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MUELLE - Definición - Significado

Elemento mecánico que puede deformarse de manera no permanente absorbiendo energía elástica, para después restituirla, total o parcialmente, en función de su característica de amortiguamiento.

Los muelles tienen una aplicación muy amplia en cualquier sector de la técnica, especialmente en el automovilístico; pueden ser de metal, caucho, plástico, madera o cualquier otro material, aunque, aparentemente, no sea elástico: de hecho, dándole formas apropiadas

Los muelles lineales tienen por curva característica una recta, cuyo coeficiente angular (relación entre la carga aplicada y la deformación que produce) es denominado generalmente coeficiente de elasticidad o rigidez del muelle. Los muelles duros se caracterizan por una rigidez creciente al aumentar la carga. Por el contrario, la rigidez de los muelles blandos decrece al aumentar la carga; en otros términos, a igualdad de carga aplicada, un muelle blando sufre deformaciones mayores que las de un muelle duro. Los muelles se clasifican generalmente en función de su forma (helicoidales, de ballesta, de barra, etc.) o del tipo de solicitación (torsión, flexión, etc.).

Los muelles metálicos empleados más frecuentemente en el sector automovilístico son: las ballestas, los muelles helicoidales y las barras de torsión; se construyen generalmente con acero al silicio, cromo o vanadio, caracterizado por una elevada carga de fluencia (100-135 kg/mm2) y por su resistencia a la fatiga. Muchas veces, para elevar el límite de esta última se recurre al boleado o perdigonado.

La ballesta es un muelle plano que trabaja por flexión y que se emplea ampliamente en las suspensiones de los automóviles. Puede estar constituida por una lámina (ballesta de una sola hoja) o por varias agrupadas en un paquete (ballesta de varias hojas); en este último caso, el rozamiento que se crea por el frotamiento de las hojas confiere cierto efecto amortiguador. La rigidez de las ballestas aumenta con su espesor, la anchura y el número de hojas, y disminuye al aumentar su longitud.

Las ballestas poseen una enorme rigidez transversal que, en cualquier caso (sobre todo en los tiempos pasados), ha sido utilizada en vez de un verdadero anclaje transversal como la barra Panhard. Esta característica de las ballestas, junto con la capacidad de soportar fuertes cargas y de asumir características elásticas especialmente «duras», las hace aptas para suspensiones muy simples con gran capacidad de carga. Las hojas de los muelles de ballesta pueden ser regeneradas mediante un proceso de martilleo de la parte inferior (zona de las fibras comprimidas), que provoca la distensión de las fibras y confiere a las hojas una curvatura más pronunciada.

Los muelles helicoidales cilindricos están constituidos por un hilo, generalmente de sección circular, enrollado en caliente o en frío sobre un cilindro. Pueden ser de paso constante o variable: los primeros son lineales, mientras que los segundos son de características duras; de hecho, durante la compresión, las espiras de paso menor se ponen en contacto y no contribuyen a la deformabilidad del muelle. Esta técnica se emplea en los muelles de las suspensiones para hacerlos rígidos antes de llegar al final de la carrera. Cuando un muelle cilindrico se carga con una determinada fuerza con dirección según el eje del cilindro de enrollamiento, el hilo es solicitado, al mismo tiempo, por torsión, por flexión y por cortadura, pero la solicitación mayor es la de torsión. Los extremos del muelle helicoidal cilindrico tienen formas diferentes en función de que la carga se aplique por tracción (por ejemplo, muelles de retorno de los pedales, muelles de retención de las pinzas de los frenos de tambor) y por compresión (por ejemplo, muelles de las suspensiones, muelles de las válvulas). La rigidez del muelle helicoidal cilindrico, a igualdad del número de espiras y de radio de enrollamiento, aumenta con la cuarta potencia del diámetro del hilo; a igualdad de diámetro del hilo y de radio de enrollamiento, la rigidez disminuye al aumentar el número de espiras; a igualdad del número de espiras y de diámetro del hilo, la rigidez disminuye con el cubo del radio del enrollamiento.

Lo mismo que ocurre con las barras cargadas axilmente, en los muelles helicoidales cilindricos sometidos a compresión puede producirse pandeo; esto ocurre cuando, al cargar un muelle fino y muy largo, éste, en vez de comprimirse, se dobla, y los extremos tienden a juntarse. La carga crítica depende de la relación entre la longitud y el diámetro de enrollamiento y del tipo de fijación de los extremos. Si los extremos son fijos, para valores de dicha relación inferiores a 5 no se producirá pandeo.

Un problema que se debe tener presente en la elección del tipo y las dimensiones de los muelles es el de la resonancia, fenómeno por el que un muelle sometido a solicitaciones de alta frecuencia (situación típica de los muelles de las válvulas) es recorrido por ondas de compresión de las espiras que producen irregularidades en la acción de retorno. Para eliminar dicho inconveniente es necesario que la masa en movimiento del muelle sea lo más pequeña posible y, sobre todo, que el sistema elástico no tenga una frecuencia propia de vibración que pueda originar resonancias en la gama de frecuencias en que debe trabajar. Colocando varios muelles coaxilmente se obtiene el doble efecto de aumentar la rigidez total, que resulta igual a la suma de los valores de rigidez de cada uno de los muelles, e incrementar el poder amortiguador por el rozamiento que se produce entre las 2 series de espiras.

La barra de torsión es un muelle de torsión de eje rectilíneo constituido por un tramo de sección constante, generalmente circular, y por unos cabezales de fijación; su rigidez crece con la cuarta potencia del diámetro y disminuye al aumentar su longitud. En el sector automovilístico, las barras de torsión encuentran aplicación como estabilizadoras del balanceo, como elementos elásticos de las suspensiones y, más raramente, como muelles de válvulas (Dyna Panhard).

Otros tipos de muelles metálicos empleados en el sector automovilístico son: el muelle Belleville y el muelle de diafragma, muelles de flexión aplicados en los embragues y el muelle de flexión enrollado en hélice cilindrica, empleado algunas veces como muelle para las válvulas para reducir el valor de las fuerzas de inercia (respecto a los muelles de torsión de hélice cilindrica su masa participa en poca proporción en el movimiento de la válvula).

Los muelles de caucho, construidos generalmente con láminas unidas por un elemento elástico, son empleados generalmente en los automóviles como soportes elásticos del motor, como silentblocks y como topes de final de carrera de las suspensiones. Pueden trabajar por compresión, por cortadura o por torsión; su curva característica no es lineal y se vuelven muy rígidos al aumentar las deformaciones.

Respecto a los muelles metálicos, los de caucho poseen la ventaja de un notable amortiguamiento, debido a la históresis elástica, así como que pueden ser construidos en la forma y con las características deseadas; sin embargo, están sujetos a un envejecimiento que degrada las características mecánicas. Un tipo especial es el constituido por un muelle de acero helicoidal incluido en una masa de caucho de manera que se obtenga el efecto de amortiguamiento del caucho junto con la constancia de las propiedades mecánicas característica de los metales.

A veces, sobre todo en las suspensiones, se construyen sistemas elásticos que aprovechan la compresión de un gas; la ventaja de tales dispositivos consiste en la facilidad con que pueden ser realizadas las conexiones y en el hecho de que, uniéndolos a un sistema de regulación, es posible variar la característica elástica de cada elemento en función de la carga. Los recipientes del gas pueden ser rígidos (generalmente metálicos) o elásticos (de caucho), y las variaciones de rigidez se obtienen modificando la cantidad de gas o aumentando la presión del fluido.

La elección del elemento elástico está condicionada, además de por la curva característica, por todos aquellos factores y exigencias especiales referentes a su empleo; al respecto, es necesario tener en cuenta su peso, sus dimensiones, la inercia de su parte en movimiento y, sobre todo, en las aplicaciones de gran serie, el coste.

En el caso de las suspensiones, los problemas fundamentales son las dimensiones y la cantidad de las masas no suspendidas. Por este motivo, en los automóviles, especialmente en los deportivos, las ballestas pesadas' y de grandes dimensiones han sido substituidas por los muelles helicoidales, que pueden colocarse, con gran ventaja, coaxilmente con los amortiguadores, o por las barras de torsión, cuyas reducidas dimensiones no crean problemas de colocación. Además, en el caso de vehículos de competición es necesario tener en cuenta los problemas aerodinámicos y la posibilidad de efectuar con relativa facilidad los reglajes necesarios.

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