Cómo determinar la configuración adecuada de la pila de muelles de disco

Los muelles de disco son componentes cónicos de precisión diseñados para cargarse de forma axial. Los muelles de disco pueden cargarse estáticamente, de forma continua o intermitente, o someterse dinámicamente a ciclos de carga continuos.  Lo que distingue a los muelles de disco de otros tipos de muelles es que la deflexión del disco ante una carga determinada es predecible, lo que permite calcular el ciclo de vida mínimo.  Debido a su previsibilidad, alta confiabilidad y tiempo de fatiga incomparable, los muelles de disco son la preferencia frente a todos los demás tipos de muelles en aplicaciones esenciales como válvulas de seguridad, mecanismos de embrague y freno para elevadores y equipo pesado, y soportes para sistemas de tuberías industriales.  Los muelles de disco se pueden usar individualmente o ensamblar en pilas para lograr las características de fuerza o deflexión necesarias para la aplicación.  Este informe técnico detalla los diferentes métodos para apilar los muelles de disco y explica cómo determinar la configuración adecuada de la pila para una aplicación en particular. 

Para lograr el rendimiento óptimo del muelle de disco, es mejor mantener la deflexión operativa entre el 15 % y el 75 % de la deflexión total, ya que es en este rango donde los resultados medidos coinciden con mayor precisión con las características teóricas del muelle de disco. Si un solo muelle de disco no es capaz de lograr las características de fuerza o deflexión que requiere la aplicación, los muelles de disco se pueden apilar en serie, en paralelo o en combinación para cumplir con los requisitos (consulte a continuación: Métodos de apilamiento e Ilustración 1).

Se debe considerar la fricción entre los muelles de disco apilados en paralelo.  Los factores que afectan la fricción incluyen el número de discos apilados en paralelo, la cantidad de deflexión del disco, la lubricación del disco y el acabado de la superficie de los discos y los elementos de guía.  Un margen razonable es del 2 % al 3 % por cada superficie deslizante.  La adición de fricción en discos apilados en paralelo da como resultado una curva de carga o deflexión real que es diferente de la curva teórica.  Las cargas reales son mayores cuando se aplica una carga y se reducen cuando se retira la carga.  Esta histéresis da como resultado un efecto de amortiguación que aumenta con discos más gruesos o más discos apilados en paralelo (Ilustración 2).

Ilustración 3

La fricción entre las superficies deslizantes debe minimizarse para reducir la desviación de las predicciones teóricas y reducir la acumulación de calor perjudicial para la vida útil del disco.  Los muelles de disco apilados en paralelo deben lubricarse con un lubricante sólido como el bisulfuro de molibdeno y limitarse a un máximo de cuatro discos en paralelo.  La fricción será menor en una pila orientada verticalmente que en una pila cargada horizontalmente.  En las aplicaciones dinámicas hay un periodo de “rodaje” en el que la fricción se reduce a medida que el acabado de las superficies de deslizamiento y las superficies de contacto se desgasta y suaviza debido al contacto entre las piezas.

Al apilar muelles de disco, puede haber una amplia gama de características de fuerza o deflexión. La pila se puede diseñar con curvas de carga específicas para cumplir con los requisitos de la aplicación; son posibles la carga progresiva y la carga regresiva (Ilustración 3).