Selección de anillos de retención

Aug 23, 2023

Los ingenieros enfrentan el desafío diario de crear diseños de productos económicos que reduzcan el peso, el tamaño, las materias primas y la mano de obra. Este mandato competitivo afecta todas las facetas del diseño, incluidos los sujetadores necesarios para mantener los componentes en su lugar.

Un estilo de sujetador sin rosca que se ha utilizado ampliamente para lograr estos objetivos es el anillo de retención. Este anillo, un sujetador circular, se instala en una ranura para sujetar componentes en un eje o dentro de un orificio. Sostiene engranajes, levas y poleas en ejes y mantiene cojinetes, válvulas, boquillas y cerraduras dentro de las carcasas. Saber qué anillo de retención utilizar en una situación de sujeción determinada puede contribuir en gran medida a la eficacia y economía generales de un diseño.

Así como un tornillo necesita un orificio roscado correctamente, un anillo de retención necesita ranuras cortadas correctamente para garantizar el mejor rendimiento. Ambas paredes de la ranura deben ser paralelas y perpendiculares al eje del eje o carcasa.

La profundidad de la ranura debe mantenerse según las especificaciones porque la profundidad y los radios del fondo de la ranura determinan la cantidad de soporte que proporcionará la pared de la ranura de carga. El margen del borde, que es la distancia de la ranura desde el extremo del eje o carcasa, debe calcularse para proporcionar suficiente material para resistir el corte incluso bajo cargas máximas.

Debido a que los anillos de retención fallan con mayor frecuencia debido a la deflexión, es importante comprender cómo las diferentes condiciones afectan la capacidad de empuje. Las piezas con esquinas afiladas proporcionan un contacto ideal con la parte sobresaliente del anillo y, por lo tanto, el mejor soporte de carga.

Las piezas que tienen un radio o un chaflán comprometen la capacidad de empuje. Cuando se aplica una carga a la parte retenida que hace contacto con el anillo en su borde exterior, se crea una acción de palanca contra la pared de la ranura cargada. Bajo cargas extremas, esto puede provocar una desviación del anillo y, en última instancia, un fallo. Si existen estas condiciones (y esto debe investigarse cuidadosamente antes de completar el diseño), puede ser prudente utilizar un anillo de retención reforzado.

Igualmente importante para la preparación correcta de la ranura es la selección de los tipos de anillos que mejor se adapten a condiciones de carga específicas. Si bien muchos estilos de anillos comparten características de diseño comunes, cada uno tiene sus propias características especiales que deben considerarse en relación con el diseño individual.

Por ejemplo, cuando las condiciones de carga exigen un máximo enganche de ranura, los anillos básicos serán la mejor opción. Sin embargo, cuando la carga no es crítica, pero el saliente de los anillos básicos crea un problema de interferencia, o cuando es importante un hombro superior que sobresalga uniformemente, se debe dar preferencia a los anillos invertidos. Es común que estos anillos se utilicen en aplicaciones de baja capacidad de carga donde la estética es la principal preocupación. Los anillos básicos e invertidos son intercambiables en lo que a dimensiones de ranura se refiere.

En casos de cargas pesadas, el anillo reforzado superará al anillo básico debido a su mayor altura de sección, forma de orejeta y espesor. Este anillo también puede remediar casos de falla por fatiga.

Los anillos instalados radialmente también varían. Se prefiere el anillo en C en forma de media luna cuando el espacio es escaso y las cargas no son muy pesadas. Este tipo de anillo también es más resistente a la manipulación.

El anillo en E, que es un anillo en C con muescas a cada lado de una pieza central inferior, es ideal para hombros grandes. Un anillo en E reforzado es mejor para aplicaciones caracterizadas por alta vibración, velocidad y cargas cíclicas.

El anillo reforzado es intercambiable con el anillo E pero agarra el fondo de la ranura con de 3 a 5 veces más fuerza radial y tiene mayor resistencia a la falla por fatiga. En la mayoría de los casos, su diámetro exterior o hombro es mayor que el del anillo E, que es otro factor a considerar. Los tres estilos están disponibles en cartuchos con cinta para ensamblar con dispensadores y aplicadores.

Los anillos de retención se pueden utilizar para compensar tolerancias acumuladas o desgaste en el conjunto, así como para ejercer presión contra las piezas retenidas. La mayoría de los anillos de retención están hechos de materiales para resortes y reciben un tratamiento térmico para conservar su elasticidad.

Los anillos arqueados se pueden aplanar bajo presión y volverán a su altura establecida cuando se libere la presión. Cuando el anillo se aplana parcial o completamente, ejerce contrapresión de forma muy similar a un resorte, recuperando el juego axial.

Los anillos arqueados producen una fuerza de compresión para reducir el ruido y la vibración, y la compresión variará según la aplicación. Los anillos más planos indican que las piezas retenidas eran ligeramente más largas y los anillos se ajustaron solos a esta condición. Debido a su resiliencia, los anillos arqueados seguirán cualquier movimiento axial de la parte retenida dentro de las limitaciones de la altura del arco. Sin embargo, la carga de precisión no es el único objetivo de diseño para su uso.

Algunos anillos de retención combinan las características de la instalación radial con el juego axial. Por ejemplo, un anillo en E básico puede doblarse sobre su eje horizontal y empujarse hacia la ranura desde el costado del eje. Esto ejercerá una presión axial contra la parte retenida.

Los anillos biselados sirven esencialmente para el mismo propósito, pero funcionan según un principio diferente. Los ingenieros aprovechan las características elásticas del anillo, pero en el propio plano del anillo. El anillo interno tiene un bisel de 15 grados a lo largo de la periferia exterior; el anillo externo a lo largo del borde interior. El perfil de la ranura corresponde al del anillo, siendo la pared biselada la que soporta la carga. También en este caso es de suma importancia el cálculo de la ubicación de la ranura.

El encaje mínimo de la ranura es cuando el anillo está asentado al menos a la mitad de la profundidad de la ranura. El anillo interno se comprime por debajo de su diámetro libre, mientras que el anillo externo se extiende por encima de su diámetro libre. Las propiedades elásticas de los anillos harán que el tipo interno se abra y el tipo externo se cierre más completamente, ejerciendo en cada caso una presión axial contra la parte retenida.

La ubicación de la ranura debe ser precisa para evitar que el anillo toque fondo en la ranura. El anillo actúa como una cuña entre la pared de la ranura y la pieza, que bloquea rígidamente. Este conjunto no respirará, por así decirlo, como lo haría con un anillo arqueado que puede deformarse bajo carga.

El borde biselado del anillo se mueve a lo largo de la pared de la ranura biselada para una mayor recuperación del juego longitudinal, hasta que posiblemente alcance la posición de máximo acoplamiento con la ranura. Entonces no podrá retroceder ni siquiera bajo carga.

Los anillos arqueados ofrecen una mayor absorción del juego axial que los retenedores biselados, que tampoco funcionan bien en aplicaciones de alta velocidad de rotación. Sin embargo, los retenedores biselados ofrecen una absorción rígida del juego axial y deben considerarse cuando ocurren cargas cíclicas.

Los anillos de retención autoblocantes se utilizan en ejes sin ranuras y vienen en versiones estándar reforzadas de empuje y agarre. Estos anillos circulares simples tienen un borde plano, soportan cargas estáticas moderadas y se usan ampliamente debido a su diámetro exterior relativamente pequeño.

Los anillos autoblocantes circulares reforzados tienen un borde curvado y soportan cargas mayores incluso si hay alguna vibración. Sin embargo, tienen un diámetro exterior mayor. Ambos tipos de anillos autoblocantes funcionan según el mismo principio: las puntas resisten la contrapresión hundiéndose ligeramente en el eje, lo que permite que los sujetadores se muevan solo en una dirección. Los anillos autoblocantes deben usarse en ejes blandos o no endurecidos y, en la mayoría de los casos, deben destruirse para poder retirarlos.

Un anillo de bloqueo automático de agarre se puede mover en cualquier dirección y ajustar su posición después de la instalación utilizando unos alicates para anillos de retención que encajan en los orificios de las orejetas. Este tipo de anillo se puede utilizar una y otra vez, lo que lo hace más adecuado para aplicaciones en las que es posible que sea necesario desmontar componentes para su reparación o mantenimiento.

Una variación del anillo de retención es el resorte ondulado, que es un anillo en espiral con forma de onda axial. Se presenta en versiones de una y varias vueltas y está fabricado con alambre plano.

Los resortes de una sola vuelta a menudo reemplazan a las arandelas onduladas estampadas. Las aplicaciones incluyen precarga de rodamientos, conectores y sellos de potencia de fluidos, así como atenuación de ruido y vibraciones. Los resortes ondulados de múltiples vueltas generalmente reemplazan a los resortes helicoidales o pilas de resortes de disco, y se usan en sellos mecánicos y sistemas de transmisión de potencia y fluidos.

La principal ventaja de los resortes ondulados es su excelente relación fuerza-altura de trabajo. Los resortes ondulados bien diseñados pueden producir fuerzas iguales o incluso mayores que los resortes helicoidales, cuyas alturas de trabajo son hasta el doble.

Los resortes ondulados producen una fuerza constante en una amplia gama de deflexiones y sus curvas de deflexión tienen una región de fuerza lineal más amplia y plana que los resortes helicoidales o de disco. Además, debido a que los resortes ondulados transmiten fuerzas elásticas solo en la dirección axial prevista, no sufren la carga de torsión ni la torsión que pueden hacer que los resortes helicoidales convencionales sean menos efectivos.

Considere algunos ejemplos en los que esta característica es especialmente útil:

Carretes de pesca. La fuerza constante del resorte permite que el carrete funcione suavemente y elimine la resistencia. Por el contrario, los resortes helicoidales comienzan linealmente y luego se aplanan al final de la curva de arrastre, lo que significa que el 30 por ciento final de los ajustes de arrastre no son posibles. El uso de un resorte ondulado ofrece un control más preciso con una curva más lineal, lo que resulta en una resistencia más suave y un mejor rendimiento.

Conjuntos de engranajes. Dentro de un juego de engranajes, el uso de un resorte ondulado permitirá ajustes lineales en todo el rango de fuerza. Por el contrario, los diseños de resortes helicoidales sólo pueden permitir ajustes lineales finos al comienzo del rango de fuerza.

Embragues deslizantes. Cuando se utiliza un embrague deslizante para prolongar la vida útil de otros componentes de la máquina, es fundamental que el embrague reaccione rápidamente según los valores de par preestablecidos. Debido a que los resortes ondulados ofrecen la capacidad de realizar ajustes lineales extremadamente finos, el embrague deslizante se puede configurar para que se active rápidamente una vez que se alcanza el par especificado.

Válvulas de Flujo/Válvulas de Seguridad. Las válvulas de flujo y las válvulas de seguridad deben abrirse de manera confiable y repetible en puntos de presión predefinidos. Los resortes ondulados lo hacen posible al permitir ajustes lineales finos y precisos.

Conectores rápidos. Los conectores tipo bayoneta y otros conectores rápidos deben abrirse a valores de torsión preestablecidos y críticos para la seguridad. Se pueden utilizar resortes ondulados en estos diseños para proporcionar ajustes lineales precisos que impidan que dichos conectores se abran prematuramente.

Los resortes ondulados ofrecen ventajas de montaje, ya que muchos pueden autoubicarse en agujeros perforados o en ejes. Los resortes también ahorran un espacio axial considerable. En aplicaciones estáticas, un resorte ondulado normalmente necesitará solo el 50 por ciento de la altura de trabajo de un resorte helicoidal para generar una fuerza equivalente. En aplicaciones dinámicas, la ventaja en altura de trabajo suele ser de alrededor del 30 por ciento.

La razón de la diferencia se debe al diseño del resorte ondulado de múltiples vueltas. Para minimizar las tensiones de flexión en aplicaciones dinámicas, el resorte ondulado normalmente requerirá más vueltas que en una aplicación estática. Y más vueltas dan como resultado una altura de trabajo adicional.

Los elementos de resorte generalmente exhiben comportamientos de fuerza lineales y no lineales consistentes, dependiendo de su deflexión. Este comportamiento lineal se puede mostrar gráficamente en la curva carga-deflexión del resorte.

En general, cuanto más amplia y plana sea la región lineal de la curva, más fácil será cumplir con los requisitos específicos de fuerza del resorte. Los muelles ondulados tienen una clara ventaja en este aspecto. Por lo general, tienen una desviación de fuerza lineal de entre el 30 y el 70 por ciento. Tener una fuerza de resorte predecible permite al diseñador del sello lograr el equilibrio entre el desgaste excesivo debido a una precarga demasiado alta y las fugas debido a una precarga demasiado baja. Los sellos mecánicos, por ejemplo, utilizan con éxito resortes ondulados para precargar las superficies de sellado.

Un beneficio adicional de la fuerza predecible implica tolerancias dimensionales para las cavidades y ejes que sostienen los elementos de resorte. Estas tolerancias a menudo están determinadas por la necesidad de adaptarse a los requisitos de altura de fuerza de trabajo del resorte.

Al especificar resortes ondulados que producen una fuerza relativamente consistente en una variedad de deflexiones, a menudo es posible aflojar las tolerancias dimensionales en las cavidades y ejes de los resortes. Esta capacidad representa un factor de costo importante, pero a menudo pasado por alto, a favor de los resortes ondulados.

Siempre que un resorte helicoidal se comprime a su altura de trabajo, las cargas son de torsión y en el eje de compresión. Estas cargas de torsión pueden hacer que el componente precargado gire durante el uso, lo que podría provocar un desgaste excesivo, además de disminuir la carga de trabajo del resorte.

Los resortes ondulados no tienen este problema. Sus formas onduladas sólo pueden comprimirse axialmente, cambiando en algunos casos ligeramente su diámetro.

En comparación con un resorte de disco tradicional, los resortes ondulados de múltiples vueltas ofrecen mucho más recorrido. Un solo resorte ondulado de múltiples vueltas puede reemplazar fácilmente los conjuntos que utilizan múltiples resortes de disco para lograr el recorrido necesario.

La mayoría de las aplicaciones requieren distancias de recorrido relativamente cortas, normalmente menos de 1 milímetro. Sin embargo, algunos proveedores han diseñado resortes ondulados de múltiples vueltas que ofrecen hasta 50 milímetros de recorrido.

Reemplazar un conjunto de resorte de disco apilado por un resorte ondulado puede permitirle a un ingeniero ahorrar dinero y mejorar la calidad del producto. La instalación del resorte único no solo cuesta menos que los resortes de disco apilados. También reduce la posibilidad de que se incluya una cantidad incorrecta de resortes de disco en un conjunto terminado.

La rigidez del resorte ondulado está determinada por el espesor y el tipo del material y por el número de ondas por vuelta del resorte. Un ingeniero puede establecer fácilmente la rigidez requerida optimizando el número de ondas por vuelta utilizando fórmulas de diseño conocidas.

El aumento del número de ondas por vuelta influye en la altura libre y el diámetro comprimido del resorte ondulado. Específicamente, más vueltas aumentan la histéresis ya que cada onda tiene cierta fricción asociada.

Sin embargo, todos estos efectos pueden compensarse fácilmente. La altura libre y el diámetro se pueden tener en cuenta durante el diseño, y la histéresis se puede eliminar preestableciendo el resorte ondulado; es decir, comprimir hasta su altura de trabajo durante varios ciclos.

Los productos estampados requieren herramientas, pero los resortes ondulados se pueden personalizar sobre la marcha cambiando los parámetros del equipo de bobinado. Esta capacidad permite a los ingenieros especificar resortes ondulados personalizados sin preocuparse por los costos o retrasos asociados con las herramientas personalizadas. Esta capacidad es otro factor de coste que pesa a favor de los resortes ondulados.

Cualquiera que sea el requisito del sujetador, los ingenieros pueden encontrar un anillo de retención que pueda cumplirlo. El desafío es encontrar el adecuado que funcione según las especificaciones y ofrezca las economías esperadas. Considerar detenidamente los anillos descritos anteriormente es un primer paso sólido para lograr ese objetivo.

Por Elmar Kampmann, director técnico de ventas, Rotor Clip Inc.

Enormes cargas axiales hacen que los cojinetes de las cajas de engranajes de las turbinas eólicas se muevan regularmente en múltiples direcciones. Esto produce desgaste de la pista del rodamiento y residuos metálicos que provocan fallas en el rodamiento. Se pueden utilizar anillos de retención para asegurar los rodamientos y evitar cualquier otro movimiento de rotación dentro de la caja de cambios.

Una razón común para el movimiento de los rodamientos es que están relativamente flojos en el orificio. Esta situación garantiza un fácil montaje de componentes grandes típicamente utilizados para turbinas eólicas y equilibra la posible expansión radial térmica durante el funcionamiento de la caja de cambios. Pero también permite movimientos de rotación del rodamiento porque no hay suficiente fricción entre la pista exterior del rodamiento y la superficie de la carcasa. Como resultado, el contacto axial del anillo de retención con el rodamiento provoca un movimiento giratorio del anillo, lo que provoca una falla.

Otro tipo de movimiento es un engranaje y un anillo giratorios. Debido a que la fricción axial entre la rueda dentada y el anillo es mayor que la carga radial del anillo y la fricción entre este y la ranura, el anillo gira.

El movimiento de rotación también puede ser causado por cargas de torsión dinámicas elevadas en dirección axial. Cuando los componentes de una caja de engranajes de turbina se fijan mediante un anillo de retención y se introducen cargas axiales dinámicas, el anillo gira en la ranura. Esto no es causado por la rotación de un componente retenido, sino por las cargas ejercidas sobre el anillo.

Afortunadamente, cada uno de estos desafíos de movimiento se puede resolver con el anillo de retención adecuado; aumentando así la vida útil del rodamiento y mejorando el rendimiento de la turbina.

Para rodamientos de ajuste holgado se recomienda un resorte ondulado de una sola vuelta con una carga axial específica. El resorte ondulado genera una carga precisa para garantizar niveles de fuerza no destructivos. Esta acción, a su vez, dificulta la tendencia a girar de la pista exterior y del anillo de retención.

Los anillos de retención ondulados de una o dos vueltas son una solución alternativa. Combinando un anillo de retención estándar con un resorte ondulado, retienen y precargan la pista exterior del rodamiento.

El movimiento debido a un engranaje giratorio y un anillo se puede eliminar con un anillo de retención modificado, como uno con un extremo de perfil en L que actúa como un lazo. Dado que no es necesaria ninguna modificación adicional, el tiempo y los costes de mecanizado de la ranura adicional son limitados.

Para compensar las cargas dinámicas de torsión en la dirección axial, se recomienda un anillo de retención de sección constante de múltiples vueltas o enrollado en espiral. La razón: su diseño no tiene bordes afilados y permite que el anillo resista las cargas para que no gire en la ranura.

Mejorar el rendimiento de las turbinas eólicas es un objetivo importante de la industria a medida que crece el mercado. Eliminar el movimiento dañino mediante la selección prudente de un anillo de retención es un paso importante para lograr ese objetivo.

Henry Yates, ingeniero técnico de ventas, Rotor Clip Inc., Somerset, Nueva Jersey, [email protected]