El resorte a gas y su funcionamiento
El resorte a gas está formado por un cilindro de acero que contiene un gas (nitrógeno) a presión y por un vástago que se introduce en el cilindro a través de un anillo guía estanco.
Al comprimirse el gas por la entrada del vástago, se genera una fuerza opuesta que lo hace comportarse como un muelle. En comparación con los muelles mecánicos tradicionales (ya sean helicoidales, arandelas Belleville o elementos de goma), los resortes a gas presentan una curva de fuerza casi plana incluso para carreras muy largas. Se utilizan en todos aquellos casos en los que se necesita una fuerza proporcional al peso que se desea levantar o mover, o como contrapeso durante la elevación de equipos móviles de gran peso.
Entre las aplicaciones más habituales figuran los maleteros o capós de vehículos, cárteres de protección de máquinas industriales, puertas de muebles, equipos médicos y de fitness, toldos y cubiertas motorizados, ventanas para buhardillas con apertura tipo escotilla y en vitrinas refrigeradas de supermercados y carnicerías.
El resorte a gas, en su versión más simple, está compuesto por un cuerpo cilíndrico (C) y por una varilla de acero rectificada (S) denominada vástago, en cuyo extremo va montado un pistón (P) que realiza los ciclos de compresión y extensión con respecto al cuerpo (C) atravesando un anillo guía estanco. El cuerpo contiene nitrógeno en estado gaseoso a presión (indicado por las flechas) y aceite (O). En la fase de compresión, el gas atraviesa unos pasos situados en el pistón (F), desde la parte situada por debajo del pistón (B) a la parte superior (A).
En esta fase, aumenta la presión en el interior del cilindro, por efecto de la reducción del volumen disponible debida a la entrada del vástago en el cilindro, de tal manera que se genera un incremento de fuerza (progresión).
Modificando la sección de los pasos (F), se puede regular el caudal de paso del gas, determinando así una velocidad mayor o menor en el desplazamiento del vástago. La progresión se modifica cambiando la combinación de diámetros entre cuerpo y vástago, sus longitudes y la cantidad de aceite.
La temperatura
La temperatura de trabajo influye en la fuerza del resorte a gas, haciendo que se expanda o contraiga el nitrógeno contenido en el cilindro.
Al estar contenido en un recipiente de volumen constante, esa expansión o contracción hace aumentar o disminuir su presión interna. La fuerza de empuje del resorte a gas varía por cada °C un 0,36% (cada 10°C equivalen a una variación del 3,6%).
Ejemplo: considerando una temperatura de trabajo estándar de 20°C y una fuerza F1=100 N, a 30°C F1=103,6 N y así sucesivamente.
Efecto de frenado
El cilindro del resorte a gas contiene una cierta cantidad de aceite que garantiza la lubricación de las juntas de estanqueidad y, al situarse entre el pistón y el anillo guía, reduce la velocidad del vástago en la fase de extensión, permitiendo un movimiento más fluido y sin vibraciones.
Los resortes hidráulicos hidráulicos aprovechan el efecto de frenado del aceite para reducir la velocidad de caída de una compuerta, por ejemplo. (en estos casos el resorte puede no contener nitrógeno a presión).
En las aplicaciones en posición horizontal del resorte, en las aplicaciones donde se coloca el vástago por encima del cuerpo (desaconsejadas) o en las que el resorte describe un movimiento abatible debido a los puntos de fijación (por ej. en el maletero de un automóvil), no se consigue el efecto de frenado del aceite, de manera que es necesario valorar productos alternativos (resorte a gas con frenado dinámico).
La fuerza y su medición
La fuerza de un resorte a gas está determinada por la presión que el nitrógeno, contenido en el cuerpo cilíndrico, ejerce sobre la sección del vástago.
Montando vástagos de mayor o menor sección en cuerpos de volumen adecuado, modificando la presión de inyección del gas, regulando los pasos mecanizados en el pistón o inyectando una mayor cantidad de aceite se pueden obtener, además de las fuerzas deseadas, diversas configuraciones de funcionamiento del resorte a gas para satisfacer un amplio abanico de requisitos del usuario.
Cómo se mide la fuerza de un resorte a gas
La fuerza de empuje (F1) del resorte se mide con un dinamómetro especial a una temperatura ambiente de unos 20°C, con el vástago comprimido aproximadamente 10 mm y posteriormente liberado para vencer la fricción de las juntas de estanqueidad; se expresa en N (newton) y es un valor estático (FS) al que se suele hacer referencia cuando se definen las características de un resorte.
Otros componentes interactúan con este valor fundamental, lo cual se observa principalmente en la fase «dinámica» del resorte. Nos referimos específicamente a las fricciones generadas por las juntas de estanqueidad y por los anillos guía de soporte del vástago. La resistencia ejercida por las fricciones actúa en sentido opuesto al del movimiento del vástago, puede tener un valor variable de entre 20 y 50 newton y se suma o resta a la fuerza «estática».
El gráfico ilustra la fuerza en cierre F3 y la fuerza en apertura F1. Se puede apreciar que F3 y F1 están, respectivamente, por encima y por debajo de la línea media que identifica la fuerza de empuje estática FM. Esta diferencia es la fricción, que se indica con FR. La diferencia entre F2 y F1 es la progresión del resorte a gas.
Cálculo de la fuerza
Fórmula para el cálculo de la fuerza de un resorte a gas en función de la aplicación
F1={[( M x D) : L] : nm } + (10% ~ 15%)
F1: Fuerza de empuje del resorte que se opone al peso del objeto que se quiere mover, simulado como un vector; en este caso, F1, que está expresado en kg, debe ser convertido a newton, para lo cual se multiplica por 9,81 el valor obtenido.
M: Peso en kg del objeto que se quiere levantar, simulado como un vector.
D: Distancia en mm medida en horizontal desde el centro de gravedad B al punto de rotación O.
B: Punto de aplicación del peso del objeto que se quiere levantar, que se corresponde con el centro de gravedad.
O: Fulcro y punto de rotación del objeto móvil.
L: Longitud en mm del brazo de palanca del resorte a gas; se corresponde con la menor distancia, desde el punto de fijación S o C al centro de rotación O; la mayor parte de las veces es igual a la carrera del resorte a gas, y en todo caso no puede ser mayor de esta última.
S: Punto de fijación del resorte a gas en la parte fija.
C: Punto de fijación del resorte a gas en la parte móvil.
nm: Número de resortes que se deben utilizar en la aplicación (1, 2 o más).
El aumento del 10-15% de la fuerza calculada se debe al hecho de que el vector de la fuerza de empuje del resorte a gas no es paralelo a la dirección del vector peso del objeto a levantar y, por otro lado, tiene la finalidad de compensar las posibles fricciones presentes en el sistema, que le restarán rendimiento a la fuerza de empuje del resorte a gas.
Algunos ejemplos
Ejemplo 1
En este ejemplo (típica aplicación de resorte a gas para elevación de puertas y compuertas) es recomendable alejar el punto de amarre fijo S unos 30/40 mm respecto al borde del mueble o estructura, con el fin de evitar que la puerta dé un golpe al cerrarse.
Ejemplo 2
En el caso de aplicaciones donde el resorte a gas está en posición horizontal, el punto de amarre fijo S debe estar de tal manera que, en posición de cierre total, el resorte tenga una inclinación hacia abajo de al menos 10° para que el resorte pueda actuar y también para acompañar a la tapa en la caída, sin que dé un golpe.
En este caso, el resultado F1 debe interpretarse como F2 (fuerza en posición de cierre total). Por lo tanto, es necesario dividir el resultado obtenido entre el factor de progresividad. Además, en este caso no se aplica el factor de corrección del 10/15%.
Ejemplo 3
En este ejemplo (típica aplicación en puertas de maletero de automóviles) la figura muestra el resorte con el vástago orientado hacia arriba. La aplicación es correcta porque, con la puerta cerrada, el resorte tiene el vástago inclinado hacia abajo.
Recomendaciones para una aplicación correcta
Para garantizar la durabilidad, es necesario lubricar correctamente las juntas de estanqueidad. Por este motivo, el resorte debe montarse siempre con el vástago orientado hacia abajo o con el anillo guía del vástago por debajo de la fijación del cuerpo cilíndrico.
En determinadas aplicaciones (por ej., puertas de maleteros), el movimiento de apertura del resorte a gas podría hacer rotar el resorte a gas entre la posición de apertura total y cierre total (ej. en la pág. 10). En estas aplicaciones también se debe tener cuidado de que la posición del vástago esté hacia abajo cuando el resorte a gas está totalmente cerrado con el vástago comprimido dentro del cilindro. La posición recomendada facilita la lubricación del anillo guía y de las juntas.
El adecuado acabado superficial del vástago es muy importante para mantener la presión interna del gas, así que no debe sufrir golpes, abrasiones o el ataque de sustancias químicas o corrosivas. El resorte a gas debe montarse alineando la fijación superior e inferior para no someter la junta a estrés. El alineamiento debe mantenerse a lo largo de toda la carrera del vástago; si esto no fuera posible, se deberán utilizar fijaciones articuladas que permitan realizar el alineamiento.
Las vibraciones experimentadas por la aplicación pueden transmitirse a las juntas de estanqueidad a través de las fijaciones si estas están montadas demasiado rígidas en el armazón. Es necesario dejar una leve holgura entre los tornillos de sujeción y las fijaciones o montar el resorte utilizando como mínimo una fijación articulada.
Se recomienda utilizar fijaciones con vástagos lisos y no roscados, ya que la cresta del filete de rosca, al contacto con el ojal de la fijación, ejerce una fricción que puede ser perjudicial para el correcto funcionamiento del resorte a gas .
La aplicación del resorte a gas debe ser diseñada evitando que la fuerza de inercia sea superior a la fuerza de empuje del mismo, para no superar la velocidad natural del vástago.
La temperatura normal de trabajo de un resorte a gas está comprendida entre los -30° C y los +80° C. Para aplicaciones en ambientes de mayor temperatura (hasta los 200° C), deberá pedirse la configuración para alta temperatura.
La condensación y las bajas temperaturas pueden originar delgadas capas de hielo en el vástago, pudiendo poner en peligro la vida del resorte a gas.
El resorte a gas está diseñado y construido para reducir o compensar un peso que, de otro modo, resultaría excesivo para el usuario o para la estructura de montaje. Cualquier otro uso fuera de este ámbito (amortiguador, decelerador o tope de final de carrera) deberá ser evaluado cuidadosamente por el proyectista y los fabricantes, ya sea por la vida del resorte a gas o por motivos de seguridad.
Si no se utiliza el resorte a gas durante un largo periodo, pueden producirse fenómenos de adherencia entre los componentes. Antes de reanudar el uso normal, conviene realizar unos cuantos ciclos lentamente.
Aplicación correcta
Aplicación incorrecta
Información sobre la eliminación
Atención: ¡el cilindro de un resorte a gas contiene nitrógeno a presión!
La presión de carga de un resorte a gas nuevo puede ser muy alta, por lo que los cilindros de los resortes a gas no se deben cortar con sierras para metales, cinceles o máquinas radiales con arranque de viruta, ya que pueden explotar y producir astillas y lesionar o herir gravemente a las personas que se encuentren cerca. Para el desguace del resorte a gas hay que seguir el procedimiento indicado.
Cómo desguazar un resorte a gas
Asegúrese de disponer de protecciones adecuadas para el rostro y las manos;
Tome el resorte a gas que desea desguazar y asegúrese de que el vástago esté completamente extendido. A continuación, sujételo firmemente en una mordaza para taladro y perfore el cilindro, utilizando una broca de entre 1 y 2 mm de diámetro. (en caso de rotura, las brocas de menor diámetro podrían salir disparadas, impulsadas por el gas que sale del agujero);
El cilindro debe taladrarse a una distancia de unos 5 mm desde la fijación inferior;
Taladre lentamente para evacuar las virutas. En cuanto se traspase la pared del cilindro, saldrá rápidamente el gas contenido en él. Dado que un resorte a gas puede contener aceite, tenga especial cuidado con las nieblas de aceite;
El anillo guía contiene dos juntas que forman una pequeña cámara estanca que puede contener gas a presión, así que para taladrar esta zona deberán adoptarse las mismas precauciones indicadas;
Por último, vacíe el aceite contenido en el cilindro, vertiéndolo en recipientes adecuados que se deberán desechar a través de los organismos oportunos o en los lugares específicos que establezca la legislación nacional.
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