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Existem seis tipos primários de molas usado em produtos industriais e de consumo: molas de compressão, molas de extensão, molas de torção, molas de força constante, molas onduladas e molas de disco (Belleville). Cada um é definido pela forma como armazena e libera energia mecânica – comprimida, esticada, torcida, girada, achatada ou empilhada. A escolha certa depende da direção da carga, do espaço disponível e de quantos ciclos de trabalho a peça deve sobreviver, e quase todos eles são formados hoje em um sistema controlado por computador. máquina de mola em vez de manualmente.
A categoria em que uma mola se enquadra é, na verdade, uma abreviação de comportamento mecânico. Uma mola de compressão empurra para trás. Uma mola de extensão recua. Uma mola de torção resiste a uma torção. Uma vez que esse comportamento é corrigido, todo o resto – diâmetro do fio, contagem de bobinas, geometria final e material – é um exercício de ajuste para atingir uma carga, deflexão e vida útil alvo.
Este guia detalha cada tipo de mola, os materiais por trás delas, como uma máquina moderna de molas molda cada uma delas, como os engenheiros dimensionam uma mola para um caso de carga real, onde cada tipo aparece em diferentes indústrias, pontos de falha comuns, acabamento e proteção contra corrosão e como comparar cotações ao obter quantidades de produção.
As molas de compressão são molas helicoidais abertas projetadas para resistir a uma força de compressão e recuar quando comprimidas. São o tipo de mola mais comum em montagens mecânicas, aparecendo em colchões, canetas esferográficas, válvulas, sistemas de suspensão e matrizes industriais. Quando uma carga empurra as bobinas juntas, a mola armazena energia e empurra de volta ao longo do mesmo eixo quando a carga é liberada.
Como as bobinas ficam separadas umas das outras em repouso, uma mola de compressão pode ser comprimida até que as bobinas se toquem – um estado denominado altura sólida. Um bom design mantém a mola bem distante da altura sólida em operação normal, uma vez que atingir o fundo repetidamente endurece o fio no ponto de contato e reduz a vida útil em fadiga. A maioria das orientações de engenharia mantém a deflexão operacional em aproximadamente 80% ou menos do deslocamento total disponível até a altura sólida, deixando uma margem de segurança para eventos de deslocamento excessivo.
As molas de compressão também são definidas pela forma como as bobinas finais são acabadas. As extremidades lisas deixam o fio cortado em um ângulo correspondente à hélice, o que é rápido de produzir, mas permite que a mola balance ligeiramente sob carga. As extremidades quadradas são retificadas ou prensadas para que a mola fique em pé em uma superfície plana sem tombar, e as extremidades quadradas e retificadas dão um passo adiante, retificando a bobina da extremidade perfeitamente plana, o que é comum sempre que a mola precisa assentar uniformemente contra uma placa plana, como em conjuntos de válvulas.
Um nível de produção máquina de mola forma molas de compressão alimentando o fio através de um conjunto de rolos de alimentação e enrolando-o em torno de um mandril ou pino de formação e, em seguida, uma ferramenta de corte separa cada bobina em um comprimento programado. As máquinas controladas por CNC podem manter tolerâncias de passo suficientemente apertadas para manter a variação da taxa da mola abaixo de aproximadamente 3% ao longo de uma produção, o que é importante para peças onde a força consistente é crítica, como molas de válvulas. As linhas de molas de compressão de alto volume normalmente combinam o cabeçote de enrolamento com uma estação de retificação em linha para que as extremidades quadradas possam ser acabadas sem uma operação secundária separada.
As molas de extensão são bobinas firmemente enroladas que resistem a uma força de tração e tentam retornar ao seu comprimento original depois de liberadas. Ao contrário das molas de compressão, suas bobinas ficam próximas umas das outras em repouso – geralmente com tensão inicial incorporada – de modo que a mola só começa a esticar quando a força aplicada excede a pré-carga. Mecanismos de portas de garagem, trampolins, portas de tela e interruptores dependem de molas de extensão.
A tensão inicial é uma das propriedades mais incompreendidas de uma mola de extensão. Como as bobinas são enroladas firmemente umas contra as outras durante a formação, a mola resiste a qualquer tração até que a força aplicada exceda a tensão incorporada – só então ela começa a se esticar proporcionalmente à carga adicionada. Os projetistas especificam essa tensão inicial deliberadamente, uma vez que muito pouco permite que a mola ceda em repouso, enquanto muito faz com que o mecanismo pareça rígido no início de seu percurso.
A maior parte do trabalho de projeto em uma mola de extensão acontece nas extremidades, não no corpo da bobina. Ganchos de máquina, laços cruzados, laços laterais e olhais estendidos mudam a forma como a mola é montada e como a tensão se concentra na curva. Como a curvatura do gancho normalmente é onde começa a falha por fadiga, a geometria do gancho costuma ser o fator limitante na vida útil de uma mola, e não a própria bobina.
Em uma máquina de mola moderna, a formação do gancho é feita no mesmo ciclo do enrolamento: depois que a ferramenta de enrolamento enrola o corpo, uma ferramenta secundária gira e dobra a extremidade do fio no formato do gancho antes do corte. Isso mantém o alinhamento do gancho consistente, o que é uma das reclamações de qualidade mais comuns quando as molas de extensão são formadas manualmente. O ângulo consistente do gancho também é importante para a forma como a mola fica pendurada em seu suporte de montagem - um gancho torcido pode introduzir uma carga lateral indesejada que o corpo da bobina nunca foi projetado para suportar.
As molas de torção armazenam energia quando giradas em torno de seu eixo, em vez de serem empurradas ou puxadas ao longo dele. O corpo da bobina resiste ao deslocamento angular e as pernas retas em cada extremidade transmitem essa força rotacional para o conjunto. Prendedores de roupa, ratoeiras, sistemas de contrapeso para portas de garagem e dobradiças em portas de armários são exemplos típicos.
Ao contrário das molas de compressão e extensão, uma mola de torção é quase sempre projetada para funcionar com o diâmetro da bobina reduzindo ligeiramente à medida que enrola sob carga. Isso significa que o eixo ou mandril no qual ele assenta deve ser dimensionado com folga para essa redução, ou as bobinas se prenderão ao eixo antes que a mola atinja o curso pretendido - um detalhe que pega muitos projetistas iniciantes desprevenidos.
| Recurso de mola de torção | Efeito de design |
|---|---|
| Direção da bobina (esquerda ou direita) | Deve corresponder à direção em que a mola deve enrolar sob carga, ou as bobinas se desenrolarão em vez de apertarem |
| Configuração de perna | Pernas retas, articuladas ou angulares determinam como o torque é transferido para a montagem circundante |
| Número de bobinas ativas | Mais bobinas geralmente diminuem a taxa de torque e aumentam o curso rotacional disponível |
| Estilo de corpo (ferida fechada vs. espaçada) | Bobinas enroladas reduzem o ruído de fricção entre as bobinas; bobinas espaçadas reduzem a chance de emperramento sob carga pesada |
Além dos exemplos domésticos, as molas de torção aparecem em mecanismos de contrapeso para portas suspensas pesadas, molas de retorno em conjuntos de catracas e linguetas, fechos de dobradiça em gabinetes e gabinetes e mecanismos de fixação onde uma força rotacional leve e consistente é necessária para manter duas peças juntas sem um fixador separado.
As molas de torção são geralmente formadas em uma máquina de molas CNC equipada com uma cabeça giratória para dobrar as pernas, uma vez que a precisão do ângulo das pernas afeta diretamente o modo como a mola se assenta em seus orifícios de montagem. Uma perna que esteja desviada, mesmo que apenas alguns graus, pode criar inconsistência de pré-carga em uma linha de montagem, e é por isso que o ângulo da perna é uma das primeiras dimensões verificadas durante a inspeção de entrada em uma nova configuração de ferramenta.
As molas Belleville são arruelas em formato de cone que se achatam sob carga axial. Empilhá-los em série aumenta o deslocamento, enquanto empilhá-los em paralelo aumenta a capacidade de carga, o que os torna úteis em qualquer lugar em que um projetista precise de uma curva de força específica em um espaço axial muito curto — conjuntos de flanges aparafusados e máquinas pesadas são exemplos comuns. Uma propriedade útil das molas prato é que sua curva de força pode ser ajustada pela altura do cone em relação à sua espessura: um cone raso fornece uma resposta de força quase linear, enquanto um cone mais alto pode ser ajustado para produzir uma curva de força plana ou mesmo de encaixe, o que é útil em mecanismos de liberação de sobrecarga.
As molas onduladas usam uma forma ondulada em forma de anel em vez de uma bobina de fio redondo, fornecendo a mesma força de mola que uma mola helicoidal em cerca de um terço a metade da altura comprimida. As aplicações de pré-carga de rolamento e pequenos conectores eletrônicos favorecem as molas onduladas quando o espaço axial é limitado. Eles são normalmente produzidos em variedades de volta única, multivoltas e aninhadas, com molas onduladas multivoltas comumente usadas onde uma altura de trabalho mais alta está disponível, mas o espaço radial ainda é apertado.
Enrolada a partir de tira plana protendida em vez de fio redondo, uma mola de força constante fornece quase a mesma força de saída em toda a sua faixa de extensão, em vez de uma curva de força ascendente. Fitas métricas retráteis, mecanismos de contrapeso e enroladores de cabos dependem desse comportamento. Como a tira é enrolada sobre si mesma em um rolo apertado em repouso e desenrola sob carga, a saída de força permanece notavelmente plana em comparação com a resistência crescente constante de uma mola helicoidal.
As molas a gás são uma categoria completamente diferente – um cilindro selado com gás comprimido e uma haste de pistão, usado onde é necessária uma extensão controlada e amortecida, como escotilhas automotivas e cadeiras de escritório ajustáveis. Eles são fabricados em equipamento de enchimento hidráulico, em vez de em uma máquina de formação de fio de mola.
Dois tipos menos comuns, mas ainda relevantes, completam a categoria de especialidade. As molas voluta são tiras planas enroladas em formato de cone e funcionam como uma mola de compressão com excelente resistência à flambagem, historicamente utilizadas em suspensões de veículos pesados. As molas serpentinas são formadas a partir de um zigue-zague contínuo de arame redondo e já foram comuns em assentos estofados, valorizadas por distribuir a carga uniformemente em uma ampla base de assento, em vez de concentrá-la em alguns pontos.
O tipo de mola produzida geralmente determina qual liga de fio faz sentido, e cada liga se comporta de maneira diferente quando é alimentada por uma máquina de molas.
Duas dimensões dominam o comportamento de uma mola mais do que qualquer outra variável: diâmetro do fio e índice da mola, a relação entre o diâmetro da bobina e o diâmetro do fio. Um fio mais grosso aumenta drasticamente a rigidez, uma vez que a taxa da mola aumenta com a quarta potência do diâmetro do fio, enquanto um índice de mola baixo (uma bobina apertada em relação ao fio) aumenta a concentração de tensão no interior de cada bobina e torna a mola mais difícil de formar com precisão. Os projetos mais práticos mantêm o índice de mola entre aproximadamente 4 e 12; molas enroladas com mais força do que isso precisam de cuidado extra no ferramental e correção de tensão, enquanto molas enroladas com mais força do que isso tendem a emaranhar-se e entortar com mais facilidade.
Uma máquina de mola CNC altera sua velocidade de enrolamento, taxa de alimentação do fio e pressão do pino de formação dependendo da liga carregada, uma vez que o fio mais duro precisa de mais força de formação, mas volta ainda mais depois que a ferramenta o libera, um comportamento chamado recuperação elástica. Máquinas construídas para produção de alto volume normalmente compensam essa recuperação automaticamente superformando cada bobina por uma margem calculada, o que é um dos motivos pelos quais a bobinagem automatizada substituiu em grande parte a formação manual em bancada para qualquer coisa além das quantidades de protótipos. As modernas máquinas de molas acionadas por servo registram esses dados de compensação por lote, o que torna muito mais fácil reproduzir a geometria exata da bobina na próxima vez que o mesmo lote de fio for executado.
Escolher um tipo de mola é apenas o primeiro passo. O dimensionamento de uma para uma aplicação real geralmente se resume a três objetivos interligados: a taxa da mola (quanta força muda por unidade de deflexão), a tensão máxima segura na deflexão total e o número de ciclos que a mola precisa para sobreviver antes que a fadiga se torne uma preocupação.
A taxa da mola descreve a rigidez da mola – a força adicional necessária para cada unidade adicional de deflexão. Para uma mola helicoidal, a taxa aumenta com o diâmetro do fio e diminui conforme o diâmetro da bobina ou o número de bobinas ativas aumenta. Duas molas podem parecer quase idênticas e ainda assim ter taxas muito diferentes se uma tiver um diâmetro de bobina ligeiramente maior ou duas bobinas ativas a mais que a outra, razão pela qual a taxa da mola, e não apenas as dimensões físicas, é o número que deve ser especificado e verificado.
As molas que circulam ocasionalmente, como uma mola de trava aberta algumas vezes ao dia, podem ser projetadas com uma margem de tensão generosa e provavelmente durarão mais que o produto ao seu redor. Molas que circulam continuamente, como uma mola de válvula disparando milhares de vezes por minuto, precisam ser projetadas contra uma curva de fadiga em vez de um único valor de tensão de pico, uma vez que cargas repetidas bem abaixo da resistência final do material ainda podem eventualmente causar o início e o crescimento de uma trinca. Como um guia aproximado, manter o pico de tensão operacional abaixo de aproximadamente 45 a 50 por cento da resistência à tração do fio é um ponto de partida comum para molas que devem sobreviver a milhões de ciclos, embora o número certo sempre dependa da liga específica e do acabamento superficial.
Shot peening é o tratamento mais utilizado para prolongar a vida útil em fadiga em molas de compressão e torção. O disparo de pequenos meios redondos na superfície do fio introduz uma camada rasa de tensão residual compressiva, que resiste à tensão de tração que, de outra forma, iniciaria uma trinca por fadiga na superfície. Para molas sujeitas a serviços de alto ciclo e alta tensão — as molas de válvulas automotivas são o exemplo clássico — o shot peening pode prolongar significativamente a vida útil em comparação com uma mola não polida das mesmas dimensões.
Uma moderna máquina CNC de molas transforma um carretel de fio bruto em uma mola acabada e tratada termicamente em uma sequência de etapas coordenadas, todas controladas por meio de servomovimento programado, em vez de cames mecânicos em equipamentos mais antigos.
As máquinas de enrolamento acionadas por came mais antigas dependem de cames físicos e batentes mecânicos para controlar o passo e o comprimento, o que significa que a alteração do design da mola requer a troca de ferramentas físicas. Uma máquina de molas CNC substitui a maioria desses cames mecânicos por servo-eixos programados de forma independente, portanto, alternar entre designs de molas - incluindo tipos totalmente diferentes, como passar de uma mola de compressão para uma mola de torção - é em grande parte uma questão de carregar um novo programa e ajustar as ferramentas, em vez de reconstruir a máquina. Essa flexibilidade é uma das principais razões pelas quais as molas de pequeno e médio volume se tornaram muito mais econômicas nas últimas duas décadas.
| Indústria | Tipos típicos de molas | Por que esse tipo |
|---|---|---|
| Automotivo | Compressão, torção, disco | As aplicações de válvulas e embreagens de alto ciclo necessitam de molas de compressão jateadas; molas de disco suportam alta carga em espaço axial curto |
| Móveis e eletrodomésticos | Compressão, extensão, força constante | Mecanismos reclináveis e corrediças de gaveta precisam de força consistente e de ciclo moderado com uma taxa plana ou ascendente suave |
| Eletrônicos e conectores | Onda, pequena compressão | A folga interna limitada favorece molas onduladas de baixo perfil para pré-carga de contato |
| Agricultura e equipamentos pesados | Compressão, torção | Molas de grande diâmetro e calibre pesado precisam sobreviver a cargas de choque em ambientes externos, favorecendo revestimentos resistentes à corrosão |
| Dispositivos médicos | Compressão, extensão, torção (miniatura) | O fio inoxidável é preferido para facilitar a limpeza, com tolerâncias restritas em diâmetros de fio muito pequenos |
A escolha do material da mola oferece maior resistência à corrosão, mas os revestimentos e acabamentos adicionam outra camada de proteção e também podem alterar a aparência da mola e as características de atrito.
A espessura do revestimento é mais importante do que pode parecer para molas de tolerância estreita, uma vez que mesmo uma fina camada de revestimento altera ligeiramente o diâmetro efetivo do fio e pode alterar a taxa da mola em molas muito pequenas. Para molas com tolerâncias de taxa restritas, o teste geralmente é feito após o revestimento, e não antes, de modo que os valores relatados reflitam a peça como ela realmente será instalada.
O espaçamento desigual da bobina geralmente se deve ao fio que não foi totalmente endireitado antes do enrolamento, aos rolos de alimentação desgastados que escorregaram na superfície do fio ou a uma ferramenta de passo que saiu da calibração. Em uma máquina de molas CNC, isso geralmente é detectado precocemente por meio da medição de passo em linha incorporada na própria estação de enrolamento.
A maioria das trincas por fadiga começa em um defeito superficial – um arranhão, um buraco causado pela corrosão ou uma concentração de tensão em uma curva ou gancho – e não no meio de uma bobina lisa. Melhorar o acabamento superficial, adicionar shot peening ou redesenhar um raio de gancho afiado são as soluções usuais quando um padrão de falha por fadiga é identificado.
O conjunto permanente descreve uma mola que não retorna mais ao seu comprimento livre original após ser desviada, geralmente porque foi tensionada além do limite elástico do material - muitas vezes por ser comprimida repetidamente até a altura sólida ou por operar em uma temperatura mais alta do que a liga do fio foi classificada. O alívio adequado da tensão após o enrolamento reduz o risco de pega, relaxando as tensões residuais de formação antes que a mola veja seu primeiro ciclo de trabalho.
Algumas variáveis tendem a determinar a maior parte da diferença de custo entre as cotações de primavera, independentemente do tipo que está sendo produzido.
Ao comparar cotações entre fornecedores, é útil perguntar especificamente como a carga e a taxa estão sendo verificadas – a maioria dos produtores respeitáveis testa uma amostra de cada lote de produção em um testador de deslocamento de força, em vez de confiar apenas nas verificações dimensionais, uma vez que duas molas podem medir de forma idêntica e ainda assim ter um desempenho diferente se a dureza do fio variar ligeiramente entre os lotes de fio.
A maneira mais rápida de definir um tipo de mola é perguntar em qual direção a força é aplicada e quanto espaço axial está disponível:
As molas de compressão são o tipo mais amplamente produzido, uma vez que uma força de retrocesso simples cobre a maior parte das aplicações mecânicas e de consumo, desde canetas até núcleos de colchões.
Uma mola de compressão resiste a ser comprimida e suas bobinas ficam separadas em repouso, enquanto uma mola de extensão resiste a ser esticada e suas bobinas ficam firmemente juntas em repouso, geralmente com extremidades em forma de gancho ou laço para montagem.
Sim. A maioria das modernas máquinas de molas CNC são reprogramadas em vez de reconstruídas mecanicamente para alternar entre compressão, extensão e formação de torção, uma vez que a diferença se resume a mudanças de ferramentas e parâmetros atualizados de enrolamento, passo e dobra no software de controle.
As curvas concentram a tensão muito mais do que uma bobina enrolada suavemente, portanto, os ganchos nas molas de extensão e as pernas nas molas de torção são normalmente o primeiro ponto de falha em ciclos repetidos, e é por isso que a geometria do gancho e da perna recebe tanta atenção no projeto quanto a própria bobina.
Na maioria dos casos de retrofit, sim - uma mola ondulada pode fornecer uma força comparável a uma mola de compressão helicoidal, ao mesmo tempo que ocupa cerca de um terço a metade da altura comprimida, e é por isso que são comuns em designs de rolamentos e conectores com espaço limitado.
O índice da mola é a relação entre o diâmetro da bobina e o diâmetro do fio. Um índice baixo significa uma mola firmemente enrolada com maior concentração de tensão na borda interna da bobina, enquanto um índice alto significa uma mola frouxamente enrolada que é mais fácil de formar, mas mais propensa a empenar e emaranhar - os projetos mais práticos permanecem em uma faixa intermediária para um equilíbrio entre capacidade de fabricação e desempenho.
Sim, para molas que sofrem cargas de alta tensão e de alto ciclo. A tensão residual compressiva introduzida na superfície do fio resiste à tensão de tração que inicia trincas por fadiga, razão pela qual o shot peening é uma prática padrão para aplicações exigentes, como molas de válvulas automotivas, embora acrescente uma etapa secundária do processo.
A dureza e o diâmetro do fio podem variar ligeiramente entre lotes de moinho, mesmo dentro de uma faixa de tolerância aceita, e é por isso que produtores consistentes testam uma amostra de cada lote em um testador de deslocamento de força, em vez de assumir que a conformidade dimensional por si só garante carga e taxa consistentes.
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