original, liberando la energía almacenada. La cantidad de fuerza, desviación, y el almacenamiento de energía depende en gran medida del material, espesor, ancho, forma, y longitud de la tira plana.
2. Por qué elegir resortes planos? (Ventajas)
- Ahorros excepcionales de espacio axial: Esta es la principal ventaja. Pueden proporcionar una fuerza significativa en una altura axial muy pequeña., haciéndolos ideales para diseños compactos donde los resortes helicoidales tradicionales serían demasiado voluminosos (P.EJ., Precarga de rodamientos en accionamientos eléctricos., mecanismos compactos).
- Alta fuerza en pequeña deflexión: Muchos tipos de resortes planos (como arandelas Belleville o resortes ondulados) Puede generar una fuerza sustancial en deflexiones relativamente cortas..
- Flexibilidad geométrica única: Los resortes planos se pueden estampar, formado, o enrollado en formas intrincadas y personalizadas que son imposibles con alambre redondo. Esto les permite integrar múltiples funciones. (P.EJ., primavera, contacto eléctrico, anticipo) en un solo componente.
- Autorretención: Muchos resortes planos están diseñados con características que les permiten encajar en su lugar o fijarse fácilmente., reduciendo el tiempo de montaje y el número de piezas.
- Excelente para aplicaciones estáticas o de baja dinámica: Si bien algunos pueden manejar cargas dinámicas, A menudo destacan como precarga estática o elementos de sujeción..
- Carga precisa: Puede diseñarse para proporcionar características de fuerza/deflexión muy precisas y consistentes..
- Rentable para grandes volúmenes: Para resortes planos estampados o formados, una vez hecho el utillaje, La producción puede ser muy rápida y rentable., especialmente para grandes cantidades.
- Vibración y ruido reducidos: Recuperando el juego o manteniendo la precarga, Contribuyen a un funcionamiento más silencioso y suave en conjuntos mecánicos..
3. Limitaciones de los resortes planos (Desventajas)
- Rango de deflexión inferior: Generalmente proporcionan menos deflexión que los resortes helicoidales para una determinada masa/volumen de material..
- Mayor concentración de estrés: Las curvas pronunciadas o las formas complejas pueden crear puntos de concentración de tensiones., Reducir potencialmente la vida a fatiga si no se diseña adecuadamente..
- Diseño complejo & Estampación: Diseño de resortes planos, formas de alambre o estampados especialmente complejos, A menudo requiere más experiencia en ingeniería y puede implicar costos de herramientas iniciales más altos en comparación con un simple resorte helicoidal..
- Sensibilidad a las propiedades del material: The performance is highly dependent on the material's elastic modulus and yield strength.
- Propenso a pandearse (en algunas formas): Largo, Las tiras planas delgadas bajo carga de compresión pueden doblarse si no se guían adecuadamente..
4. Tipos de resortes planos
Los resortes planos abarcan una amplia gama de diseños, cada uno optimizado para aplicaciones específicas:
A. Muelles ondulados
- Descripción: Fabricado con alambre plano., enrollado en un patrón ondulado o serpentino.
- Función: Se utiliza principalmente para precarga de rodamientos y para absorber impactos o vibraciones en aplicaciones axialmente restringidas..
- Ventajas: Arriba a 50% Reducción del espacio axial en comparación con los resortes helicoidales de alambre redondo convencionales., carga precisa.
- Subtipos: Una sola vuelta, multivuelta, anidado (para mayor fuerza), extremos de separación/superposición.
- Aplicaciones: Precarga de rodamientos en motores/accionamientos eléctricos, accionamiento de válvula, conectores, dispositivos médicos, aeroespacial.
B. Lavadoras Belleville (Resortes de disco)
- Descripción: Arandelas de forma cónica, típicamente hecho de acero de alta resistencia.
- Función: Almacena energía cuando está aplanado.. Se pueden apilar en varias configuraciones. (paralelo, serie, o mixto) para lograr diferentes características de fuerza/deflexión.
- Ventajas: Alta fuerza en un espacio axial muy pequeño., fuerza consistente.
- Aplicaciones: Maquinaria pesada, uniones atornilladas, mecanismos de embrague y freno, soportes de tubería, válvulas de retención, portaherramientas.
do. Resortes de fuerza constante (Muelles de motor, Muelles de cepillo)
- Descripción: Hecho de material de tira plana pretensado enrollado en una espiral apretada.
- Función: Proporciona una fuerza prácticamente constante en toda su longitud de extensión..
- Ventajas: Salida de fuerza constante, buen funcionamiento, Capacidad de extensión larga para su tamaño..
- Aplicaciones: contrapeso, mecanismos retráctiles (P.EJ., cinta métrica, marcos de ventana, puertas cortafuegos), resortes de cepillo para motores, dispositivos médicos (bombas intravenosas).
D. Resortes de compresión/extensión/torsión de alambre plano
- Descripción: Aunque a menudo se les llama "resortes helicoidales," Estos están hechos de alambre rectangular o cuadrado., enrollado helicoidalmente.
- Función: Similar a los resortes helicoidales de alambre redondo, pero se beneficia de la geometría de alambre plano..
- Ventajas: Mayor índice de resorte en un diámetro determinado., altura sólida reducida (para compresión), distribución de tensiones a veces más favorable.
- Aplicaciones: Cuando se desea una forma de bobina tradicional pero con los beneficios de rendimiento del alambre plano.
mi. Ballestas
- Descripción: Tiras rectangulares simples de metal., a menudo apilados (multihoja) o utilizado individualmente (mono-hoja).
- Función: Diseñado para desviarse bajo transversal (perpendicular) cargas.
- Ventajas: Sencillez, a menudo se utiliza para la suspensión.
- Aplicaciones: suspensiones de vehículos, mecanismos de sujeción simples, electrical switches (como una hoja voladiza).
F. clips, Abrazaderas, Retenedores (Componentes Fourslide/Multi-slide)
- Descripción: A menudo complejo, componentes metálicos planos hechos a medida en grandes volúmenes utilizando "fourslide" o "multi-slide" maquinas estampadoras y conformadoras.
- Función: Puede combinar la funcionalidad del resorte con la fijación., conectando, o conservar funciones.
- Ventajas: Función altamente integrada, rentable para grandes volúmenes, preciso y repetible.
- Aplicaciones: Clips automotrices, contactos de bateria, contactos electricos, sujetadores de dispositivos médicos, componentes del electrodoméstico.
GRAMO. Resortes en voladizo
- Descripción: Una viga simple fijada por un extremo y cargada por el otro..
- Función: Provides force and deflection based on the beam's material, dimensiones, y longitud.
- Ventajas: Diseño simplista, a menudo integrado en otros componentes.
- Aplicaciones: contactos electricos, interruptores, pequeños mecanismos.
h. Resortes de potencia (Resortes en espiral)
- Descripción: Una tira plana de material para resortes enrollada en espiral y montada en una caja.; un extremo se une a un cenador, el otro al caso.
- Función: Almacena energía cuando se da cuerda y la libera cuando se desenrolla.. Produce un alto par en un número limitado de vueltas.. A menudo denominados resortes de reloj..
- Ventajas: Poder concentrado, par suave.
- Aplicaciones: juguetes de cuerda, cables/mangueras retráctiles, motores de cepillo, carretes de cable, arrancadores de motor. Nota: Distinto de los resortes de fuerza constante.
5. Aplicaciones comunes de los resortes planos
Los resortes planos son omnipresentes en casi todas las industrias.:
- Accionamientos eléctricos / motores: Precarga del rodamiento (resortes ondulados!), contactos de cepillo, mecanismos de freno.
- Automotor: Sistemas de suspensión (ballestas), clips, sujetadores, mecanismos de asiento, contactos de sensores, componentes de embrague/freno (lavadoras belleville).
- Electrónica: Contactos de batería, interruptores, conectores, Blindaje EMI/RFI, retenedores de placa de circuito.
- Dispositivos médicos: Mecanismos miniaturizados, herramientas quirúrgicas, sistemas de administración de medicamentos, guías, abrazadera, contactos de precisión (a menudo requiere materiales especializados como Nitinol).
- Accesorios: Pestillos de puerta, mecanismos de temporizador, aparamenta, resortes de la puerta del horno, componentes del lavavajillas.
- Aeroespacial & Defensa: Actuadores, mecanismos de sensores, componentes ligeros, sistemas de control.
- Maquinaria Industrial: Embragues, frenos, valvulas, soporte de carga pesada, mojadura.
- Bienes de consumo: juguetes, relojes, cabellos, dispensadores, camaras.
- Zapatillas & válvulas: Precarga del sello mecánico, mecanismos de retorno de válvula.
6. Materiales para resortes planos
La elección del material es crítica y depende de la carga., ambiente, requisitos de fatiga, y costo.
- Aceros para resortes al carbono:
- Acero con alto contenido de carbono (P.EJ., 1074, 1095): Excelente resistencia y vida a la fatiga para uso general., pero propenso a la corrosión. Requiere enchapado o revestimiento..
- Difícilmente dibujado (P.EJ., ASTM A227): Económico, buena fuerza, pero menor vida de fatiga.
- Cable de música (P.EJ., ASTM A228): Máxima resistencia a la tracción y excelente vida a la fatiga para alambre redondo, menos común para tiras planas.
- Aceros inoxidables:
- Tipo 301 (EE.UU. S30100): Buena fuerza y resistencia a la corrosión., Adecuado para aplicaciones de uso general donde se necesita cierta resistencia a la corrosión.. A menudo se especifica en condición de laminado templado..
- Tipo 302/304 (EE. UU. S30200/S30400): Resistencia general a la corrosión, buena formabilidad.
- Tipo 316 (EE. UU. S31600): Resistencia superior a la corrosión, especialmente a los cloruros, bueno para entornos médicos y marinos. Menor fuerza que 301.
- 17-7 PH (EE. UU. S17700): Acero inoxidable endurecido por precipitación, excelente resistencia después del tratamiento térmico, buena resistencia a la corrosión. Ideal para aplicaciones de alto estrés.
- Aleaciones a base de cobre:
- Cobre berilio (P.EJ., C17200, C17300): Excelente conductividad eléctrica, buena fuerza, resistencia a la corrosión, y buena vida de fatiga. No magnético. Comúnmente utilizado para contactos eléctricos..
- Bronce fosforado (P.EJ., C51000): Buena conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión, y fuerza razonable. Más económico que el cobre berilio..
- Aleaciones a base de níquel:
- Incomparar (P.EJ., 600, 718, X-750): Excelente resistencia a altas temperaturas., buena resistencia a la corrosión, y no magnético. Utilizado en la industria aeroespacial, aceite & gas, aplicaciones de alta temperatura.
- Monel (P.EJ., 400, K-500): Extremadamente buena resistencia a la corrosión, especialmente en agua de mar, buena resistencia para temperaturas criogénicas a altas.
- Elgiloy® / Conel (Haynes® 263 / MP35N): Aleaciones a base de cobalto-níquel. Excelente resistencia a la corrosión, alta resistencia, no magnético, y bueno para altas temperaturas. Utilizado en medicina y aeroespacial..
- Otras aleaciones especiales:
- Nitinol: Aleación con memoria de forma y propiedades superelásticas.. Utilizado en dispositivos médicos., ortodoncia.
- Titanio: Alta relación resistencia-peso, excelente resistencia a la corrosión.
7. Consideraciones de diseño para resortes planos
El diseño eficaz de un resorte plano requiere atención cuidadosa a varios factores:
- Carga & Requisitos de deflexión:
- ¿Cuál es la fuerza objetivo en una deflexión dada??
- ¿Cuál es la deflexión máxima permitida??
- ¿La carga es estática o dinámica? (fatiga)?
- Espacio disponible: Axial, radial, y las restricciones tangenciales son primordiales.
- Selección de material: Basado en el estrés, temperatura, corrosión, conductividad, propiedades magnéticas, y costo.
- Entorno operativo: Rango de temperatura, exposición a productos químicos, humedad, vacío.
- Vida fatigada: Si es dinámico, cuantos ciclos se requieren? Esto influye mucho en la elección del material., niveles de estrés, y acabados superficiales.
- Análisis de estrés: La tensión de flexión es primaria.. Ensure stresses remain below the material's yield strength, con un factor de seguridad adecuado. Análisis de elementos finitos (FEA) Se utiliza a menudo para diseños complejos..
- Condiciones finales / Montaje: ¿Cómo se llevará a cabo la primavera?? Las funciones integradas para la retención son comunes.
- Tolerancias: ¿Cuál es la variación aceptable en dimensiones y carga?? Tolerancias más estrictas aumentan el costo.
- Proceso de fabricación: El método de fabricación elegido. (estampado, formando, bobinado de borde) influirá en las posibilidades y costos de diseño. Considere la capacidad de fabricación al principio de la fase de diseño..
- Operaciones secundarias: Tratamiento térmico (aliviar el estrés, endurecimiento), enchapado (resistencia a la corrosión, conductividad), pasivación, desbarbado, pulido.
8. Procesos de fabricación de resortes planos
- Estampado & formando:
- Proceso: Las tiras de metal planas se introducen en prensas donde se cortan los troqueles., doblar, y darle al material la forma deseada.
- Utilizado para: clips, contactos, retenedores, Formas de alambre intrincadas en 2D y 3D. (máquinas de cuatro carros/multi carros).
- Ventajas: Alta velocidad, alto volumen, rentable para la producción en masa una vez que se fabrican las herramientas.
- Limitaciones: Alto coste inicial de herramientas, puede ser menos adecuado para materiales muy gruesos o formas 3D extremadamente complejas.
- Bobinado de borde:
- Proceso: El alambre plano está enrollado en su borde formando una bobina.. Este es el método principal para fabricar resortes ondulados y anillos de retención en espiral..
- Utilizado para: resortes ondulados, anillos de retención en espiral, algunos resortes de fuerza constante.
- Ventajas: Sin rebabas, sin material de desecho, control preciso sobre las dimensiones y la tasa de resorte.
- Doblar & Prensa formando:
- Proceso: For simpler leaf springs or custom shapes where stamping dies aren't economical or appropriate, Se pueden utilizar operaciones de doblado individuales..
- Utilizado para: Prototipos, producción de bajo volumen, ballestas grandes.
- enrollado (para resortes helicoidales de alambre plano):
- Proceso: Similar al bobinado de alambre redondo, pero usando maquinaria especializada para enrollar alambre plano.
- Utilizado para: Compresión de alambre plano, extensión, y resortes de torsión.
- Tratamiento térmico: Esencial para aliviar tensiones en resortes recién formados y para endurecer ciertos materiales. (P.EJ., 17-7 acero inoxidable) para lograr las propiedades finales del material.
9. Abastecimiento y proveedores de resortes planos
Encontrar el fabricante adecuado es clave, Como los resortes planos a menudo requieren capacidades de ingeniería y fabricación especializadas..
- Prepare una especificación detallada: Incluir todas las dimensiones, material, carga/deflexión, entorno operativo, cantidad, y tolerancias. Un dibujo es esencial.
- Identificar tipos de fabricantes: Busque fabricantes especializados en:
- resortes ondulados: Compañía de anillos de acero Smalley, Lee Primavera, Primavera asociada Raymond.
- lavadoras belleville: Belleville Inc., Cayo Belleville, Fabricación Solon.
- Resortes de fuerza constante: Lee Primavera, Soluciones de ingeniería de Stanley (Primavera asociada Raymond).
- Estampados metálicos personalizados/formas de alambre (cuatro diapositivas / múltiples diapositivas): Muchas empresas especializadas, also larger general spring makers like MW Industries' subsidiaries, Primavera de Newcomb, Boker's Inc.
- Muelles helicoidales de precisión (de alambre plano): Empresas mencionadas anteriormente, comprobar sus capacidades específicas.
- Utilice los recursos de la industria:
- Instituto de fabricantes de primavera (SMI): Directorio de miembros en América del Norte.
- Thomasnet.com: Filtrar por tipo de resorte, material, capacidades de fabricación.
- Evaluar proveedores:
- Capacidad: ¿Tienen la tecnología y la experiencia para tu tipo específico de resorte plano y material?
- Soporte de ingeniería: ¿Ofrecen asistencia de diseño y DFM? (diseño para la capacidad de fabricación)?
- Calidad & Certificaciones: Busque ISO 9001, AS9100 (aeroespacial), IATF 16949 (automotor), ISO 13485 (médico).
- Volumen & Plazo de entrega: ¿Pueden manejar sus cantidades y cumplir con su horario??
- Costo: Obtenga múltiples cotizaciones, pero prioriza el valor (calidad + servicio) por encima del precio más bajo.
Los resortes planos son una categoría indispensable de componentes mecánicos., Ofreciendo soluciones elegantes a desafíos complejos de ingeniería., especialmente donde el espacio es escaso. Their versatility in form and function makes them a designer's powerful tool.