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Autor:editor do site Publicar Time: 2025-01-20 Origem:alimentado
Ao projetar juntas, planejar a pré-carga mínima esperada gerada pelos parafusos pode efetivamente evitar o risco de afrouxamento. Se você não usar um “fator de segurança” e, em vez disso, projetar com base em uma pré-carga média, muitos parafusos provavelmente se soltarão. Você também precisa levar em consideração a perda de pré-carga devido ao embutimento, que geralmente ocorre nas roscas e abaixo da superfície de contato entre a cabeça do parafuso e a porca quando a superfície de contato assenta.
Na verdade, os fixadores roscados desempenham um papel fundamental em qualquer produto de engenharia, não importa quão complexo seja. Uma vantagem importante dos fixadores roscados em relação à maioria dos outros métodos de conexão é que eles são removíveis e reutilizáveis. Esse recurso costuma ser um motivo importante pelo qual os fixadores roscados se destacam e são preferidos a outros métodos de conexão. Freqüentemente, desempenham um papel vital na manutenção da integridade estrutural do produto. No entanto, não deve ser esquecido que os fixadores roscados também são frequentemente uma importante fonte de problemas em máquinas e outros componentes. Isso ocorre em parte porque eles podem se soltar inadvertidamente.
O afrouxamento automático de fixadores roscados tem sido um fenômeno desde o início da Revolução Industrial. Os inventores passaram os últimos 150 anos à procura de soluções eficazes para prevenir este fenómeno. Muitos métodos comuns de travamento de fixadores com rosca foram inventados há mais de 100 anos. No entanto, só recentemente foram compreendidos os principais mecanismos que levam ao auto-afrouxamento. Na verdade, existem muitos mecanismos diferentes que levam ao afrouxamento dos fixadores roscados, que podem ser divididos em duas categorias: afrouxamento rotacional e afrouxamento não rotacional.
Na grande maioria das aplicações, os fixadores roscados são apertados para aplicar pré-carga à junta. O afrouxamento pode ser definido como a perda subsequente de pré-carga após a conclusão do processo de aperto. Isso pode ocorrer de duas maneiras. O afrouxamento rotacional, muitas vezes chamado de autoafrouxamento, ocorre quando o fixador gira sob carga externa. O afrouxamento não rotacional ocorre quando não há movimento relativo entre as roscas internas e externas, mas ocorre uma perda de pré-carga.
O afrouxamento não rotacional pode ocorrer devido à deformação do próprio fixador ou da junta após a montagem. Isto pode ser o resultado do colapso plástico parcial destas interfaces.
Quando duas superfícies entram em contato uma com a outra, as asperezas em cada superfície carregam uma carga de apoio. Como a área de contato real pode ser significativamente menor que a área aparente, mesmo com cargas moderadas, as asperezas são maiores que a resistência ao escoamento do material.
Isto faz com que as superfícies desmoronem parcialmente após a conclusão da operação de aperto. Esta dobragem é muitas vezes referida como incorporação. A quantidade de força de fixação perdida devido ao encaixe depende da rigidez do parafuso e da junta, do número de interfaces de parafuso presentes na junta, da rugosidade da superfície e das tensões de apoio aplicadas. Sob condições de tensão superficial moderada, o colapso inicial normalmente resulta na perda de cerca de 1% a 5% da força de fixação nos primeiros segundos após o aperto da junta. Quando a junta é subsequentemente submetida a cargas dinâmicas provenientes de forças aplicadas, há uma redução adicional devido às mudanças de pressão que ocorrem nas interfaces da junta.
O afrouxamento devido à perda de incorporação é problemático em juntas que incluem várias superfícies de contato finas e um pequeno comprimento de fixação do parafuso. Se a tensão de apoio superficial for mantida abaixo da resistência ao escoamento à compressão do material da junta, a quantidade de perda de incorporação pode ser calculada e a junta pode ser projetada para compensar esta perda.
Gerhard Junker publicou um artigo técnico em 1969 ('A New Standard for Self-Loosening of Fasteners Under Vibration' SAE Paper 690055, 1969) apresentando os resultados do trabalho de teste que ele havia feito para apoiar sua teoria sobre por que os fixadores roscados se afrouxam automaticamente . Sua principal descoberta: fixadores pré-tensionados podem se soltar por rotação assim que ocorre movimento relativo entre as roscas correspondentes e entre a superfície de apoio do fixador e o material fixado. Junker descobriu que as cargas dinâmicas transversais produzem condições de auto-afrouxamento que são muito mais severas do que as cargas axiais dinâmicas. A razão para isto é que o movimento radial sob cargas axiais é significativamente menor do que o movimento radial sob cargas transversais.
Junker mostrou que fixadores pré-tensionados podem se afrouxar automaticamente quando ocorre movimento relativo entre as roscas correspondentes e a superfície de apoio do fixador. Este movimento relativo ocorre quando as forças transversais que atuam na junta são maiores que a resistência ao atrito criada pela pré-carga do parafuso. Para pequenos deslocamentos transversais, pode ocorrer movimento relativo entre os flancos da rosca e as superfícies de contato na área do rolamento. Uma vez superada a folga da rosca, o parafuso estará sujeito a forças de flexão e, se o deslizamento lateral continuar, a superfície de apoio da cabeça do parafuso irá escorregar. Uma vez iniciado, as roscas e a cabeça do parafuso ficarão temporariamente livres de atrito. O torque de fechamento interno presente devido à pré-carga atuando no ângulo da hélice da rosca cria uma rotação correlacionada entre a porca e o parafuso.
Sob repetidos movimentos laterais, este mecanismo pode afrouxar completamente o fixador. Para investigar as causas do afrouxamento, a Junker desenvolveu uma máquina de testes, a chamada “máquina Junker”, que quantificará a eficácia das propriedades anti-afrouxamento do projeto do fixador.
Os rolamentos de rolos são usados para eliminar os efeitos do atrito entre a placa móvel e a placa fixa. As células de carga podem monitorar continuamente a carga do parafuso enquanto o movimento lateral é aplicado à placa móvel na qual a porca está fixada. Esta é uma grande vantagem em relação aos padrões de teste de impacto, pois a perda de pré-carga pode ser medida durante o teste e representada graficamente como uma função da pré-carga versus período. A ideia por trás da máquina Junker é que o deslocamento lateral criado pelo came provoque uma ação de balanço no fixador. Superar o atrito no fixador cria uma ação de autoafrouxamento.
Testes como o teste Junker (detalhes do teste na especificação DIN 65151) permitem comparar o desempenho de vários designs de fixadores com o autoafrouxamento. Nas últimas duas décadas, muito trabalho foi feito para investigar projetos de fixadores existentes, a fim de compará-los com o afrouxamento por vibração. Para fazer uma comparação válida, é essencial que seja utilizada a mesma amplitude, pois isso tem um impacto significativo nos resultados. Os resultados de testes típicos para uma arruela de pressão helicoidal são mostrados aqui.
Alguns testes mostraram que colocar uma arruela de pressão helicoidal sob a cabeça do parafuso pode acelerar o afrouxamento, outros testes mostraram que o uso de tal arruela proporciona desempenho semelhante ao uso de um parafuso sem qualquer dispositivo de travamento. Muitos grandes fabricantes OEM estão cientes dessas descobertas e não especificam mais essas arruelas em seus padrões internos. No entanto, a julgar pelo uso contínuo destas anilhas, muitas organizações parecem desconhecer estas conclusões.
Muitos dispositivos de travamento para fixadores roscados baseiam-se na prevenção do movimento relativo da rosca entre as roscas do parafuso e da porca (como nas porcas de inserção de náilon) ou na prevenção do movimento da porca em relação à junta (como nos vários tipos de arruelas de 'trava' ). No entanto, Junker e outros pesquisadores posteriores apontaram a importância de prevenir o movimento articular lateral. As juntas aparafusadas são projetadas de modo que a força de fixação dos parafusos seja suficiente para evitar o movimento lateral causado pelo atrito entre as placas da junta e evitar o afrouxamento. Isto pode ser conseguido na fase de projeto, selecionando o tamanho e a resistência do fixador, de modo que a pré-carga possa gerar atrito suficiente para evitar que cargas externas causem movimento da junta.
Em relação ao fenômeno de afrouxamento automático em fixadores roscados, acredita-se geralmente que o movimento da junta, especialmente o deslizamento lateral entre as roscas do parafuso e a superfície do rolamento, é a causa principal, e a vibração não é o fator mais crítico. Se for possível obter pré-carga suficiente do parafuso para manter a junta estacionária, então não há necessidade de dispositivos de travamento adicionais porque o atrito é suficiente para manter as peças firmemente unidas. Ao projetar com fixadores roscados, a questão principal é garantir que a pré-carga seja suficiente para manter as peças firmemente no lugar, mesmo diante de mudanças nas condições de atrito. A figura abaixo mostra o efeito das alterações de atrito na pré-carga do parafuso. Normalmente, as especificações de aperto definem uma faixa de torque para atender aos requisitos de montagem da junta, levando em consideração a economia. Levando em consideração esta faixa de torque, bem como os possíveis torques principais (com limites máximo e mínimo), pode-se traçar um diagrama mostrando a variação da pré-carga devido às diferentes especificações de montagem. Projetar a junta de acordo com a pré-carga mínima esperada gerada pelos parafusos elimina efetivamente o risco de afrouxamento. Por outro lado, se o “fator de segurança” não for aplicado e o projeto for baseado na pré-carga média, muitos parafusos provavelmente se soltarão. Além disso, deve-se levar em conta a perda de pré-carga devido ao embutimento na área roscada e sob a cabeça do parafuso e a face da porca quando a superfície de contato assenta. Para controlar o encaixe, é necessário garantir que as tensões de rolamento na face da porca, na cabeça do parafuso e no interior da junta estejam sempre dentro da faixa máxima de tensão de rolamento permitida pelos materiais fixados. Em alguns casos onde o movimento da junta não pode ser evitado, como o movimento da junta causado pela expansão térmica, devem ser utilizados dispositivos de travamento confiáveis.
