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Resortes mecánicos: tipos, parámetros y fallas

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¡Bienvenidos nuevamente al blog de Welectronic! Un resorte es un elemento elástico que almacena energía mecánica cuando lo deformas y la devuelve cuando lo sueltas. Está en la suspensión de un camión, en una válvula, en el pedal de un freno, en un interruptor y hasta en el bolígrafo que tienes a mano. En esta publicación aprenderás los tipos de resortes, sus parámetros, la fórmula de la constante elástica, cómo seleccionarlos, qué materiales se usan y cómo fallan.


1. Tipos de resortes y características

Cinco tipos de resortes: compresión, tracción, torsión, ballesta y Belleville, con sus características
Tipos de resortes y características. Fuente: ficha técnica Welectronic.

2. Parámetros principales

Parámetros de un resorte helicoidal: diámetro de alambre, diámetro medio, paso, longitud libre y número de espiras, con la fórmula de la constante elástica
Parámetros principales y constante elástica. Fuente: ficha técnica Welectronic.

La constante elástica (rigidez) k es la relación entre la fuerza aplicada y la deflexión, y se expresa en N/mm. Para un resorte helicoidal de compresión:

F = k · δ → k = F / δ
k = d⁴ · G / (8 · Dm³ · na)

donde d y Dm están en mm y G es el módulo de corte del material en N/mm² (para aceros de resorte, alrededor de 79.000 N/mm²; para inoxidables, algo menos). El índice C debe estar entre 4 y 12 para un buen desempeño y fabricación: por debajo de 4 el alambre es muy difícil de enrollar y por encima de 12 el resorte se vuelve inestable y propenso a enredarse o pandear.

Gráfico fuerza contra deflexión de un resorte único, dos resortes en serie y dos resortes en paralelo
Diagrama original: fuerza contra deflexión (F = k·δ).
Dato práctico: la rigidez depende de d⁴: si duplicas el diámetro del alambre manteniendo todo lo demás, el resorte se vuelve 16 veces más rígido; si duplicas el diámetro medio, se vuelve 8 veces más blando. Dos resortes en paralelo suman sus rigideces (k = k₁ + k₂); en serie, se suman las flexibilidades (1/k = 1/k₁ + 1/k₂). Cuando el resorte se comprime del todo, las espiras se tocan: la longitud en bloque es aproximadamente Ls = nt · d (con nt el número total de espiras); nunca lo cargues hasta ese punto en servicio.

El esfuerzo cortante en el alambre se calcula con τ = Kw · 8 · F · Dm / (π · d³), donde el factor de Wahl Kw = (4C − 1)/(4C − 4) + 0,615/C corrige el efecto de la curvatura (cuanto menor es C, mayor es el esfuerzo extra en el lado interior de la espira). Además, un resorte de compresión esbelto (L0 / Dm mayor de 4 aproximadamente) puede pandear y necesita una guía o un vástago.

3. Selección rápida

Pasos para seleccionar un resorte, guía rápida por tipo, materiales comunes y acabados de protección
Selección rápida, materiales y acabados. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Pasos para seleccionar:

  1. Define la aplicación y el tipo de carga (compresión, tracción, torsión, etc.).
  2. Determina la fuerza requerida (F) y la deflexión deseada (δ).
  3. Establece el espacio disponible (L0 y Dext).
  4. Selecciona el material y el acabado según el ambiente de trabajo.
  5. Calcula o verifica la constante k y la resistencia al esfuerzo cortante.
  6. Valida los factores de seguridad y la vida a fatiga.

Materiales comunes: acero al carbono (alambre de piano o "music wire") para resortes en general; acero aleado (51CrV4, 60Si2MnA) para altas cargas, fatiga y temperaturas moderadas; acero inoxidable (AISI 302 y 316) para ambientes corrosivos, alimentos y aplicaciones médicas; y aleaciones especiales (Inconel, Nimonic) para altas temperaturas y condiciones severas.

Acabados y protección: fosfatado (aceitado), con protección básica contra la corrosión; zincado, con buena resistencia a la corrosión; pintura epóxica, que protege y decora; y pasivado (inoxidable), que mejora la resistencia. Considera siempre la temperatura de trabajo, la corrosión, los ciclos de carga y la vida útil requerida.

4. Fallas comunes

Fallas comunes de resortes: fatiga, deformación permanente y corrosión, con causa, efecto y prevención, y otras fallas posibles
Fallas comunes de resortes. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Otras fallas posibles: fractura por impacto, sobrecalentamiento, desalineación de asientos, montaje incorrecto y corrosión bajo tensión. Consejo: inspecciona con regularidad los resortes y reemplaza los que presenten daños o deformaciones; medir la longitud libre es la forma más simple de detectar un resorte vencido.

5. Recomendaciones generales

Recomendación técnica: selecciona el tipo de resorte adecuado para la carga y el espacio disponible. Respeta las cargas máximas y evita sobreesfuerzos. Considera el ambiente de trabajo, los ciclos de carga y la protección anticorrosiva para asegurar desempeño, seguridad y larga vida útil.

✅ 5 Problemas Resueltos

Problema 1: Un resorte helicoidal de compresión tiene alambre d = 3 mm, diámetro exterior Dext = 23 mm y na = 8 espiras activas. Con G = 79.000 N/mm², calcula Dm, el índice C y la constante k.
Solución:
Dint = Dext − 2d = 23 − 6 = 17 mm → Dm = (23 + 17)/2 = 20 mm
C = Dm / d = 20 / 3 = 6,67 (dentro de 4-12 ✓)
k = d⁴ · G / (8 · Dm³ · na) = 3⁴ × 79.000 / (8 × 20³ × 8) = 6.399.000 / 512.000
k ≈ 12,50 N/mm
Problema 2: Con ese resorte (k ≈ 12,5 N/mm), ¿qué fuerza se necesita para comprimirlo 10 mm?
Solución:
F = k · δ = 12,5 × 10 = 125 N
Problema 3: ¿Qué esfuerzo cortante produce esa fuerza de 125 N en el alambre? (usa el factor de Wahl)
Solución:
Kw = (4C − 1)/(4C − 4) + 0,615/C = (26,67 − 1)/(26,67 − 4) + 0,615/6,667 = 1,225
τ = Kw · 8 · F · Dm / (π · d³) = 1,225 × 8 × 125 × 20 / (π × 27) = 288,8 MPa
Para un alambre de acero de resorte con 1.600-1.900 MPa de resistencia a la tracción, el esfuerzo estático permitido ronda 0,45 × Sut (unos 720-850 MPa): el resorte trabaja con holgura en esa carga. Si va a tener muchos ciclos, además hay que verificar la fatiga.
Problema 4: Dos resortes iguales de k = 12,5 N/mm se usan (a) en paralelo y (b) en serie, y soportan una carga de 150 N. ¿Cuál es la constante equivalente y cuánto se deflecta cada arreglo?
Solución:
(a) Paralelo: k = 12,5 + 12,5 = 25 N/mm; δ = F / k = 150 / 25 = 6 mm.
(b) Serie: k = (12,5 × 12,5)/(12,5 + 12,5) = 6,25 N/mm; δ = 150 / 6,25 = 24 mm.
El paralelo es cuatro veces más rígido que el serie.
Problema 5: Un resorte de compresión tiene Dm = 40 mm y d = 2 mm. ¿Está dentro del rango recomendado de índice C? ¿Qué problema tendrías?
Solución:
C = Dm / d = 40 / 2 = 20, mayor que 12: fuera del rango recomendado (4-12). Un resorte con índice tan alto es muy flexible, inestable y propenso a pandear y a enredarse; además, es difícil mantener su tolerancia. La solución es aumentar el diámetro del alambre o disminuir el diámetro medio.

🏋️ 5 Ejercicios Propuestos

Ejercicio 1: Un resorte de compresión tiene d = 2 mm, Dm = 16 mm y na = 10 espiras activas (G = 79.000 N/mm²). Calcula k.
k = 2⁴ × 79.000 / (8 × 16³ × 10) = 1.264.000 / 327.680 = 3,86 N/mm
Ejercicio 2: ¿Cuál es el índice C del resorte del ejercicio 1? Si en cambio Dm fuese 30 mm con el mismo alambre, ¿sería aceptable?
C = 16 / 2 = 8 (aceptable, entre 4 y 12). Con Dm = 30 mm, C = 15, fuera del rango.
Ejercicio 3: ¿Qué fuerza se necesita para comprimir 15 mm el resorte del ejercicio 1?
F = k · δ = 3,857 × 15 = 57,9 N
Ejercicio 4: Dos resortes de k₁ = 10 N/mm y k₂ = 15 N/mm se asocian (a) en serie y (b) en paralelo. ¿Qué constante equivalente tiene cada arreglo?
Serie: k = 10 × 15 / (10 + 15) = 6,0 N/mm.
Paralelo: k = 10 + 15 = 25 N/mm.
Ejercicio 5: Un resorte de compresión con d = 2,5 mm tiene 6 espiras activas y extremos cerrados y rectificados (2 espiras inactivas). ¿Cuál es su longitud en bloque aproximada?
nt = 6 + 2 = 8 espiras; Ls ≈ nt · d = 8 × 2,5 = 20 mm

🧠 Quiz de conocimiento

Se seleccionarán 7 preguntas al azar de nuestra base de 10. Tu nota se calcula sobre 20.