DESARROLLO DE SOFTWARE PARA EL DISEÑO DE RESORTES HELICOIDALES

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DESARROLLO DE SOFTWARE PARA EL DISEÑO DE RESORTES HELICOIDALES

Roganti, Carlos H., Della Santina, Santiago N., Marino, Ezequiel M. y Rossetti, Omar J. GITMA - Fac. Reg. Villa María de la UTN, Av. Universidad 450, 5900 Villa María

(e-mail: carroganti@hotmail.com

Resumen. Los resortes o muelles, son elementos de máquinas muy empleados, se utilizan para muchos fines, por ejemplo para absorber energía o cargas de choque.

Se ha desarrollado un programa que calcula los resortes helicoidales de compresión, de alambre de sección circular que son unos de los más utilizados. Este programa consiste en una base de datos de materiales y un desarrollo matemático que fue adaptado a partir de la bibliografía existente en la cátedra.

Uno de los objetivos de este desarrollo es obtener un programa práctico para el cálculo de resortes helicoidales de compresión de sección circular. Además el software desarrollado será de utilidad para los estudiantes y profesionales, no solo para el aprendizaje, sino también para llevar a cabo proyectos de diferentes índole.

1 INTRODUCCIÓN

Si bien existen programas para el cálculo de resortes, los mismos son algo tediosos para su aplicación práctica ya que están generalizados para cualquier forma de resortes. El objetivo de este proyecto era lograr obtener un programa de uso muy práctico para el cálculo de resortes helicoidales de compresión, de alambre de sección circular que son unos de los mas comunes utilizados. Este objetivo creemos que fue alcanzado debido a que se a creado un programa muy simple, en el cual, se apoya en la teoría del análisis de esfuerzos efectuada por Wahl1.

En la fig. 1, se podrá apreciar la ventana principal del programa.

Fig. Nº 1: Ventana principal

1Wahl: Tema tratado en Diseño de elementos de Mäquinas por Virgil Moring Faires año 1995

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2 CONDICIONES INICIALES 2.1 F max.:

Es la fuerza máxima de compresión a la que va a estar sometido el resorte 2.2 F min.:

Es la fuerza mínima de compresión a la que va a estar sometido el resorte. En caso de que el resorte este sometido a una única fuerza esta debiera tomar el valor 0.

2.3 C:

(Dm/Dw) se denomina índice del resorte y es la relación que existe entre el diámetro de la espira y el diámetro del alambre. Obsérvese que este Índice indica la agudeza o valor relativo de la curvatura de la espira. Para un índice del resorte de C = 3 el esfuerzo real en el resorte es un 60 % más elevado que el indicado por la ecuación de torsión simple. Para reducir al mínimo el efecto de curvatura, tenemos que son convenientes los valores de C > 5; si C < 5, es necesario poner un cuidado especial en el bobinado de las espiras para evitar que se produzcan grietas en algunos hilos.

2.4 N.:

Coeficiente de seguridad. Este coeficiente depende de varios factores como la confiabilidad de los materiales. Normalmente toma valores de 1.5, pero puede tomar 1.15 como mínimo o superiores.

2.5 Coef. Son:

Normalmente este coeficiente es 1, pero en el caso de que el material sea estirado en frío colocar 0.9.

2.6 Lo

Es la longitud que tiene el resorte sin carga y se denomina longitud libre. 2.7 El ángulo de paso ( ):

Es el ángulo que toma una espira respecto a un eje perpendicular al longitudinal. Cuando este ángulo supera los 12º es posible que comience a surgir un error en los cálculos.

Fig. Nº 2: Ángulo de paso 3 TIPO DE EXTREMOS

El tipo de extremo produce un efecto en el centrado de la carga aunque los cálculos de este programa trabajan con la carga coincidente con en eje del resorte

Fig. Nº 4: Extremo escuadrado

Fig. Nº 3: Extremo simple

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Fig. Nº 5 : Extremo simple amolado Fig. Nº 6: Extremo escuadrado y amolado

La selección de un tipo de extremo afecta el resultado en Lo, Lc y Nº de espiras 4. SELECCIÓN DE MATERIALES

4.1 Tipo De Material

4.1.1 Alambre De Resorte Estirado En Frío (ASTM A227). Es un material barato; diámetros, 0,711 a 14,3 mm (o bien 0,028 a 9116 pulg.); adecuado cuando el servicio no es severo y no se necesita una precisión dimensional, bobinado en frío; 0,45 a 0,75 % C; no se utiliza para duración indefinida. La calidad de la superficie es inferior (por ejemplo, con arrugas muy finas) a la de otros.

4.1.2 Alambre De Cuerda De Piano (ASTM A228). También es estirado en frío (reducción 80 %), pero es de acero de alta calidad; excelente superficie, comparable a la «calidad de resorte de válvula»; 0,7 a 1,0 % C; bobinado en frío; diámetros, 0,10 a 3,96 mm (o bien 0,004 a 0,156 pulg.). Es el mejor material disponible en diámetros menores de 3,2 mm (o bien 118 pulg.).

4.1.3 Alambre De Resortes Revenido En Aceite (ASTM A229). Es estirado en frío hasta su diámetro preciso (reducción 50-70 %) y luego templado y revenido (prerrevenido); 0,55 - 0,75 % C; ordinariamente bobinado en frío y con alivio de esfuerzos a baja temperatura, unos 232º C (450º F); diámetros, 5,71 hasta 12,70 mm (o bien 0,225 a 0,5 pulg). Su superficie no es la mejor, pero si bastante mejor que la del alambre estirado en frío.

4.1.4 Acero Al Carbono (ASTM 230) de calidad de resorte de válvula (en inglés, «valve-spring.quality», VSQ). Es el alambre revenido en aceite de más alta calidad; 0,60 - 0,75 % C. Como tiene una superficie excelente, la calidad de resorte de válvula es la de más confianza (así como el alambre de cuerda de piano) para resistencia a la fatiga, por lo que se le utiliza en la mayoría de servicios severos o difíciles; diámetros, 2,36 hasta 9,52 milímetros (o bien 0,093 a 0,375 pulg.).

4.1.5 Acero Al Cromo-Vanadio (ASTM 231). Es revenido en aceite; 0,45 a 0,55 % C, diámetros, 7,11 a 9,52 mm (o bien 0,28 a 0,375 pulg.). Los aceros aleados son superiores a los aceros al carbono de la misma calidad aproximadamente a temperaturas superiores a 121º C (o bien 250º F).

La calidad de resorte de válvula Cr-V (ASTM 132) tiene la mejor superficie comercial; diámetros, 0,81 a 1 1,1 mm (o bien 0,032 a 0,437 pulg.).

4.1.6 Cromo-Silicio (ASTM 401). Buena calidad para cargas de impacto y temperaturas moderadamente elevadas (posiblemente hasta 232º C [450º F], dependiendo de la magnitud admisible de relajación).

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4.1.7 Acero Inoxidable, Tipo 302 (Cromo-Níquel, ASTM A313). Es resistente a la corrosión y fácilmente disponible; dimensiones, 0,22 a 9,52 mm (o bien 0,009 a 0,575 pulg.). Es estirado en frío y su relajación (debilitación a temperaturas elevadas es mucho menor que la de los tipos mencionados anteriormente. Se fabrica alambre de acero inoxidable con resistencias comparables al alambre de cuerda de piano o mejores.

4.2 Propiedades:

4.2.1 E: Modulo de elasticidad longitudinal (Kg/cm2)

4.2.2 G: Modulo de elasticidad transversal (Kg/cm2)

4.2.3 Su: Resistencia máxima a la tracción que posee el material ( Kg/cm2)

4.2.4 Ss/Dw^ : Es un coeficiente que se utiliza para el determinar la resistencia del resorte.

4.2.5 Ss: Es una constante propia del material que tiene unidades de esfuerzo (Kg/cm2) que se utiliza para determinar la resistencia del resorte

4.2.6 Son: Es una constante propia del material que tiene unidades de esfuerzo (Kg/cm2) que se utiliza para determinar la resistencia del resorte para la fatiga.

4.2.4 Son/Dw^ : Es un coeficiente que se utiliza para el determinar la resistencia del resorte a fatiga.

5 RESULTADOS

5.1 Dw: Es el diámetro del alambre con el que esta construido el resorte.

5.2 Dm: Es el diámetro de la espira que tiene el resorte.

5.3 Paso: es la distancia que hay entre dos espiras contiguas.

5.4 El ángulo de paso ( ): Es el ángulo que toma una espira respecto a un eje perpendicular al longitudinal. Cuando este ángulo supera los 12º es posible que comience a surgir un error en los cálculos.

5.5 ( ): es la deformación axial del resorte expresada en cm. El valor calculado tiene un margen de error del 1 a 2 % comparado con el real.

5.6 Lo: Es la longitud que tiene el resorte sen carga y se denomina longitud libre.

5.7 Lc: Es la altura del resorte cuando a este esta comprimido hasta que todas las espiras contiguas se toquen.

5.8 Ss: significa esfuerzo de cierre. Un resorte a compresión no debe estar completamente cerrado, sin embargo los muelles en compresión trabajen frecuentemente como un sólido, o sea completamente cerrado durante su instalación o mantenimiento es por eso que debe ser verificado este esfuerzo para evitar que se aproximen a la resistencia de fluencia por torsión.

5.9 Kr: es la constante del resorte que esta determinado a través de la ley de Hooke.

5.10 F cierre: Es la fuerza que se le debe aplicar al resorte, en estudio, para que este se cierre completamente.

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5.11 Ssd: es el esfuerzo de cálculo al que esta sometido es resorte. Este debe ser superior al Ss para que sea satisfactorio.

5.12 Sys: Resistencia a la fluencia. Si Sys es mayor que Ss al cierre permanece sin deformación permanente.

6 CONCLUSIÓN:

Después de haber realizado varias pruebas y comparándolas con los trabajos realizados en forma manual, se puede concluir que los resultados son satisfactorios y que el programa es muy practico y simple de usar, y que puede ser una herramienta muy útil.

Recursos Utilizados:

¾ Bibliografía:

La estructura de cálculo y la base de batos referentes a los materiales se obtuvieron de:

“Diseño de Elementos de Maquinas” de Virgil M. Faires Harper & Row Publishers (1972)

La estructura y manuales de programación se obtuvo de: “MSDN Library Visual Studio 6.0”

¾ Software:

o Microsoft Visual Basic 6.0

o Origin (R) 7.0 SR0

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