Um "guia definitivo" para molas planas requer cobrir sua definição, vários tipos, vantagens, desvantagens, aplicações, materiais, considerações de projeto, processos de fabricação, e como obtê-los.
O guia definitivo para Flat Springs
1. O que é uma mola plana? (Definição & Princípio Básico)
UM mola plana é um tipo de mola mecânica feita de tira de metal plana ou retangular, em oposição ao fio redondo (o que é comum para compressão helicoidal, extensão, ou molas de torção). As molas planas armazenam e liberam energia mecânica através de flexão em vez de torcer ou enrolar.
Sua característica fundamental é a eficiência de espaço axial. Eles se destacam em aplicações onde o espaço radial é abundante, mas axial (ao longo do eixo do movimento) o espaço é altamente restrito.
Princípio Básico: Quando uma força é aplicada a uma mola plana, o material da tira deforma-se elasticamente (curvas). Quando a força é removida, a mola retorna à sua forma original, liberando a energia armazenada. A quantidade de força, deflexão, e o armazenamento de energia depende muito do material, grossura, largura, forma, e comprimento da tira plana.
2. Por que escolher molas planas? (Vantagens)
- Economia excepcional de espaço axial: Esta é a principal vantagem. Eles podem fornecer força significativa em uma altura axial muito pequena, tornando-os ideais para designs compactos onde as molas helicoidais tradicionais seriam muito volumosas (Por exemplo, pré-carga do rolamento em acionamentos elétricos, mecanismos compactos).
- Alta Força em Pequena Deflexão: Muitos tipos de molas planas (como arruelas Belleville ou molas onduladas) pode gerar força substancial em deflexões relativamente curtas.
- Flexibilidade Geométrica Única: Molas planas podem ser estampadas, formado, ou enrolado em formas complexas e personalizadas que são impossíveis com fio redondo. Isso permite que eles integrem múltiplas funções (Por exemplo, primavera, contato elétrico, retentor) em um único componente.
- Auto-retenção: Muitas molas planas são projetadas com recursos que permitem que elas se encaixem no lugar ou sejam facilmente fixadas, reduzindo o tempo de montagem e a contagem de peças.
- Excelente para aplicações estáticas ou de baixa dinâmica: Embora alguns possam lidar com cargas dinâmicas, eles geralmente se destacam como pré-carga estática ou elementos de fixação.
- Carregamento preciso: Pode ser projetado para fornecer características de força/deflexão muito precisas e consistentes.
- Econômico para alto volume: Para molas planas estampadas ou formadas, uma vez que o ferramental é feito, a produção pode ser muito rápida e econômica, especialmente para grandes quantidades.
- Vibração e ruído reduzidos: Ao começar a jogar ou manter a pré-carga, eles contribuem para uma operação mais silenciosa e suave em montagens mecânicas.
3. Limitações de molas planas (Desvantagens)
- Faixa de deflexão inferior: Geralmente fornecem menos deflexão do que as molas helicoidais para uma determinada massa/volume de material.
- Maior concentração de estresse: Curvas acentuadas ou formas complexas podem criar pontos de concentração de tensão, potencialmente reduzindo a vida em fadiga se não for projetado adequadamente.
- Projeto Complexo & Ferramentas: Projetando molas planas, formas de arame ou estampagens especialmente complexas, muitas vezes requer mais conhecimentos de engenharia e pode envolver custos iniciais de ferramentas mais elevados em comparação com uma simples mola helicoidal.
- Sensibilidade às propriedades dos materiais: The performance is highly dependent on the material's elastic modulus and yield strength.
- Propenso a flambagem (em algumas formas): Longo, tiras finas e planas sob carga compressiva podem entortar se não forem guiadas corretamente.
4. Tipos de molas planas
As molas planas abrangem uma ampla gama de designs, cada um otimizado para aplicações específicas:
UM. Molas onduladas
- Descrição: Fabricado em fio plano, enrolado em um padrão ondulado ou serpentino.
- Função: Usado principalmente para pré-carga de rolamento e para absorver choques ou vibrações em aplicações com restrição axial.
- Vantagens: Até 50% redução do espaço axial em comparação com molas helicoidais de fio redondo convencionais, carregamento preciso.
- Subtipos: Volta única, multivoltas, aninhado (para maior força), extremidades de lacuna/sobreposição.
- Aplicações: Pré-carga do rolamento em motores/acionamentos elétricos, atuação da válvula, conectores, dispositivos médicos, aeroespacial.
B. Arruelas Belleville (Molas Prato)
- Descrição: Arruelas em formato cônico, normalmente feito de aço de alta resistência.
- Função: Armazenar energia quando achatado. Eles podem ser empilhados em várias configurações (paralelo, série, ou misto) para alcançar diferentes características de força/deflexão.
- Vantagens: Alta força em um espaço axial muito pequeno, força consistente.
- Aplicações: Máquinas pesadas, juntas aparafusadas, mecanismos de embreagem e freio, suportes de tubos, válvulas de retenção, porta-ferramentas.
C. Molas de Força Constante (Molas do motor, Molas de escova)
- Descrição: Feito de material de tira plana pré-esforçado enrolado em uma espiral apertada.
- Função: Fornece uma força praticamente constante em todo o seu comprimento de extensão.
- Vantagens: Saída de força constante, operação suave, capacidade de extensão longa para seu tamanho.
- Aplicações: Contrapeso, mecanismos de retração (Por exemplo, fita métrica, caixilhos das janelas, portas corta-fogo), molas de escova para motores, dispositivos médicos (Bombas intravenosas).
D. Molas de compressão/extensão/torção de fio plano
- Descrição: Embora muitas vezes chamadas de "molas helicoidais," estes são feitos de fio retangular ou quadrado, enrolado helicoidalmente.
- Função: Semelhante às molas helicoidais de fio redondo, mas beneficia da geometria do fio plano.
- Vantagens: Maior taxa de mola em um determinado diâmetro, altura sólida reduzida (para compressão), às vezes distribuição de tensão mais favorável.
- Aplicações: Onde uma forma de bobina tradicional é desejada, mas com benefícios de desempenho do fio plano.
E. Molas de folhas
- Descrição: Tiras retangulares simples de metal, muitas vezes empilhado (multifolha) ou usado individualmente (folha única).
- Função: Projetado para desviar sob transversal (perpendicular) cargas.
- Vantagens: Simplicidade, frequentemente usado para suspensão.
- Aplicações: Suspensões de veículos, mecanismos de fixação simples, interruptores elétricos (como uma folha cantilever).
F. Clipes, Grampos, Lacaios (Componentes Fourslide/Multi-slide)
- Descrição: Muitas vezes complexo, componentes metálicos planos personalizados feitos em grandes volumes usando "fourslide" ou "vários slides" máquinas de estampar e formar.
- Função: Pode combinar funcionalidade de mola com fixação, conectando, ou reter funções.
- Vantagens: Função altamente integrada, econômico para grandes volumes, preciso e repetível.
- Aplicações: Clipes automotivos, contatos da bateria, contatos elétricos, fixadores de dispositivos médicos, componentes do aparelho.
G. Molas cantilever
- Descrição: Uma viga simples fixada em uma extremidade e carregada na outra.
- Função: Provides force and deflection based on the beam's material, dimensões, e comprimento.
- Vantagens: Design simplista, frequentemente integrado em outros componentes.
- Aplicações: Contatos elétricos, interruptores, pequenos mecanismos.
H. Molas Elétricas (Molas espirais)
- Descrição: Uma tira plana de material de mola enrolada em espiral e montada em uma caixa; uma extremidade é presa a um caramanchão, o outro para o caso.
- Função: Armazena energia à medida que é enrolada e libera-a à medida que se desenrola. Produz alto torque em um número limitado de voltas. Muitas vezes chamadas de molas de relógio.
- Vantagens: Poder concentrado, torque suave.
- Aplicações: Brinquedos de corda, cabos/mangueiras retráteis, motores de escova, bobinas de cabo, motores de partida. Observação: Distinto das molas de força constante.
5. Aplicações comuns de molas planas
As molas planas são onipresentes em quase todos os setores:
- Acionamentos elétricos / Motores: Pré-carga do rolamento (molas onduladas!), contatos de escova, mecanismos de freio.
- Automotive: Sistemas de suspensão (molas de folhas), clipes, fixadores, mecanismos de assento, contatos do sensor, componentes de embreagem/freio (Arruelas Belleville).
- Eletrônica: Contatos da bateria, interruptores, conectores, Blindagem EMI/RFI, retentores de placa de circuito.
- Dispositivos médicos: Mecanismos miniaturizados, ferramentas cirúrgicas, sistemas de entrega de medicamentos, guias, grampos, contatos de precisão (muitas vezes requer materiais especializados como Nitinol).
- Eletrodomésticos: Travas de porta, mecanismos de temporizador, comutador, molas da porta do forno, componentes da máquina de lavar louça.
- Aeroespacial & Defesa: Atuadores, mecanismos de sensor, componentes leves, sistemas de controle.
- Máquinas Industriais: Embreagens, freios, válvulas, suporte para carga pesada, amortecimento.
- Bens de consumo: Brinquedos, relógios, fechaduras, dispensadores, câmeras.
- Bombas & Válvulas: Pré-carga do selo mecânico, mecanismos de retorno de válvula.
6. Materiais para molas planas
A escolha do material é crítica e depende da carga, ambiente, requisitos de fadiga, e custo.
- Aços para molas de carbono:
- Aço de alto carbono (Por exemplo, 1074, 1095): Excelente resistência e resistência à fadiga para uso geral, mas sujeito à corrosão. Requer chapeamento ou revestimento.
- Desenhado (Por exemplo, ASTM A227): Econômico, boa força, mas menor vida útil à fadiga.
- Fio de música (Por exemplo, ASTM A228): Maior resistência à tração e excelente resistência à fadiga para arame redondo, menos comum para tira plana.
- Aços Inoxidáveis:
- Tipo 301 (EUA S30100): Boa resistência e resistência à corrosão, adequado para aplicações de uso geral onde é necessária alguma resistência à corrosão. Frequentemente especificado em condição laminada temperada.
- Tipo 302/304 (EUA S30200/S30400): Resistência geral à corrosão, boa conformabilidade.
- Tipo 316 (EUA S31600): Resistência superior à corrosão, especialmente para cloretos, bom para ambientes médicos e marinhos. Força menor que 301.
- 17-7 PH (EUA S17700): Aço inoxidável endurecido por precipitação, excelente resistência após tratamento térmico, boa resistência à corrosão. Ideal para aplicações de alto estresse.
- Ligas à Base de Cobre:
- Berílio Cobre (Por exemplo, C17200, C17300): Excelente condutividade elétrica, boa força, resistência à corrosão, e boa vida à fadiga. Não magnético. Comumente usado para contatos elétricos.
- Bronze Fósforo (Por exemplo, C51000): Boa condutividade elétrica, resistência à corrosão, e força razoável. Mais econômico que o cobre-berílio.
- Ligas à base de níquel:
- Inconel (Por exemplo, 600, 718, X-750): Excelente resistência a altas temperaturas, boa resistência à corrosão, e não magnético. Usado na indústria aeroespacial, óleo & gás, aplicações de alta temperatura.
- Monel (Por exemplo, 400, K-500): Extremamente boa resistência à corrosão, especialmente na água do mar, boa resistência para condições criogênicas a altas temperaturas.
- Elgiloy® / Conel (Haynes® 263 / MP35N): Ligas à base de cobalto-níquel. Excelente resistência à corrosão, alta resistência, não magnético, e bom para altas temperaturas. Usado em medicina e aeroespacial.
- Outras ligas especiais:
- Nitinol: Liga com memória de forma e propriedades superelásticas. Usado em dispositivos médicos, ortodontia.
- Titânio: Alta relação resistência-peso, excelente resistência à corrosão.
7. Considerações de projeto para molas planas
O projeto eficaz de molas planas requer atenção cuidadosa a vários fatores:
- Carregar & Requisitos de deflexão:
- Qual é a força alvo em uma determinada deflexão?
- Qual é a deflexão máxima permitida?
- A carga é estática ou dinâmica (fadiga)?
- Espaço disponível: Axial, radial, e restrições tangenciais são fundamentais.
- Seleção de Materiais: Baseado no estresse, temperatura, corrosão, condutividade, propriedades magnéticas, e custo.
- Ambiente Operacional: Faixa de temperatura, exposição a produtos químicos, umidade, vazio.
- Vida de fadiga: Se dinâmico, quantos ciclos são necessários? Isso influencia fortemente a escolha do material, níveis de estresse, e acabamentos superficiais.
- Análise de Estresse: A tensão de flexão é primária. Ensure stresses remain below the material's yield strength, com um fator de segurança adequado. Análise de Elementos Finitos (FEA) é frequentemente usado para projetos complexos.
- Condições finais / Montagem: Como a primavera será mantida no lugar? Recursos integrados para retenção são comuns.
- Tolerâncias: Qual é a variação aceitável em dimensões e carga? Tolerâncias mais restritas aumentam o custo.
- Processo de Fabricação: O método de fabricação escolhido (estampagem, formando, enrolamento de borda) influenciará as possibilidades e os custos do projeto. Considere a capacidade de fabricação no início da fase de design.
- Operações Secundárias: Tratamento térmico (alívio do estresse, endurecimento), chapeamento (resistência à corrosão, condutividade), passivação, rebarbação, polimento.
8. Processos de Fabricação para Molas Planas
- Estampagem & Formando:
- Processo: Tiras planas de metal são alimentadas em prensas onde as matrizes são cisalhadas, dobrar, e moldar o material na forma desejada.
- Usado para: Clipes, contatos, retentores, formas complexas de fios 2D e 3D (máquinas fourslide/multi-slide).
- Vantagens: Alta velocidade, alto volume, econômico para produção em massa, uma vez que o ferramental é fabricado.
- Limitações: Alto custo inicial de ferramentas, pode ser menos adequado para materiais muito espessos ou formas 3D extremamente complexas.
- Enrolamento de borda:
- Processo: O fio plano é enrolado em sua borda em uma bobina. Este é o principal método para fabricar molas onduladas e anéis de retenção em espiral.
- Usado para: Molas onduladas, anéis de retenção em espiral, algumas molas de força constante.
- Vantagens: Sem rebarbas, sem desperdício de material, controle preciso sobre dimensões e taxa de mola.
- Dobrando & Press Forming:
- Processo: For simpler leaf springs or custom shapes where stamping dies aren't economical or appropriate, operações de dobra individuais podem ser usadas.
- Usado para: Protótipos, produção de baixo volume, molas de folhas grandes.
- Enrolando (para molas helicoidais de fio plano):
- Processo: Semelhante ao enrolamento de fio redondo, mas usando máquinas especializadas para enrolar fio plano.
- Usado para: Compressão de fio plano, extensão, e molas de torção.
- Tratamento térmico: Essencial para aliviar a tensão de molas recém-formadas e para endurecer certos materiais (Por exemplo, 17-7 PH aço inoxidável) para alcançar as propriedades finais do material.
9. Fornecimento e fornecedores de molas planas
Encontrar o fabricante certo é fundamental, já que as molas planas geralmente exigem recursos especializados de engenharia e fabricação.
- Prepare uma especificação detalhada: Incluir todas as dimensões, material, carga/deflexão, ambiente operacional, quantidade, e tolerâncias. Um desenho é essencial.
- Identifique os tipos de fabricantes: Procure fabricantes especializados em:
- Molas onduladas: Empresa de anéis de aço Smalley, Lee Primavera, Primavera Associada Raymond.
- Arruelas Belleville: Belleville Inc., Key Bellevilles, Fabricação Sólon.
- Molas de força constante: Lee Primavera, Soluções de engenharia Stanley (Primavera Associada Raymond).
- Estampagens de metal/formas de arame personalizadas (quatro slides/multislide): Muitas empresas especializadas, also larger general spring makers like MW Industries' subsidiaries, Primavera de Newcomb, Boker's Inc.
- Molas helicoidais de precisão (de fio plano): Empresas listadas acima, verifique suas capacidades específicas.
- Utilize recursos da indústria:
- Instituto de fabricantes de primavera (SMI): Diretório de membros na América do Norte.
- Thomasnet. com: Filtrar por tipo de mola, material, capacidades de fabricação.
- Avalie Fornecedores:
- Capacidade: Eles têm a tecnologia e o conhecimento para seu tipo específico de mola plana e material?
- Suporte de Engenharia: Eles oferecem assistência de design e DFM (design para capacidade de fabricação)?
- Qualidade & Certificações: Procure ISO 9001, AS9100 (aeroespacial), IATF 16949 (automotivo), ISO 13485 (médico).
- Volume & Tempo de espera: Eles podem lidar com suas quantidades e cumprir sua programação?
- Custo: Obtenha várias cotações, mas priorize o valor (qualidade + serviço) apenas pelo preço mais baixo.
As molas planas são uma categoria indispensável de componentes mecânicos, oferecendo soluções elegantes para desafios complexos de engenharia, especialmente onde o espaço é escasso. Their versatility in form and function makes them a designer's powerful tool.