Gestión de la fricción en conjuntos paralelos de resortes de platillo : la importancia de la lubricación

Los resortes de platillo son componentes funcionales ideales para obtener fuerzas de resorte constantes y predecibles dentro de rangos de recorrido especificados. En relación con su tamaño, proporcionan fuerzas de resorte mayores en distancias de deflexión menores de las que se pueden lograr con resortes helicoidales. Están diseñados teniendo en cuenta tanto los ciclos de compresión estáticos como los dinámicos (oscilantes), y pueden apilarse en diversas configuraciones para conseguir propiedades de carga y deflexión del resorte superiores a las posibles con un solo resorte de platillo (Figura 1). La posibilidad de apilar resortes de platillo los hace extremadamente versátiles para una gran variedad de aplicaciones en diferentes sectores industriales a nivel mundial.

Figura 1
Los resortes de platillo pueden apilarse en diferentes configuraciones para obtener distintas propiedades de fuerza y deflexión

La orientación general para el diseño de resorte de platillos es que, por cada arandela añadida en un conjunto en paralelo, la carga esperada (nominal calculada) de un resorte de platillo se multiplica por la cantidad total de resortes en paralelo.

Esta es una forma sencilla de iniciar el proceso de diseño de la pila ; sin embargo, en la práctica, el comportamiento de carga/deflexión de los resortes de platillo se desvía cada vez más de la curva teórica calculada a medida que se apilan más platillo en paralelo, debido a la fricción y a las variaciones geométricas entre los resortes.

Si la fricción entre los resortes de platillo en configuración paralela no se tiene debidamente en cuenta, puede provocar un comportamiento inesperado del resorte durante las pruebas reales y, en algunos casos, incluso provocar el fallo prematuro del componente. En este documento técnico se explica este aspecto, a menudo mal comprendido, del apilamiento de resortes, con el fin de permitir a los usuarios finales lograr el mejor rendimiento posible en sus montajes.

Cuando los resortes de platillo se ciclan individualmente o se apilan en configuración en serie, se produce fricción entre los radios de los bordes de los resortes individuales y sus superficies de apoyo (puntos I y III indicados en la Figura 2). Sin embargo, al apilar resortes de platillo en configuración en paralelo, la fricción también actúa entre las superficies de contacto cónicas de los discos individuales.

Cuando se cargan resortes de platillo en paralelo, las fuerzas de fricción actúan en direcciones opuestas sobre las superficies cónicas de cada arandela elástica (Figura 3). Estas fuerzas de fricción se oponen a la carga aplicada, aumentando la fuerza necesaria para comprimir la pila. A la inversa, cuando se descarga la pila, estas mismas fuerzas de fricción actúan en sentido contrario, reduciendo la carga necesaria para mantener la pila a una deflexión especificada. Al someter dinámicamente a ciclos una pila de arandelas elásticas y representar gráficamente los datos de carga/deflexión, esto se observa como un «bucle» (Figura 4), en el que la carga real de salida de la pila de resortes aumenta durante la carga y disminuye durante la descarga.

La norma DIN EN 16983 divide los resortes de platillo en diferentes «series» según la relación entre la altura libre del cono y el espesor (h₀/t), lo cual determina la forma de sus curvas teóricas de carga/deflexión. Como consecuencia de estas diferencias entre «series», la norma DIN EN 16984 proporciona los siguientes valores de coeficiente de fricción que deben utilizarse para w_M y w_R al calcular F_gesR para cada serie de resortes de platillo : 

Tabla 1
Valores del coeficiente de fricción para las diferentes series de resortes de platillo según la norma DIN EN 16984

El cálculo de $\frac{n}{1\mp w_M\times (n-1)\mp w_R}$ para cada serie DIN crea un “modificador” contra el cual se puede multiplicar la carga nominal del resorte de platillo (F) para estimar el rango de posibles cargas del resorte en una pila de platillo en paralelo, una vez realizadas las correcciones por fricción. Para mayor claridad, estos valores de “modificador” se han convertido en porcentajes aplicables a la fuerza teórica de la pila de resortes, donde “+” indica carga y “—” indica descarga. 

Tabla 2
Modificadores de fricción DIN 16984 adaptados por SPIROL

Aunque la norma DIN EN 16984 proporciona este cálculo y los coeficientes de fricción para estimar el efecto de fricción entre los resortes de platillo en un conjunto en paralelo (Figura 5), en la aplicación práctica existen numerosos factores que pueden influir en la fricción en conjuntos de múltiples piezas, y los resultados reales de carga/deflexión dependen en gran medida tanto del acabado superficial como de la lubricación (que afectan al coeficiente de fricción entre las superficies de los platillos). Por lo tanto, aunque estas tablas derivadas de la DIN EN 16984 son teóricamente "correctas", se ha derivado un modificador de fricción más sencillo (Figura 6) mediante pruebas ±2-3% por resorte en paralelo ("+" aplicado a la carga, "—" aplicado a la descarga). Las curvas modificadas por fricción "máximas" entre los dos métodos son aproximadamente equivalentes, pero la curva modificada por fricción "mínima" que utiliza las cifras derivadas de la DIN apenas se desvía de la curva calculada estándar. 

---  -  --- Curva nominal calculada     _______ Curva máxima modificada por fricción     _______ Curva mínima modificada por fricción

Dado que los resortes de platillo individuales pueden tener una amplitud de curvatura mayor o menor que la curva teórica calculada según la norma DIN EN 16984, la amplitud de la curva fuerza/deflexión no es necesariamente el factor más importante al comparar las curvas de carga de pilas de resorte de platillo en condiciones lubricadas frente a no lubricadas. Una resorte de platillo de pila determinada puede presentar una carga ligeramente mayor, lo que podría llevar al experimentador a atribuir erróneamente la variación de rendimiento al estado de lubricación de la pila. En cambio, la medida más significativa es la reducción del área bajo la curva (AUC) entre la carga y la descarga, que representa la energía disipada en el conjunto debido a la histéresis por fricción. SPIROL realizó pruebas con resortes de platillo de las series DIN A, B y C. Cada resorte de platillo utilizada en las pruebas fue preajustada a F = 2 × F_t (donde F_t corresponde a la fuerza nominal DIN de la arandela para l_t = l₀ − (0.75 × h₀)). A partir de cada serie se ensamblaron dos pilas de cuatro resortes de platillo en paralelo : una con lubricante y otra sin lubricante (Figura 7).

Cada ensayo consistió en diez ciclos totales, en los que los paquetes se cargaban hasta una deflexión de s = 0.75 × (L₀ − L_C) y, a continuación, se descargaban hasta s = 0.0mm. Esto tenía como finalidad permitir que el lubricante se asentara entre los resortes y evaluar el rendimiento de cada paquete de resortes en condiciones de carga dinámica.

Al desglosar los resultados de las pruebas por serie DIN se revelan varios hallazgos interesantes. En primer lugar, puede afirmarse que las tendencias observadas entre las series DIN corroboran en gran medida los valores obtenidos a partir de los cálculos de F_gesR según DIN EN 16984, lo que demuestra que los resortes de la serie A presentan la mayor histéresis por fricción cuando se apilan en paralelo, seguidos de los resortes de las series B y C. El gráfico de la serie DIN A (Figura 8) muestra que, si bien la pila lubricada alcanzó una amplitud de fuerza mayor en la deflexión máxima s_ges que la pila no lubricada (probablemente debido a que los resortes que la componían tenían fuerzas elásticas más altas), la lubricación tuvo un efecto evidente sobre la disipación de energía, con una reducción del área bajo la curva (AUC) entre los ciclos de carga y descarga del 17,4% para la pila lubricada, frente al 28,0% para la pila no lubricada.

---  -  --- Curva nominal calculada     _______ Sin lubricación     _______ Lubricación

Las pruebas de la pila de la Serie C (Figura 9) mostraron la menor histéresis por fricción de todas las series DIN en ambos estados de lubricación, con una reducción del área bajo la curva (AUC) entre los ciclos de carga y descarga del 12,0% para la pila lubricada frente al 23,9% para la pila sin lubricar. Sin embargo, la Serie C también presentó la menor mejora comparativa del rendimiento al utilizar lubricación en lugar de una pila sin lubricación.

• El mayor beneficio inmediato derivado del uso de la lubricación en una pila de resortes de platillo se observó con los resortes de platillo de la serie A.
• El menor beneficio inmediato de la lubricación se observó en los resortes de platillo de la Serie C, que también presentaron la menor disipación de energía al añadir resortes en paralelo.
  
  • Aunque esto puede parecer prometedor como forma de reducir la disipación de energía debida a la histéresis por fricción, en la práctica, si una aplicación requiriera el uso de más de dos resortes de la Serie C en paralelo, probablemente sería mejor utilizar en su lugar uno resorte de platillo de la Serie A o B, que, al carecer de superficies de contacto en paralelo entre resortes, generaría un menor efecto de “lazo” de histéresis inducido por la fricción.
• Finalmente, salvo que se deseen explícitamente las propiedades de amortiguamiento naturales de una pila de resortes en paralelo, la pila de resortes ideal debería tener la menor cantidad posible de resortes en cada conjunto en paralelo, a fin de reducir la disipación de energía.
• Si el resorte de platillo individual de mayor fuerza compatible con el diseño sigue sin proporcionar una fuerza platillo suficiente para satisfacer los requisitos de carga de la aplicación, se debe utilizar una disposición en paralelo junto con un lubricante adecuado para reducir la fricción entre las superficies de contacto de los resortes.

La selección adecuada de los resortes de platillo, la configuración de la pila y la lubricación son aspectos importantes para lograr el rendimiento y la vida útil deseados de un conjunto. Los ingenieros de aplicaciones de SPIROL están disponibles para brindar asistencia gratuita de ingeniería de aplicaciones según los requisitos específicos de su aplicación.