Ensayo de muelles helicoidales en el sector de automoción
En combinación con los amortiguadores, los muelles de suspensión, denominados muelles helicoidales, actúan como elementos de amortiguación entre el chasis y la carrocería, y son fundamentales para el confort y la seguridad de conducción en vehículos modernos. Un muelle de suspensión desempeña un papel crucial en la amortiguación de impactos y vibraciones producidos por las irregularidades del terreno. Además, debe garantizar la tracción en las ruedas.
Los muelles helicoidales, también denominados muelles de compresión, son elementos clave en los sistemas de suspensión modernos. Sirven para amortiguar las irregularidades de la carretera, contribuyen a la seguridad y tracción del vehículo, y permiten una conducción confortable. Su diseño compacto y la posibilidad de combinarse con amortiguadores los convierten en la solución preferida en numerosos modelos de vehículos.
Los muelles helicoidales están sometidos a cargas axiales de tracción o compresión durante su funcionamiento. Durante su diseño, se optimizan para la aplicación y el tipo de vehículo y deben funcionar con gran exactitud según sus especificaciones, por lo que es necesario ensayarlos con precisión. El peso total de los vehículos eléctricos modernos suele ser superior al de los vehículos con motor de combustión, lo que somete a los muelles a fuerzas aún mayores. Por ello, es fundamental realizar ensayos fiables de los muelles. El sistema de ensayos para muelles helicoidales de ZwickRoell destaca por su exclusiva plataforma de medición multicanal con hasta nueve sensores de fuerza, que permite registrar con gran precisión tanto las fuerzas axiales como las transversales, así como las líneas de acción de la fuerza, y determinar todos los parámetros característicos del muelle. Además, estas líneas y puntos de aplicación de la fuerza pueden visualizarse en tiempo real mediante la norma de ensayo correspondiente en el software testXpert de ZwickRoell.
Parámetros característicos típicos de muelles Vector de carga en muelles helicoidales Sistema de ensayos multicanal para muelles Ensayo multiaxial de columnas de suspensión Requisitos para sistemas de ensayos de muelles Solicite asesoramiento Referencias
Muelles helicoidales: la solución preferida en numerosos modelos de vehículo
Para aplicaciones en automoción, los muelles de compresión helicoidales (también llamados muelles helicoidales, muelles cilíndricos o muelles en espiral) son la opción ideal, ya que:
- Garantizan de forma fiable la altura libre de la carrocería.
- Funcionan de manera segura, incluso en condiciones exigentes, y su fabricación es rentable.
- Su diseño compacto permite ahorrar espacio de instalación, tanto en subchasis como en brazos transversales.
- Pueden combinarse con el amortiguador formando una única unidad (columna de suspensión o suspensión McPherson).
- Presentan una curva característica lineal o incluso progresiva.
DIN EN 15800 – Parámetros característicos típicos en el ensayo de muelles helicoidales
Esta norma europea DIN EN 15800 (que sustituye a la DIN 2095) establece los requisitos de calidad para muelles de compresión cilíndricos fabricados con alambre redondo de acero para muelles. Los muelles conformados en frío pueden fabricarse con diámetros de hasta unos 16 mm. (Véase también la norma EN 13906-1.)
Los parámetros de medición más relevantes en un muelle helicoidal estándar son:
- Longitud del muelle [Lo]: Longitud nominal del muelle helicoidal sin carga
- Fuerzas del muelle [F] y longitud del muelle [L]: Valores característicos en la zona de trabajo
- Longitud de bloqueo [Lc]: Longitud al alcanzar la compresión total
- Fuerza de bloqueo [Fc]: Fuerza que se produce al contactar las espiras del muelle (longitud de bloqueo)
- Rigidez del muelle [R]: Incremento de la fuerza por unidad de recorrido en N/mm (también denominada constante del muelle o dureza del muelle)
- Fuerzas transversales [Fx, Fy]: Relevantes para la evaluación de la fricción y el desgaste
- Puntos de paso del vector de carga: Definen la línea de acción de la fuerza resultante
- Radio del círculo envolvente [De]: Radio de una espira del muelle bajo carga
- Medida central: Calcula la posición del punto de paso del vector de carga donde el vector de fuerza atraviesa el plano de apoyo del muelle
¿Por qué es tan importante medir el vector de carga en muelles helicoidales?
En los muelles helicoidales, el vector de carga nunca se encuentra alineado con el eje central geométrico, ya que, por su forma helicoidal, los extremos del muelle no se someten a carga uniformemente, lo que da lugar a solicitaciones multiaxiales complejas. Las fuerzas resultantes generan fuerzas transversales, momentos de inclinación y torsión, que se transmiten a la superficie de montaje del conjunto de suspensión y pueden provocar fricción o desgaste prematuro en componentes adyacentes, como amortiguadores o válvulas.
Por eso es imprescindible, además de las mediciones estándar, determinar con precisión el vector de carga, sus puntos de impacto, así como las fuerzas y momentos horizontales, preferiblemente con un sistema de ensayo multiaxial para muelles. Todo ello puede representarse también en tiempo real mediante el software de ensayo testXpert de ZwickRoell.
Sistema de ensayos multicanal para muelles de ZwickRoell
ZwickRoell ofrece un sistema de ensayos de muelles multicanal único en el mundo para el ensayo preciso, normalizado y seguro de muelles helicoidales, equipado con nueve células de carga que permiten también determinar los momentos relevantes:
- 6 sensores verticales (superior e inferior)
- 3 sensores horizontales (en la plataforma de base)
Esto permite la medición simultánea de las fuerzas axiales y laterales, determinar los centros de fuerza y calcular todos los valores característicos relevantes en una secuencia de ensayo completamente automatizada. Sobre todo, permite determinar los puntos de paso del vector de carga, que en este tipo de muelles nunca se encuentran en el centro del eje y, por tanto, tienen una gran influencia.
Ventajas del sistema de ensayos de muelles helicoidales de ZwickRoell:
- Determinación de todos los parámetros característicos del muelle
- Ciclo de medición automatizado
- Representación 3D de las fuerzas resultantes
- Máxima repetibilidad
- Protocolos de ensayo definidos libremente
- Medición opcional del círculo envolvente
El sistema permite ensayar todas las geometrías de muelles, como muelles cilíndricos, muelles troncocónicos, muelles cónicos y bicónicos y muelles cónicos progresivos. Cada tipo de muelle tiene sus requisitos específicos de resistencia al pandeo, estabilidad lateral, espacio necesario y comportamiento ante vibraciones, que pueden analizarse de forma fiable con este sistema.
Máquina de ensayos de muelles para el ensayo multiaxial de columnas de suspensión, conjuntos muelle-amortiguador
Para la medición de las propiedades de amortiguación de amortiguadores hidráulicos, se ha equipado este sistema de ensayos de muelles con tres ejes de ensayo. La fuerza vertical (carga por rueda) se aplica a través del eje de la máquina de ensayos. Las fuerzas horizontales y momentos de torsión producidos en las curvas, arranque y frenado, etc. se generan mediante un actuador de ensayo electromecánico dispuesto horizontalmente y un accionamiento de torsión. Los ejes de ensayo se pueden controlar individualmente y de forma independiente. De este modo, es posible determinar las características (amortiguación, fricción, viscosidad) a diferentes velocidades axiales, con o sin fuerza lateral o momento de torsión.
¿Qué requisitos debe cumplir un sistema de ensayos de muelles?
Para obtener resultados fiables, el sistema de ensayos debe cumplir con requisitos adicionales:
- La máquina debe alcanzar una alta repetibilidad, que puede determinarse mediante muelles de referencia.
- Los platos de compresión deben presentar un elevado paralelismo en estado de descarga.
- Una aplicación excéntrica de la fuerza alrededor del eje de ensayo no debe afectar la medición de fuerza en más del 1 %.
Debe cumplirse la norma EN ISO 7500-1, que especifica la inspección de máquinas de ensayos estáticas de un solo eje mediante especificaciones de calibración. La norma ISO 7500-1, hoja 2 resume los requisitos específicos para la calibración de equipos de ensayos de muelles. En términos de calibración de fuerza, debe cumplirse la clase 0,5.