¿Qué son los resortes de disco (resortes Belleville)?

Unresorte de disco, también llamado resorte Belleville o arandela Belleville, es un anillo cónico de acero que genera una carga predecible cuando se comprime. La geometría es simple; el comportamiento, no. Ese pequeño cono explica su presencia en trenes de aterrizaje de aeronaves, paquetes de embrague automotrices, bridas de tuberías y actuadores de válvulas nucleares en todo el mundo.

Conceptos básicos: ¿qué es exactamente un resorte de disco?

Imagine una arandela plana y luego presione el centro hacia abajo hasta formar un cono poco pronunciado.

Ese cono, cargado a lo largo de su eje, almacena energía elástica del mismo modo que un resorte helicoidal, pero en una fracción de la altura.

Cuatro parámetros describen cada resorte de disco: diámetro exterior (De), diámetro interior (Di), altura libre (Lo) y espesor del material (t).

El parámetro de diseño más importante es la relación entre la altura libre del cono (ho) y el espesor (t), expresada como h/t.

Esa única relación determina si el resorte se comporta de forma rígida, flexible o casi constante bajo carga.

Los resortes de disco se rigen en todo el mundo por dos normas europeas.DIN EN 16983(anteriormente DIN 2093) abarca dimensiones, tolerancias y requisitos de calidad.DIN EN 16984(anteriormente DIN 2092) abarca los métodos de cálculo.

Ambas normas definen tres series, A, B y C, para cada diámetro exterior, y cada serie corresponde a un nivel de carga distinto.

Por ejemplo, un resorte designado como A50 es un resorte de la serie A con un diámetro exterior de 50 mm y el nivel de carga más alto para ese tamaño.

Cómo funcionan los muelles de disco

Al comprimir un muelle de disco a lo largo de su eje, el cono se aplana y, en ese proceso, almacena energía elástica.

La fuerza se transmite nuevamente de forma concéntrica.

Las trayectorias de carga y descarga no coinciden por completo. Esta diferencia, denominadahistéresis, se debe a la fricción interna del material y, en un paquete, a la fricción entre discos adyacentes; por ello, en cada ciclo se pierde una pequeña parte de la energía en lugar de recuperarse por completo.

Sin momento flector ni carga lateral: precisamente eso es lo que un muelle helicoidal nunca logra por completo, y por eso los muelles de disco destacan en uniones compactas y sometidas a cargas elevadas, donde un muelle helicoidal empujaría lateralmente y se agarrotaría.

La relación h/t es el parámetro que define por completo el comportamiento del muelle.

A medida que esa relación aumenta, la curva carga-deflexión se aleja de la linealidad y comienza a aplanarse.

Esta relación está ampliamente documentada en la literatura de ingeniería y queda confirmada en las referencias de diseño de muelles de disco:

Ese tramo de fuerza casi constante en la parte central del recorrido es la zona útil.

Los diseñadores aprovechan esa característica en embragues de sobrecarga y dispositivos de seguridad, donde el objetivo es mantener una fuerza estable mientras la unión se desplaza.

Esa es también la razón por la que unresortecon una relación h/t elevada necesita un eje guía o un casquillo guía.

Si no se apoya correctamente, puede atravesarse o volcar.

Apilamiento: en serie, en paralelo y combinado

La verdadera versatilidad de los resortes de disco proviene del apilamiento.

La combinación de resortes en distintas orientaciones genera curvas de carga-deflexión muy diferentes a partir de la misma pieza estándar.

La combinación de ambos métodos, con algunos resortes en paralelo y grupos de estos conectados en serie, permite a los ingenieros obtener casi cualquier curva de carga-deflexión a partir de una sola pieza estándar.

Esta es una de las principales razones por las que los resortes de disco son tan habituales en equipos de precisión: un solo anillo de catálogo puede configurarse para un amplio rango de requisitos de carga y recorrido sin necesidad de fabricar una pieza a medida.

Resortes de disco frente a resortes helicoidales: cuándo elegir cada uno

Entonces, ¿en qué casos conviene realmente optar por un resorte de disco en lugar de uno helicoidal?

Cuando el espacio es reducido y la carga es elevada, casi siempre.

Cuando se requiere un recorrido largo y uniforme, rara vez. Elegir el tipo incorrecto en este punto es una causa frecuente de fallas en servicio, por lo que conviene evaluar con rigor las concesiones entre ambas opciones.

La tabla siguiente resume los factores que normalmente determinan la elección.

Materiales y tratamientos superficiales

El material es uno de los puntos donde los buenos diseños suelen fallar sin ruido.

El acero base define al mismo tiempo el rango de temperatura, la resistencia a la corrosión y la vida a fatiga; por ello, una decisión tomada para ahorrar unos céntimos en la fleje puede manifestarse años después en forma de un muelle agrietado en un punto que nadie desea desmontar.

Acero al carbono y acero aleado, normalmente 51CrV4 según EN 10089, conserva su elasticidad en servicio continuo hasta aproximadamente 300°C, y algunos fabricantes lo especifican para valores superiores en exposiciones breves.

Para servicio corrosivo o criogénico hasta alrededor de −200°C, las opciones habituales son los aceros inoxidablesX12CrNi 17 7 (DIN 1.4310), utilizado hasta alrededor de 1.25 mm de espesor, yX7CrNiAl 17 7 (DIN 1.4568)para discos de mayor espesor, que los principales fabricantes clasifican por su excelente resistencia a la corrosión y su aptitud para servicio a alta temperatura, hasta alrededor de 600°C.

En las aplicaciones más exigentes de turbinas y generación de energía se recurre a aleaciones base níquel comoInconelyNimonic, que conservan sus propiedades elásticas a temperaturas en las que los aceros inoxidables estándar perderían tensión o resistencia.

El tratamiento superficial también es determinante.

Fosfatado y aceitees el acabado estándar, ya que proporciona una protección básica contra la corrosión y ayuda al muelle a retener el lubricante.

Granallado por impactoinduce tensiones residuales de compresión en la superficie, lo que reduce las tensiones de tracción que normalmente originan las grietas por fatiga.

Las guías de diseño del fabricante lo recomiendan específicamente para resortes sometidos a carga dinámica, en los que la vida a fatiga es prioritaria.

Aplicaciones de los resortes de disco

La principal ventaja del resorte de disco es su elevada fuerza en un espacio axial muy reducido.

Eso dificulta su sustitución en una clase concreta de problemas de ingeniería: limitación de espacio de montaje combinada con cargas elevadas y la necesidad de un comportamiento constante a lo largo de numerosos ciclos.

Los analistas señalan de forma consistente a los sectores de automoción, aeroespacial y maquinaria industrial como los mayores mercados de uso final, seguidos de cerca por petróleo y gas, generación de energía y construcción.

Selección del resorte de disco adecuado: marco práctico

No es posible seleccionar un resorte de disco directamente a partir de una tabla.

Comience por las necesidades reales de la unión —carga y recorrido— y, a partir de ahí, retroceda en el análisis hasta definir geometría, material y configuración de apilamiento.

Los cuatro pasos siguientes constituyen el orden que sigue la mayoría de los ingenieros.

Paso 1: Definir el rango de carga y deflexión

¿Cuál es la carga mínima que debe soportar la unión y cuál es el valor máximo que no debe superar?

¿Qué recorrido total necesita el sistema?

Esos valores condicionan todas las decisiones posteriores.

Una regla de diseño de uso extendido limita la deflexión de trabajo al 75% de la altura cónica libre (ho).

A partir de ese punto, la fuerza y la tensión aumentan de forma acusada, lo que reduce la vida a fatiga.

Paso 2: Elegir una estrategia de apilamiento

Si el factor limitante es la carga y existe recorrido disponible, apile en paralelo.

Si la carrera es el factor limitante, disponga el conjunto en serie.

Los conjuntos híbridos, es decir, grupos de discos en paralelo conectados en serie, resuelven aplicaciones en las que tanto la carga como la carrera superan lo que puede proporcionar un solo disco.

Mantenga los conjuntos lo más cortos posible. En conjuntos largos, la fricción provoca que los discos del extremo móvil se deformen en exceso, mientras que los del extremo opuesto se deforman insuficientemente.

Paso 3: Seleccione el material y el acabado

Ajuste el material a la temperatura de servicio, al ambiente corrosivo y a cualquier requisito magnético.

No recurra al acero al carbono únicamente porque su coste sea menor.

Un material inadecuado en una válvula submarina puede generar un coste de parada muy superior a la diferencia de precio entre distintos grados de acero para muelles.

Paso 4: Verifique conforme a la norma

La norma DIN EN 16984 establece el método de cálculo de carga y tensión, mientras que la DIN EN 16983 define las dimensiones y tolerancias.

En servicio de alto número de ciclos, el rango de tensión de trabajo debe mantenerse dentro del límite de fatiga del material, que los fabricantes publican en sus manuales de diseño mediante curvas S-N (tensión frente a número de ciclos).

Los muelles preasentados (scragged), comprimidos hasta quedar aplanados durante la fabricación para descartar las unidades que no recuperan su forma, ofrecen un comportamiento más predecible en servicio dinámico.

Normas y conformidad

En este ámbito rigen dos normas, y si ha consultado planos antiguos, seguirá reconociendo sus antecedentes alemanes.

Las normas DIN 2092 y DIN 2093 fueron retiradas el 1 February 2017 e integradas en las normas europeas indicadas a continuación.

El contenido técnico no cambió —solo varió el número de la portada—, por lo que una pieza especificada según la antigua DIN es la misma pieza bajo la nueva EN.

Los resortes conforme a DIN EN 16983 se clasifican según el método de fabricación, y dicha clasificación queda determinada por el espesor.

El Grupo 1 abarca discos de menos de 1.25 mm, conformados en frío con bordes redondeados y sin caras de contacto.

El Grupo 2 comprende espesores desde 1.25 mm hasta 6 mm inclusive, conformados en frío o bien troquelados de precisión y mecanizados.

El Grupo 3 abarca discos de más de 6 mm y hasta 14 mm, para los cuales la norma recomienda incorporar caras de contacto.

La clasificación es relevante porque las bandas de tolerancia difieren entre los grupos.

No es posible fabricar un disco del Grupo 3 con tolerancias del Grupo 1.

Función de las caras de contacto

Los discos del Grupo 3 (de espesor superior a 6 mm) se fabrican concaras de contacto: pequeñas superficies mecanizadas planas en el diámetro interior superior y el diámetro exterior inferior, donde los discos adyacentes realmente entran en contacto en un apilamiento.

Las caras planas mantienen alineados los discos durante el apilado, pero también reducen el brazo de palanca efectivo, lo que incrementa la fuerza del resorte. Para compensarlo, los fabricantes reducen ligeramente el espesor del material (hasta t'), con lo cual se recupera la fuerza original al 75% de deflexión y la altura total original, a costa de un ángulo cónico ligeramente mayor.

Preguntas frecuentes

¿Los resortes de disco y las arandelas Belleville son exactamente el mismo componente?

Sí. Se trata del mismo componente con distintas denominaciones. "Disc spring" es el término empleado en normas europeas como DIN EN 16983, mientras que "Belleville washer" o "Belleville spring" es la denominación habitual en Norteamérica, tomada del ingeniero francés Julien Belleville, quien patentó en 1867 el concepto de resorte cónico. Todas estas denominaciones se refieren a un anillo cónico cargado axialmente.

¿Por qué cambia la curva carga-deflexión con la relación h/t?

A medida que un resorte de disco se comprime hasta acercarse a la posición plana, el ángulo cónico disminuye y el brazo de palanca efectivo se acorta, lo que modifica la rigidez a lo largo de la carrera. Una relación h/t baja mantiene este efecto reducido, por lo que la curva permanece casi lineal. Una relación más alta hace que el efecto predomine, generando una curva regresiva y, en la zona media del rango, un tramo de fuerza casi constante. Se trata de una cuestión geométrica, no de elección de material; por ello, un mismo acero puede ofrecer curvas muy distintas según la relación h/t.

¿Cuántos resortes de disco pueden apilarse conjuntamente?

No existe un límite fijo, pero son los factores prácticos los que establecen el máximo. Los apilamientos paralelos largos requieren un eje guía interno o una camisa exterior para evitar el pandeo, y la fricción entre discos aumenta con la altura del apilamiento, lo que reduce la precisión de la carga. Muchos diseñadores incorporan separadores entre discos en apilamientos largos y mantienen la menor longitud posible compatible con los requisitos de carga y carrera, ya que los apilamientos más cortos se deflectan de forma más uniforme bajo carga dinámica.

¿Qué provoca la falla prematura de un resorte de disco?

Las cuatro causas más frecuentes son superar la recomendación del 75% de deflexión en servicio dinámico, seleccionar un material inadecuado para la temperatura o el entorno químico, hacer trabajar un conjunto apilado sin lubricación, de modo que se produzcan gripados en las superficies de contacto, y comprimir el resorte hasta dejarlo plano durante la instalación, lo que lo deforma plásticamente y desplaza de forma permanente su curva de carga. Nunca debe aplanarse un resorte por par de apriete como método de montaje.

¿Qué son las superficies de contacto planas y por qué algunos resortes de disco las incorporan?

Las superficies de contacto planas son pequeñas zonas mecanizadas en el diámetro interior superior y en el diámetro exterior inferior de un resorte de disco, exigidas por la norma DIN EN 16983 para los discos del Grupo 3 (espesor de material superior a 6 mm). Proporcionan a los discos apilados un punto de contacto estable y alineado, en lugar de un borde vivo. Como las superficies planas acortan el brazo de palanca efectivo, incrementan la fuerza del resorte para una deflexión determinada; los fabricantes compensan este efecto reduciendo ligeramente el espesor (hasta t'), con lo que se mantiene la fuerza al 75% de deflexión y la altura total sin cambios, aunque el ángulo cónico aumenta ligeramente.

¿Pueden utilizarse resortes de disco por encima de 300°C?

Sí, siempre que se seleccione el material adecuado. Los aceros al carbono y aleados estándar, como 51CrV4, conservan sus propiedades elásticas para servicio continuo hasta aproximadamente 300°C. Para temperaturas más elevadas, se prefieren los aceros inoxidables endurecibles por precipitación, como X7CrNiAl 17 7 (DIN 1.4568), que los principales fabricantes clasifican hasta alrededor de 600°C. Las aplicaciones más exigentes en turbinas y generación de energía recurren a aleaciones base níquel, como Inconel y Nimonic. A alta temperatura, la relajación, es decir, la pérdida gradual de carga bajo compresión sostenida, se acelera y debe incorporarse al margen de diseño.

¿Cómo se calcula la carga de un apilamiento de resortes de disco?

La relación carga-deflexión de un resorte individual se obtiene a partir de las fórmulas de la DIN EN 16984, que emplean el diámetro exterior, el diámetro interior, la altura cónica, el espesor y el módulo elástico del material. En un apilamiento en paralelo, la carga total es aproximadamente la carga de un solo resorte multiplicada por el número de discos. En un apilamiento en serie, la deflexión total es la deflexión de un solo resorte multiplicada por el número de discos a la misma carga. La mayoría de los fabricantes ofrecen calculadoras basadas en estas fórmulas, y el software de elementos finitos (FEA) puede validar apilamientos híbridos complejos.

Referencias y lecturas complementarias:Wikipedia,arandela Belleville· Norma DIN EN 16983, disponible a través deBeuth Verlag· Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos,Sistema guía para resorte Belleville (US8366082B2)

Este artículo está dirigido a profesionales de ingeniería y compras. Verifique siempre la selección del resorte frente a las normas completas DIN EN 16983 y DIN EN 16984, y consulte a un ingeniero cualificado para aplicaciones críticas de seguridad.