Muelles de fuerza alta
Curva casi lineal.
DIN 2093
DIN EN 16983
Especificaciones de fabricación y calidad de los muelles de platillo: dimensiones, materiales admitidos, procesos según espesor, tolerancias y comportamiento bajo relajación y fatiga.
La norma clasifica las piezas en tres grupos por espesor (Grupo 1: < 1,25 mm · Grupo 2: 1,25 — 6 mm · Grupo 3: > 6 mm hasta 14 mm) y en tres series por la relación h₀/t (Serie A, B y C) que define la forma de la curva fuerza-deflexión.
DIN 2093 es la designación histórica alemana; DIN EN 16983 es su versión europea armonizada. Ambas se utilizan indistintamente. La norma complementaria DIN 2092 / DIN EN 16984 cubre los métodos de cálculo.
01
Ámbito de aplicación de la norma
La norma se aplica a muelles de platillo —arandelas cónicas con propiedades elásticas— destinados a generar una fuerza axial bajo compresión. Las piezas cubiertas están diseñadas para trabajar tanto en aplicaciones estáticas (precarga permanente) como dinámicas (ciclos repetidos de carga y descarga).
Esto la diferencia de normas como DIN 6796, que cubre arandelas cónicas concebidas exclusivamente para carga estática en uniones atornilladas.
02
Clasificación por grupos según el espesor
La norma establece tres grupos en función del espesor del material (t). El espesor condiciona directamente el método de fabricación, la necesidad de superficies de apoyo y las tolerancias aplicables.
La asignación a uno u otro grupo determina el procedimiento de producción y, en consecuencia, los acabados superficiales mínimos exigidos.
| Grupo | Espesor (t) | Sup. apoyo | Fabricación |
|---|---|---|---|
| Grupo 1 | t < 1,25 mm | No | Estampación + cantos redondeados |
| Grupo 2 | 1,25 mm ≤ t ≤ 6 mm | No | Estampación + mecanizado De/Di · alt. fine-blanking |
| Grupo 3 | 6 mm < t ≤ 14 mm | Sí · obligatorias | Forja en caliente/frío + mecanizado integral |
03
Series A · B · C según la relación h₀/t
Además de la clasificación por grupos (que depende del espesor absoluto), la norma distingue tres series según la relación h₀/t — la altura libre cónica (h₀) dividida entre el espesor (t) —, que es la que gobierna la forma de la curva fuerza-deflexión del muelle.
Para cada diámetro exterior normalizado existen versiones de distintas series que cubren distintos niveles de fuerza y recorrido. Por este motivo es habitual referirse a estos muelles indicando la letra de serie seguida del diámetro (p. ej. A-50, B-71, C-100).
La norma admite también la fabricación de muelles con espesores intermedios que, cumpliendo el resto de requisitos, no corresponden estrictamente a ninguna de las tres series.
Cómo se calcula la serie (h₀/t)
h₀ = altura libre cónica = l₀ − t (altura libre total menos el espesor). Por tanto h₀/t = (l₀ − t) / t.
Ejemplo — muelle 50 × 25,4 × 2,5 × 3,9 mm (De × Di × t × l₀): h₀ = 3,9 − 2,5 = 1,4 mm; h₀/t = 1,4 / 2,5 = 0,56 → Serie B.
Rangos exactos: Serie A h₀/t ≤ 0,4 · Serie B 0,4 < h₀/t ≤ 0,75 · Serie C 0,75 < h₀/t ≤ 1,3. La relación De/t (≈ 18 · 28 · 40 para A · B · C) es una proporción típica correlacionada, no el criterio que define la serie.
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04
Materiales admitidos según DIN 2093 / DIN EN 16983
La norma especifica los aceros de muelle aptos para la fabricación, indicando su designación normalizada DIN y su módulo de elasticidad. El material estándar es acero al cromo-vanadio 51CrV4 con un módulo de elasticidad de 206 000 N/mm².
Para entornos corrosivos o de alta temperatura la norma admite el uso de aceros inoxidables (1.4310, 1.4568, 1.4571) y aleaciones de níquel (Inconel 718, Nimonic 90), con la advertencia de que su módulo de elasticidad difiere y la curva fuerza-desplazamiento debe recalcularse.
| Designación | Norma DIN / nº | Tipo | Aplicación habitual | Módulo E |
|---|---|---|---|---|
| 51CrV4 | DIN 17222 · 1.8159 | Acero al cromo-vanadio | Estándar — todos los grupos | 206.000 N/mm² |
| 51CrMoV4 | DIN 17221 | CrMo-vanadio | Estándar — todos los grupos | 206.000 N/mm² |
| CK67 | DIN 1.1231 | Acero al carbono | Solo Grupo 1 | 206.000 N/mm² |
| CK75 | DIN 1.1248 | Acero al carbono | Solo Grupo 1 | 206.000 N/mm² |
| X10CrNi18-8 | 1.4310 | Inoxidable austenítico | Entornos corrosivos | — recalcular |
| X7CrNiAl17-7 | 1.4568 | Inoxidable martensítico | Corrosión + carga | — recalcular |
| X6CrNiMoTi17-12-2 | 1.4571 | Inoxidable Mo-Ti | Corrosión severa | — recalcular |
| Inconel 718 | 2.4668 | Aleación de níquel | Alta temperatura | — recalcular |
| Nimonic 90 | — | Aleación Ni-Cr-Co | Alta temperatura severa | — recalcular |
05
Procesos de fabricación por grupo
La norma asigna a cada grupo el proceso de fabricación que debe emplearse y los acabados superficiales mínimos (rugosidad Ra) de las distintas zonas de la pieza.
| Grupo | Fabricación | Ra caras sup. / inf. | Ra lados int. / ext. |
|---|---|---|---|
| 1 | Estampación + cantos redondeados | < 3,2 µm | < 12,5 µm |
| 2 | Estampación + mecanizado de De/Di + cantos redondeados | < 6,3 µm | < 6,3 µm |
| 2* | Fine-blanked + cantos redondeados (alternativa) | < 6,3 µm | < 3,2 µm |
| 3 | Forja en caliente/frío + mecanizado integral + cantos redondeados | < 12,5 µm | < 12,5 µm |
Los acabados superficiales no se exigen en piezas sometidas a shot peening (granallado de tensiones), proceso reconocido como mejora de la resistencia a fatiga.
Tras la conformación, todas las piezas se someten a temple y revenido hasta alcanzar la dureza HRC especificada, y a un proceso de pre-setting (aplanado controlado) para estabilizar la geometría y descartar piezas que no recuperan correctamente su altura libre.
06
Tolerancias dimensionales y de fuerza
La norma define tolerancias diferenciadas por grupo y, dentro de cada grupo, por rangos de espesor. Las tolerancias regulan tanto las cotas geométricas como la fuerza al 75 % del recorrido y la dureza del material.
| Grupo | Espesor (mm) | Tol. espesor (mm) | Tol. altura l₀ (mm) | Tol. fuerza al 75 % h₀ | Dureza (HRC) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0,2 — 0,6 | +0,02 / −0,06 | +0,10 / −0,05 | +25 % / −7,5 % | 42 — 52 |
| 1 | > 0,6 — < 1,25 | +0,03 / −0,09 | +0,10 / −0,05 | +25 % / −7,5 % | 42 — 52 |
| 2 | 1,25 — 2,0 | +0,04 / −0,12 | +0,15 / −0,08 | +15 % / −7,5 % | 42 — 52 |
| 2 | > 2,0 — 3,0 | +0,04 / −0,12 | +0,20 / −0,10 | +15 % / −7,5 % | 42 — 52 |
| 2 | > 3,0 — 3,8 | +0,04 / −0,12 | +0,30 / −0,15 | +10 % / −5 % | 42 — 52 |
| 2 | > 3,8 — 6,0 | +0,05 / −0,15 | +0,30 / −0,15 | +10 % / −5 % | 42 — 52 |
| 3 | > 6,0 — 14 | ± 0,10 | ± 0,30 | ± 5 % | 42 — 52 |
Tabla · Tolerancias diametrales (h12)
| Rango (mm) | De — tol. | Di — tol. |
|---|---|---|
| 3 — 6 | 0 / −0,12 | 0 / +0,12 |
| > 6 — 10 | 0 / −0,15 | 0 / +0,15 |
| > 10 — 18 | 0 / −0,18 | 0 / +0,18 |
| > 18 — 30 | 0 / −0,21 | 0 / +0,21 |
| > 30 — 50 | 0 / −0,25 | 0 / +0,25 |
| > 50 — 80 | 0 / −0,30 | 0 / +0,30 |
| > 80 — 120 | 0 / −0,35 | 0 / +0,35 |
| > 120 — 180 | 0 / −0,40 | 0 / +0,40 |
| > 180 — 250 | 0 / −0,46 | 0 / +0,46 |
| > 250 — 315 | 0 / −0,52 | 0 / +0,52 |
| > 315 — 400 | 0 / −0,57 | 0 / +0,57 |
| > 400 — 500 | 0 / −0,63 | 0 / +0,63 |
| > 500 — 600 | 0 / −0,68 | 0 / +0,68 |
F(0,75 h₀) · fuerza nominal de catálogo. Por convención, la norma fija las tolerancias de fuerza en el punto correspondiente al 75 % de la deflexión máxima.
07
Tolerancias de guiado
La norma regula el huelgo admisible entre la pieza y el elemento de guiado (eje interior o casquillo exterior). Las superficies de guiado deben estar pulidas y endurecidas a un mínimo de 55 HRC en al menos 0,80 mm de profundidad.
El guiado más común se realiza a través del diámetro interno mediante un eje. También puede realizarse un guiado externo mediante un casquillo. En apilamientos largos puede ser necesario introducir discos separadores que eviten el efecto de pandeo. Es imprescindible una correcta lubricación.
Tabla · Huelgo máximo de guiado
| Ø guiado (mm) | Huelgo máx. (mm) |
|---|---|
| Hasta 16 | 0,2 |
| > 16 — 20 | 0,3 |
| > 20 — 26 | 0,4 |
| > 26 — 31,5 | 0,5 |
| > 31,5 — 50 | 0,6 |
| > 50 — 80 | 0,8 |
| > 80 — 140 | 1,0 |
| > 140 — 250 | 1,6 |
08
Relajación y fatiga según la norma
— Concepto A
Relajación
Pérdida progresiva de fuerza bajo carga constante a temperatura definida. La norma fija valores máximos admisibles de relajación a 20 °C, 80 °C y 100 °C tras un tiempo de exposición normalizado.
Como referencia práctica, un apilamiento estabilizado pierde alrededor del 5 % de fuerza en las dos primeras semanas de servicio. A partir de ahí debe estabilizarse, siendo despreciable la pérdida posterior.
— Concepto B
Fatiga
Número mínimo de ciclos que el muelle debe soportar para una variación de tensiones determinada, sin presentar fisuras detectables. La norma incluye los diagramas de Goodman correspondientes para distintos grupos y materiales.
Ambos comportamientos justifican el proceso obligatorio de pre-setting y, en piezas sometidas a alta carga dinámica, el shot peening como tratamiento mecánico de refuerzo superficial.
09
Aplicaciones industriales reguladas por la norma
Los muelles de platillo fabricados según DIN 2093 / DIN EN 16983 se emplean en aplicaciones donde se requiere fuerza axial elevada en espacio reducido, con curva de respuesta predecible y reproducible.
Automoción y maquinaria pesada
Precarga de rodamientos, embragues, válvulas de seguridad, actuadores hidráulicos.
Petróleo y gas
Juntas de bridas, cierre de válvulas de alta presión, conexiones críticas con presión variable.
Energía y generación
Turbinas de vapor y gas, compensadores de dilatación térmica en tuberías de vapor.
Máquina herramienta y prensas
Sujeción de utillaje, sistemas de embrague de prensas, precarga de husillos.
Construcción e infraestructuras
Apoyos pretensados, amortiguadores de vibración, anclajes activos.
Industria química y farmacéutica
Bridas con presión constante en tuberías sometidas a ciclos térmicos.
10
Preguntas frecuentes
01 ¿Cuál es la diferencia entre DIN 2093 y DIN EN 16983?
Son la misma norma. DIN 2093 es la designación histórica alemana publicada por el DIN (Deutsches Institut für Normung); DIN EN 16983 es la designación armonizada a nivel europeo, con contenido técnicamente equivalente. Es habitual encontrar ambas designaciones en planos, pedidos y catálogos. Cualquier muelle de platillo conforme a DIN 2093 cumple igualmente con DIN EN 16983.
02 ¿Qué diferencia hay entre DIN 2093 y DIN 2092?
DIN 2093 / DIN EN 16983 regula las características de fabricación y calidad del muelle de platillo: dimensiones, materiales, tolerancias, procesos. DIN 2092 / DIN EN 16984 es la norma de cálculo: define los métodos para calcular fuerza, recorrido, tensiones y vida útil bajo distintos modos de carga y apilamiento. En la práctica, el ingeniero usa DIN 2092 para dimensionar la solución y DIN 2093 para especificar la pieza concreta a comprar o fabricar.
03 ¿Qué diferencia hay entre los muelles de platillo DIN 2093 y las arandelas DIN 6796?
DIN 2093 / DIN EN 16983 cubre muelles de platillo de uso técnico: piezas con curva fuerza-desplazamiento calculable, aptas para carga estática y dinámica, normalizadas en tres series (A/B/C) y diseñadas para apilarse. DIN 6796 cubre arandelas cónicas de presión para uniones atornilladas: pieza única por unión, dimensionada al 70–90 % del apriete de un tornillo clase 8.8 o 10.9, exclusivamente carga estática. Regla práctica: si la unión es un tornillo y hay vibración o ciclos térmicos, DIN 6796; si se diseña un sistema con muelle de platillo cuya fuerza y recorrido se calculan, DIN 2093.
04 ¿Por qué la norma exige superficies de apoyo a partir de 6 mm de espesor?
En muelles de Grupo 3 (t > 6 mm) la fuerza axial generada es muy alta y la huella de contacto con las piezas adyacentes (eje, casquillo, otra arandela en apilamiento) sería puntual sobre el canto vivo. Esto provocaría desgaste, daño superficial y dispersión de la fuerza efectiva. Las superficies de apoyo —pequeños rebajes mecanizados en los cantos interior y exterior— distribuyen la carga sobre una superficie definida, mejoran la repetitividad y permiten el contacto cara-cara entre arandelas apiladas. La norma compensa el efecto geométrico de estas superficies introduciendo un espesor reducido t' en los cálculos.
05 ¿Se pueden fabricar muelles DIN 2093 fuera de las medidas y materiales normalizados?
Sí. La norma admite explícitamente la fabricación de muelles con espesores intermedios que no corresponden estrictamente a las series A/B/C, siempre que se respeten el resto de requisitos (tolerancias, dureza, acabados, ensayos de relajación y fatiga). También se admiten materiales fuera del listado estándar (Inconel, Nimonic, otros aceros especiales) cuando la aplicación lo justifica, con la advertencia de recalcular la curva F/s para el módulo de elasticidad del material elegido. Surisa fabrica este tipo de muelles especiales bajo plano cliente.
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