Los resortes de compresión almacenan energía mecánica cuando se comprimen y liberan energía mecánica cuando se retira la carga. Aunque los resortes de compresión generalmente están hechos de acero para resortes, también pueden contener carbono, magnesio, níquel, cromo, estaño, cobre, tungsteno y aluminio.
Los diferentes materiales crean distintos grados de elasticidad y capacidad de almacenamiento de energía para los resortes de compresión.
Robert Hooke propuso una fórmula ya en 1676 para calcular la fuerza ejercida por un resorte, que es proporcional a su alargamiento.
Los resortes de compresión son dispositivos mecánicos diseñados específicamente para detectar cargas de compresión axiales. Por lo general, también pueden estirarse y girar hasta un punto. En términos generales, los resortes de compresión pueden almacenar energía mecánica cuando se someten a cargas de compresión. Una vez que se retira la carga, volverán a su forma y tamaño originales, sufriendo una deformación elástica.
Esta capacidad única de almacenar energía potencial, combinada con su relativa simplicidad y asequibilidad, hace que los resortes de compresión sean valiosos en una amplia gama de aplicaciones. Desde botones de teclados mecánicos, colchones y bolígrafos, hasta armas de fuego y amortiguadores de suspensión de automóviles. Desde el siglo XV utilizamos resortes de compresión, y el primer resorte de compresión se utilizó en dispositivos de relojería.
Tipos de resortes de compresión
Los resortes de compresión pueden tener muchas formas geométricas diferentes. Los más comunes son los resortes helicoidales o espirales. Esta forma es más popular que otras formas porque permite una alta compresión y expansión sin costuras hasta un punto. También es más liviano porque utiliza menos materiales para satisfacer la necesidad de absorber cargas de compresión. Finalmente, la forma del resorte helicoidal le da a este tipo una constante elástica relativamente grande (que se explicará en detalle más adelante).
Esta categoría se divide a su vez en subcategorías, que incluyen:
Material del resorte de compresión
Los resortes de compresión generalmente están hechos de acero para resortes, que es un tipo de acero con un alto límite elástico. Esto les permite mantener su forma, tamaño y forma originales incluso cuando se deforman al extremo. Por tanto, estos aceros tienen un gran espacio de deformación elástica bajo tensión. Esto sucede a nivel molecular, por lo que la composición de estos aceros tiene un impacto significativo en su elasticidad.
En general, el acero para resortes contiene carbono y manganeso, así como níquel, cromo, molibdeno, estaño, vanadio, cobre, hierro, tungsteno y aluminio. El acero para resortes está clasificado por la norma ASTM oficial en función de su límite elástico y dureza, por lo que diferentes composiciones de materiales pueden ser adecuadas para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, la norma ASTM A228 se utiliza para cuerdas de piano, que contienen 0.7% -1% de carbono y 0.2% -0.6% de manganeso, con un rendimiento máximo. fuerza de 530 megapascales y una resistencia a la tracción de 400 megapascales.
Características de los resortes de compresión.
En esta sección, me centraré en la introducción de resortes helicoidales desenrollados, ya que estos resortes son los resortes de compresión más utilizados. Estos resortes tienen ciertas características que tienen gran importancia para su desempeño. El diámetro exterior (D) se refiere al diámetro del cilindro formado por el resorte visto desde arriba. El diámetro de la bobina se refiere al espesor (d) del alambre de resorte, que también es cilíndrico. La longitud libre (L) se refiere a la longitud total del resorte sin ninguna compresión, mientras que la hélice efectiva (na) y la hélice total (n) son el número de espiras que almacenan y liberan energía mecánica, y el número de espiras del bus ( al menos dos están dedicados al extremo/base del resorte). Otro atributo morfológico importante es el sentido de rotación, que puede ser hacia la izquierda o hacia la derecha.
La fuerza ejercida por un resorte es proporcional a su alargamiento, una ley propuesta por Robert Hooke en 1676, pocos años después de la aplicación del primer resorte. Hooke presentó esta fórmula al mundo. "F=- kx", donde F es la fuerza del resorte, x es la distancia de estiramiento y k es la constante del resorte. Cada resorte es diferente y lo determina el fabricante mediante experimentos o el usuario mediante fórmulas. K=Gd4/[83dna]. Como se mencionó anteriormente, las bobinas cilíndricas y cónicas son resortes no lineales, por lo que la ley de Hooke no se aplica a ellos. La ley de Hooke no se aplica a resortes que ya se han deformado o excedido el límite elástico general.
La fuerza de un resorte completamente comprimido.
Para calcular la fuerza del resorte completamente comprimido, podemos usar esta fórmula. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E es el módulo de Young, d es el diámetro del alambre de acero, L es la longitud libre y n es el número de hélices/bobinas efectivas, ν es la relación de Poisson y D es el diámetro exterior. Es obvio que algunos de ellos están determinados por el acero elegido por el diseñador, mientras que otros están determinados por la forma, figura y tamaño del resorte.
Consideraciones de diseño
Al diseñar un resorte de compresión, lo primero que debe decidir es qué material desea utilizar. Luego encuentre el módulo de corte (G) y la resistencia a la tracción (TS) de la tabla de datos. Estos dos factores son cruciales para determinar el porcentaje de tensión, por ejemplo, al calcular los requisitos de carga (100* σ/ Calcule el grado en que se comprime el resorte cuando se induce una determinada carga, en función de la resistencia a la tracción.
Otra consideración importante es el diámetro del resorte cuando se comprime hasta su punto máximo. Los resortes de compresión en espiral tienden a aumentar de diámetro durante la compresión. Por eso es importante calcular esta expansión usando la fórmula "expansión={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
El índice del resorte es importante y los diseñadores intentan mantenerlo dentro del rango de 4 a 10. Su método de cálculo es "C=(Dd/d)", que proporciona un buen concepto de la relación entre alambre y espesor al diámetro del resorte. Esto determinará la resistencia general del resorte (cuanto más pequeño es más fuerte, pero más grande es más fácil de comprimir).
