Muelles de Platillo

MUELLES DE PLATILLO DIN 2093

Día a día, los ingenieros de distintas partes del mundo encuentran nuevas e interesantes aplicaciones para estos muelles, llegando muy a menudo a ocupar puestos de elevada responsabilidad en sitios de muy alta complejidad. (Por Ej. Centrales Nucleares, Unidades de lanzamientos de Cohetes, Satélites, Estaciones Eólicas, Aviación, Maquinaria de Precisión, Turbomotores, Acerías, Frenos de emergencias, Ferrocarril, etc).

Recomendaciones en la instalación de los muelles de discos

Orientación de Montaje: Es importante la orientación de los muelles para garantizar un correcto funcionamiento del apilamiento y una larga vida del mismo. Para ello, los extremos del apilamiento de platillos, es decir los discos que hacen contacto con los topes ó soportes del elemento que los contiene, deben estar apoyados sobre su diámetro exterior. Esto disminuye la presión de contacto, ya que la misma fuerza está repartida en una superficie mayor; retardando la posibilidad de que se formen grietas en las zonas de contacto/apoyo. Esto debe ser así tanto en la base como en el tope del apilamiento. En el caso que se trate de un apilamiento con un número de platillos impar, lo cual imposibilita cumplir con el procedimiento en ambos extremos, deberá ser el platillo que está situado en el extremo donde se origina el desplazamiento, el que se apoye en su diámetro exterior.

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Endurecimiento de guía y apoyos: Otro de los factores a tener en cuenta es que el eje guía se encuentre rectificado y endurecido (por cementación de ser posible logrando una dureza mínima de 48 HRc). Las durezas a asignar a las superficies donde se apoyarán los muelles, siempre deberán ser superiores a la dureza de los mismos. (43-44 HRc). 

Tolerancias de guiado: Este valor (diferencia entre el diámetro interior de la arandela y el eje guía), está establecido por experiencia. Respetar este valor lleva a que el guiado del muelle se haga de la manera correcta favoreciendo un contacto ideal entre los muelles que componen el apilamiento. También es favorable de cara a la histéresis (rozamiento) del paquete de muelles así como también evitar el pandeo del conjunto. La influencia de este apartado es importante en la durabilidad de los apilamientos.

Efecto de Pandeo: Otro factor que influye directamente en la desestabilización vertical del apilamiento, aparte del ya mencionado (guiado) es el caso de una longitud excesiva para el conjunto de muelles que componen el apilamiento. Se debe chequear que la altura total no supere tres veces el diámetro exterior del muelle. Si por consideraciones de desplazamiento se hiciera necesario superar esta longitud, se deberán colocar arandelas separadoras planas, las cuales cumplirán con la misma condición respecto del eje en cuanto a terminación superficial. (Cementadas y Rectificadas).- Esta condición es para evitar inestabilidad lateral (pandeo) con sus correspondientes consecuencias.

Lubricación: Otro aspecto importante, resulta ser la lubricación de los muelles, con influencia directa sobre el rozamiento y desgaste del conjunto. A pesar de que algunos muelles incluyen de serie un tratamiento superficial de fosfato de zinc para protección anticorrosivo y lubricación, sigue siendo recomendable la aplicación de grasa lubricante para un mejor funcionamiento.

Recomendaciones de uso y tensiones permisibles 

Al flexionar un muelle de disco, las capas superiores del disco quedan sometidas a tensiones de compresión, mientras que las capas inferiores quedan sometidas a tensiones de tracción. Estas tensiones de tracción son las que tras un número excesivamente alto de flexiones pueden inducir a la rotura. Cuando el número de flexiones es inferior a 5000 puede considerarse una aplicación como estática.

El número de ciclos que puede esperarse de un muelle de disco antes del fallo está determinado por la magnitud del cambio de tensiones que se dé, en un punto determinado de la superficie inferior al pasar de la flexión menor a la flexión mayor.

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Dependiendo de las dimensiones del muelle de disco, dicha variación de tensiones será mayor en el punto II ó en el punto III, y por tanto el punto crítico será el II o bien el III.

Estadísticamente, puede decirse que para un disco grueso el punto crítico será el II y para un disco delgado el punto crítico será el III.

Los efectos de las tensiones de tracción pueden ser efectivamente contrarrestados en cierta medida mediante la precarga del muelle en su utilización. La mínima precarga debiera ser de aproximadamente 15% a 20% de la flexión total, dependiendo del nivel general de tensiones en el muelle de disco.

La norma más extendida a la hora de hacer un cálculo con este tipo de muelles es el de no superar el 75% de su carrera máxima con el objetivo de lograr un larga vida del mismo. Entendiéndose como carrera máxima a la diferencia entre la cota de la altura estática del muelle y el espesor del mismo ó (ho = Lo – t). 

Relajación: Otro aspecto que debe tenerse en cuenta en el uso de los muelles de disco es la relajación. Este concepto nos acota la pérdida de carga a la que se ve expuesto un muelle en función del tiempo (Helicoidal ó de platillo). Este proceso es función de la pre-compresión a la que el muelle está montado, de la temperatura de trabajo y sobre todo de la precisión con que fueron realizados los diferentes procesos de fabricación tales como: Tratamiento Térmico, Presseting, Hot-Presseting, etc. Como ejemplo podemos decir que para un muelle de alta calidad de fabricación y trabajando a temperatura ambiente la relajación debería ser despreciable.

Apilamientos de muelles de discos, serie y paralelo

Estos muelles se pueden apilar enfrentados y/o encimados, ya sea que busquemos multiplicar el desplazamiento, la fuerza o ambos.

Los apilamientos en serie, con los muelles enfrentados, mantienen la misma fuerza que el muelle individual, viéndose incrementado el desplazamiento, en función de la cantidad de muelles utilizados.

Los apilamientos en paralelo, con los muelles apilados en la misma dirección, es decir encajados unos dentro de otros, nos mantienen el desplazamiento individual, incrementando la fuerza en base a la cantidad de platillos del apilamiento. Debe prestarse especial atención al rozamiento en este tipo de apilamientos.

También es posible combinar ambas formas de apilamiento.

A través de la utilización de apilamientos de muelles en serie y en paralelo es posible lograr el muelle que se está buscando, ya sea en nivel de fuerza como en desplazamiento.

Apilamiento en Serie:

F total = F individual
S total = i x S
Lo = i x lomuelle-platino-3

Siendo:
F = Fuerza
S = Desplazamiento
Lo = Altura estática total
lo = Altura estática individual
i = Número de platillos en serie

Apilamiento en paralelo:

 F total = n x F individual
S total = S
Lo = lo + (n-1) x tmuelle-platino-4

Siendo:
n = Número de platillos en paralelo
t = Espesor del platillo

Apilamiento combinado Serie-Paralelo:

F total = n x F individualmuelle-platino-5
S total = i x S
Lo = i x (lo + (n-1) x t)

Materiales para muelles de discos

Como regla general, los muelles de platillo estándar son de acero al Cromo Vanadio, con un Módulo de Elasticidad de 206.000 N/mm2 a 20ºC y un coeficiente de Poisson m = 0,3. El material estándar más utilizado es el 51CrV4. Aceros al Carbono (CK67) son únicamente usados para muelles de disco pertenecientes al Grupo 1 (t<1,25).

Materiales especiales para aplicaciones especiales, una amplia variedad de materiales se encuentra disponible. Estos materiales tendrán marcadas diferencias en las propiedades  mecánicas en comparación con los muelles de acero estándar. Estas diferencias en las propiedades deberán tenerse en cuenta a la hora de hacer los correspondientes cálculos. Seleccionando el material adecuado podemos conseguir muelles para realizar trabajos a temperatura negativas de hasta -260ºC y positivas hasta 700 ºC. Así mismo algunos de los materiales son interesantes por su alta resistencia a la corrosión o por sus propiedades no magnéticas. Existe la posibilidad de aplicar un acabado a los muelles de platillos estándares con distintos tipos de recubrimientos, con el objeto de darles una mayor protección ante agentes corrosivos sin la necesidad de recurrir a materiales especiales.

Nombre Abreviado Número Material DIN Módulo de Elasticidad kN/mm2 Rango de temperatura de operatividad ºC
20ºC 100ºC 200ºC 300ºC 400ºC 500ºC 600ºC 700ºC 800ºC
Ck67 1.1231 17222 206 -20 hasta 60
Ck75 1.1248 17222 206 -20 hasta 60
50CrV4 1.8159 17222 206 202 196 -50 hasta 100
51CrMoV4 1.7701 17221 206 202 196 -50 hasta 100
48CrMoV67 1.2323 17350 206 202 196 189 179 -60 hasta 300
X30WCrV53 1.2567 206 202 196 189 179 168 -60 hasta 400
X35CrMo17 1.4122 209 205 199 192 181 172 -60 hasta 400
X22CrMoV121 1.4923 17240 206 202 196 189 179 168 -60 hasta 500
X7CrNiAl177 1.4568 17224 200 195 185 175 165 -200 hasta 350
X12CrNi177 1.4310 17224 190 185 -200 hasta 100
X5CrNiMo17122 1.4401 17224 185 180 -200 hasta 100
NiCr19NbMo 2.4668 65021 200 195 190 184 178 172 167 160 -260 hasta 700
NiCr15Fe7TiAl 2.4669 214 207 198 190 179 170 158 -260 hasta 600
NiCr20Co18Ti 2.4969 17754
59745
206 201 195 189 181 175 167 160 151 -260 hasta 800
Duratherm 600 220 214 207 200 193 185 -260 hasta 500
CuBe1.7 2.1245 17666
17670
135 131 125 -260 hasta 200
CuBe2 2.1247 17666
17670
135 131 125 -260 hasta 200
TiAl6V4 3.7165 17851
17860
114 110 105 98 93 -70 hasta 350