Cómo afecta el rango de deflexión al rendimiento de los resortes de disco

La carga estática se define como el hecho de soportar una carga constante o una carga que cambia a intervalos de tiempo relativamente largos, que no superan los 10.000 ciclos durante la vida útil del diseño. En las aplicaciones estáticas, el esfuerzo más alto calculado en la mitad del vano de la superficie superior del muelle de disco es crítico. (Se muestra como punto 0 en la Figura 2.) En este punto, el mayor esfuerzo calculado no debe superar la resistencia a la tracción aproximada del material (1400- 1600 N/mm²) cuando el muelle de disco está en posición plana. Los muelles de disco estándar podrían utilizarse en carga estática sin realizar el cálculo teórico si la deflexión se mantiene por debajo del 75% total.

Figura 2

Los muelles de disco con carga dinámica pueden dividirse en dos categorías generales:

1. Vida de fatiga limitada donde los Muelles de Disco alcanzan de 10,000 a 2,000,000 de ciclos
2. Vida de fatiga alta, en la que los muelles de disco son capaces de soportar más de 2,000,000 de ciclos.

Para aumentar la vida de fatiga de los muelles de disco se pueden utilizar procesos como el granallado. El granallado induce una tensión de compresión favorable en la superficie del disco, reduciendo la propagación de grietas.

La tensión residual de fabricación se produce en el borde del diámetro interior superior del disco, que se muestra como punto 1 en Figura 2.

Durante el funcionamiento, esta tensión de estrés cambia a una tensión de compresión. La vida de fatiga se reduce drásticamente por esta inversión de esfuerzos. Mantener el muelle de disco bajo una precarga constante con una deflexión mínima del 15% elimina estas reversiones de esfuerzos y aumenta la vida útil del muelle de disco.

La carga inicial del muelle de disco cumple dos objetivos:

1. En los muelles de disco sin carga, la tensión residual de fabricación se produce en el punto I que se muestra en la Figura 2. La precarga del disco cambia el estrés de tensión en el punto I por una tensión de compresión.  Mantener la parte superior del disco bajo tensión de compresión reduce el riesgo de propagación de grietas. La variación del estrés de tensión a la de compresión limita en gran medida la resistencia a la fatiga del muelle de disco. El Muelle de Disco debe ser precargado a un mínimo del 15% de la deflexión total para eliminar el estrés de tensión.
2. El muelle de disco se asienta cuando la fuerza inicial aplicada se distribuye uniformemente por la periferia del muelle. Los muelles de disco no son 100% simétricos, por lo que hay un ligero aumento de la fuerza a medida que se asientan durante la precarga. Aunque este aumento de la fuerza puede anticiparse, no se tiene en cuenta en los cálculos de fuerza/deflexión.

El aumento de la carga final incrementa la cantidad de tensión en el muelle de disco y resulta en una menor resistencia a la fatiga. Como en cualquier componente estructural, una menor deflexión se traduce en una menor tensión y una mayor vida útil. Si se carga el muelle de disco por encima del 75% de la deflexión total, el disco sobrepasa la sección lineal de la curva de rendimiento (Figura 1), y la tensión puede aumentar de forma no lineal, lo que provoca una rápida pérdida de resistencia a la fatiga. Cuanto menor sea la carga final que cumpla los requisitos de diseño, mayor será la vida de fatiga.

La vida de fatiga puede aumentarse disminuyendo la deflexión del Muelle de Disco. Si se requiere un recorrido adicional, los muelles de disco pueden apilarse para proporcionar una mayor deflexión sin aumentar la tensión en cada disco individual, lo que resulta en un aumento de la vida de fatiga.

El rango de deflexión del Muelle de Disco determina su previsibilidad y resistencia.

En caso de carga estática, no es necesario realizar cálculos de tensión teórica siempre que la deflexión no supere el 75% de la deflexión total del disco. Las deflexiones más altas dan lugar a una tensión elevada que provocará una pérdida de fuerza del muelle. Entender cómo el rango de deflexión afecta a la vida del muelle del disco es la clave para determinar la vida a la fatiga.

Los lineamientos proporcionados en este documento son de naturaleza general; por lo tanto, se recomienda consultar a los Ingenieros de Aplicación que se especializan en el diseño y especificación de Muelles de Disco para asegurar que se cumplan los requisitos de desempeño para cada ensamble específico.