La función del grupo muelle y de sus componentes

El muelle helicoidal tiene la función de absorber los impactos aplicados sobre la rueda de guía delantera cuando la máquina entra en contacto con un obstáculo. Además, corrige la tensión sobre la cadena mediante la inyección de grasa en el cilindro. Esta se efectúa a través de una válvula de control que permite al grupo muelle moverse hacia adelante gracias a la presión hidráulica. El tirante, por último, mantiene constantemente precargado el muelle, y lo mantiene unido al cuerpo cilíndrico. Veamos ahora en detalle las características de cada uno de estos componentes. 

El muelle helicoidal de compresión

El muelle se fabrica a partir de alambrón de sección circular, según precisos objetivos de diseño, entre ellos una buena relación calidad/precio y la capacidad de colocarse en el espacio a disposición. Esta última es una condición que determina los límites dimensionales de longitud operativa del muelle, además de su diámetro interno y externo. Dichas medidas determinan el tensado del muelle junto con otros requisitos que es necesario conocer previamente: la carga, la deflexión y la máxima longitud comprimida.

Cuando un muelle de compresión helicoidal está cargado, el alambrón bobinado se carga por torsión. La tensión es, por tanto, máxima sobre la superficie del alambrón y en el borde interno de la espira. Del intervalo de tensiones depende la vida útil del muelle: cuanto más amplio es, menor debe ser la tensión máxima para tener una vida útil equiparable. 

La elección de los materiales adecuados para la producción de muelles helicoidales de compresión sigue los dictámenes de las normativas sobre los aceros para muelles. Además, los materiales elegidos deben responder a otros requisitos como: 

• Masa

• Coste

• Vida de fatiga esperada

• Limitaciones espaciales

• Aplicaciones de uso

• Carga deseada en el muelle

• Intervalo de tensiones admisibles de acción del muelle

• Resistencia a la corrosión y a la pérdida de carga a altas temperaturas

• Entidad de la deformación que el muelle experimenta durante la producción

En los aceros para muelles, las propiedades requeridas se obtienen a través de altos contenidos de carbono y constituyentes como silicio, manganeso, cromo, molibdeno y vanadio, y mediante tratamientos térmicos como el endurecimiento por templado.

La importancia del proceso de producción

La calidad y eficiencia de los muelles dependen de su proceso de producción, típicamente caracterizado por tres fases: formación, tratamiento térmico y post tratamiento.

Existen varios métodos de formación de los muelles:

1. En la formación en frío, el alambrón metálico, ya tratado para alcanzar el nivel de resistencia final, se hace pasar a través de rodillos y pernos y efectúa un recorrido en torno a un husillo fijo para generar la típica forma espiral.
   
   
2. En la formación en caliente las barras se calientan a una temperatura aproximada de 930 °C y se enrollan seguidamente. Generalmente, el muelle al rojo se enfría en aceite y se templa. 

Para cada tipología de muelle se aplica un tratamiento térmico que sirve para hacerlo más resistente.

Los muelles de tamaño pequeño y mediano, que no estarán sometidos a niveles elevados de estrés durante el uso, necesitan un tratamiento de estabilización en hornos de pequeño tamaño que trabajan a temperaturas entre los 300 y 400 °C. 

Los muelles de gran tamaño, que durante su uso estarán sujetos a elevados niveles de estrés, necesitan en cambio un tratamiento de endurecimiento, que se subdivide en las fases de templado y de revenido.

El templado consiste en el rápido calentamiento de los muelles en un horno de 860 °C con un posterior enfriamiento brusco en un baño de aceite. Se utiliza para obtener un buen compromiso entre tenacidad y dureza. 

Se lleva a cabo un tratamiento de revenido con la finalidad de alcanzar un buen compromiso entre dureza, resistencia y tenacidad del acero.

Después del tratamiento térmico, el muelle se somete al proceso de presetting que consiste en bobinar el muelle hasta una longitud libre superior a la longitud libre especificada. El muelle a temperatura ambiente se reduce hasta su comprensión nominal o a una longitud específica predefinida, para generar fluencia. 

Posibles problemáticas de los muelles helicoidales

Como cualquier otro componente, también los muelles helicoidales pueden estar sujetos a algunas problemáticas. Las principales se refieren a la rotura, que puede tener varias causas, entre ellas:

• Defectos superficiales
  
  
• Corrosión
  
  
• Tratamientos térmicos inadecuados - si los muelles se sobrecalientan, la estructura granular será basta y su vida de fatiga, breve. Si no se logra calentar a la temperatura  apropiada, o durante un tiempo suficientemente largo como para llevar a la disolución de todos los carburos, el resultado serán manchas de ferrita y un bajo límite de resistencia al esfuerzo.
  
  
• Decarburación - en los muelles generalmente se da una decarburación parcial, al menos hasta un pequeño valor. El grado de decarburación admisible depende del tipo de material y de la aplicación.

El tirante 

Se trata de un componente de alta resistencia porque cuando el muelle está destensado actúa sobre él una carga superior a la precarga. 

La carga aplicada al tirante es de dos tipos:

1. Carga causada por el impacto de la tuerca contra la horquilla cuando el muelle comprimido vuelve de la posición de fin de carrera (por ejemplo el mismo valor de carga a fin de carrera);
   
   

2. Carga presente si hay offset entre el eje del muelle y el eje de la rueda de guía delantera, es decir, la carga de flexión causada por el momento de flexión junto con la carga de fin de carrera.

Dado que está sometido a dichos esfuerzos, el tirante debe fabricarse en aleación de acero, considerando el acero templado y revenido más utilizado en virtud de su buena resistencia, forjabilidad y posibilidad de mecanizado con máquinas herramienta. Además, debe adaptarse a todos los empleos en caliente hasta 500 °C para resistir a la deformación por fluencia. También puede ser templado superficialmente o nitrurado para hacerlo más resistente al desgaste y la fatiga para piezas no sujetas a presiones específicas demasiado altas. 

El cilindro

Inyectando grasa en el cilindro a través de la válvula de control, el grupo muelle se desplaza hacia adelante y se tensa la cadena. Y, a la inversa, si se hace salir grasa mediante la válvula se afloja la cadena de modo que el grupo muelle retrocede.

Durante el montaje del cilindro, con una bomba se envía grasa al cilindro a través de la válvula. Esta grasa mueve el pistón que empuja el muelle tensor completo. La válvula de control, a su vez, debe diseñarse y aplicarse teniendo en cuenta la máxima presión de servicio. La superficie debe estar cromada para una mayor resistencia al desgaste y a la corrosión.

El material elegido para la producción del cilindro en general es un clásico acero templado y revenido que contiene un porcentaje de carbono que proporciona la máxima tenacidad.

Dentro del grupo muelle, el cilindro debe estar necesariamente conectado al tirante. Dicha conexión tirante-cilindro puede realizarse a través de varias configuraciones distintas, como:

• Soldadura

• Roscado

• Pieza única

• Respaldo

• Roscado+soldadura

• Respaldo+soldadura

• Respaldo+roscado

• Respaldo+roscado+soldadura

Tipos de grupo muelle 

A continuación ilustramos los distintos tipos de grupo muelle que suministramos para algunas de las marcas más importantes presentes en el mercado.

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