Projeto de Sistemas Mecânicos: Parafusos, Porcas e Arruelas

Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS UNIÕES PARAFUSADAS 1 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Parafusos A união por elementos roscados permite a montagem e a desmontagem dos componentes quando necessário Existe uma grande variedade de tipos de elementos roscados porém todos possuem uma parte comum que é a rosca No caso do parafuso por exemplo o corpo pode ser cilíndrico ou cônico totalmente roscado ou parcialmente roscado A cabeça pode apresentar vários formatos porém há parafusos sem cabeça 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Parafuso de cabeça hexagonal sextavada Em geral esse tipo de parafuso é utilizado em uniões que necessitam de um forte aperto sendo este realizado com auxílio de chave de boca ou de estria Este parafuso pode ser usado com ou sem porca Quando usado sem porca a rosca é feita na peça 3 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Parafusos com fenda Muito empregado em montagens que não sofrem grandes esforços e onde a cabeça do parafuso não pode exceder a superfície da peça São fabricados em aço aço inoxidável cobre latão etc fenda de cabeça troncocônica escareada fenda de cabeça redonda fenda de cabeça escareada abaulada fenda de cabeça cilíndrica soberbos aplicáveis em madeira polímeros e afins 4 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Parafuso prisioneiro São parafusos roscados em ambas as extremidades utilizados quando necessitase montar e desmontar frequentemente Em tais situações o uso de outros tipos de parafusos poderia danificar a rosca dos furos Parafuso cabeça cilíndrica com sextavado interno Allen Utilizado em uniões que exigem bom aperto em locais onde o manuseio de ferramentas é difícil devido a falta de espaço São normalmente fabricados em aço e tratados termicamente para aumentar sua resistência a torção 5 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Montagens de parafusos Parafusos passantes Esses parafusos atravessam de lado a lado as peças a serem unidas passando livremente nos furos Dependendo do serviço esses parafusos além das porcas utilizam arruelas e contraporcas como acessórios Os parafusos passantes apresentamse com cabeça ou sem cabeça 6 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Montagens de parafusos Parafusos não passantes São parafusos que não utilizam porcas O papel de porca é desempenhado pelo furo roscado feito numa das peças a serem unidas Parafusos de travamento São usados para evitar o movimento relativo entre duas peças que tendem a deslizar entre si 7 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Materiais para parafusos Os parafusos são fabricados em aço aço inoxidável ou ligas de cobre e mais raramente de outros materiais O material além de satisfazer as condições de resistência deve também apresentar propriedades compatíveis com o processo de fabricação que pode ser a usinagem em tornos e roscadeiras ou por conformação como forjamento ou laminação roscas roladas A norma ABNT EB 168 estabelece as características mecânicas e as prescrições de ensaio de parafuso e peças roscadas similares com rosca ISO de diâmetro até 39 mm de qualquer forma geométrica e de açocarbono ou aço liga Agrupa os parafusos em classes de propriedades mecânicas levando em consideração os valores de resistência a tração da tensão de escoamento e do alongamento Cada classe é designada por dois nºs separados por um ponto O primeiro nº corresponde a um décimo do valor em kgfmm² do limite de resistência a tração mínima exigida na classe o segundo nº corresponde a um décimo da relação percentual entre a tensão de escoamento e a de resistência a tração sendo estes os valores mínimos exigidos 8 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Acessórios Porcas Porca é uma peça de forma prismática ou cilíndrica geralmente metálica com um furo roscado no qual se encaixa um parafuso ou uma barra roscada Em conjunto com um parafuso a porca é um acessório amplamente utilizado na união de peças A porca está sempre ligada a um parafuso A parte externa tem vários formatos para atender a diversos tipos de aplicação Assim existem porcas que servem tanto como elementos de fixação como de transmissão 9 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Acessórios 10 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Acessórios Arruelas Elemento de fixação responsável pela distribuição uniforme da força de aperto de parafusos e em alguns casos garantir que o mesmo não se solte devido ao efeito de vibrações agindo desta forma como elemento de trava 11 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Acessórios 12 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Acessórios 13 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Roscas A rosca é formada por um ou mais filetes em forma de hélice Podemos definir a hélice como sendo uma curva descrita num cilindro através de um ponto animado de dois movimentos uniformes Movimento de rotação em torno do eixo do cilindro Movimento de translação paralelo ao eixo do cilindro Podemos resumir as propriedades de uma rosca da seguinte maneira A qualquer instante as distâncias percorridas em rotação e translação são proporcionais Duas roscas tendo os mesmos avanços sentido de giro e diâmetro podem coincidir e correr uma sobre a outra girando no cilindro gerador 14 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS O Ø de flanco ou Ø primitivo dp Dp de uma rosca cilíndrica é o Ø de um cilindro coaxial imaginário que intercepta a superfície da rosca de tal forma que a distância em uma geratriz do cilindro entre os pontos onde esta encontra os flancos opostos do vão da rosca é igual a metade do passo da rosca O Ø maior d D de uma rosca é o Ø de um cilindro coaxial imaginário que toca a crista de uma rosca externa ou a raiz de uma rosca interna O Ø menor ou Ø de raiz para roscas externas dr Dr é o Ø de um cilindro que tangencia a raiz de uma rosca externa A crista de uma rosca é a parte proeminente de uma rosca tanto interna como externa A raiz é o fundo do sulco entre de dois flancos de uma rosca tanto interna como externa Os flancos de uma rosca são as superfícies que unem a crista e a raiz O ângulo do filete α é o ângulo entre os flancos medido num plano axial O passo P de uma rosca é uma distância medida paralelamente ao seu eixo entre pontos correspondentes em perfis de filetes adjacentes no mesmo plano axial 15 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Roscas Diâmetro Maior Diâmetro Primitivo Diâmetro Menor Passo p Raiz Crista Chanfro Ângulo de filete 2a 16 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Classificação das roscas Podemos classificar as roscas de quatro maneiras Pela forma do perfil Triangulares de diferentes ângulos Quadradas e retangulares 17 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Classificação das roscas Trapezoidais de diferentes ângulos Rosca Acme 2a 29º Arredondadas e circulares 18 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Classificação das roscas Pelo sentido da hélice Pelo número de hélices independentes e paralelas Rosca simples de uma entrada Rosca múltipla de duas ou mais entradas Pela localização da rosca na peça Roscas externas parafusos e fusos Roscas internas porcas Rosca direita Rosca esquerda 19 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Classificação das roscas Número de Entradas Parafusos que dispõem de roscas com mais de uma entrada tem seu avanço l igual ao produto do passo p pelo número de entradas de rosca 1 entrada 2 entradas 3 entradas L n p L L L 20 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Rosca Métrica ISO perfil triangular A rosca métrica ISO de perfil triangular caracterizase por Dimensões em milímetros Perfil triangular Ângulo da rosca 2a 60 21 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Rosca Unificada Unified Em Novembro de 1948 um acordo entre a Inglaterra os Estados Unidos e Canadá adotou a rosca Unificada como único padrão para todos os países que usam a polegada como unidade Em 1965 a BSI British Standards Institution lançou uma política de orientação na qual as organizações deveriam considerar as roscas BSW BSF e BA como obsoletas A primeira escolha para substituição para novos Projetos seria a rosca métrica ISO sendo a rosca ISO com medidas em polegadas Unificada a segunda escolha A rosca unificada possui perfil triangular igual ao perfil ISO Suas dimensões são padronizadas em polegadas 22 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Comprimento de Rosca em Parafusos UNS Comprimento de Rosca em Parafusos ISO Lrosca Lrosca 23 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Devemos tomar cuidado com alguns fatores que podem comprometer as uniões por meio de parafusos 1 O desconhecimento exato das forças externas a serem aplicadas Devemos reduzir a tensão admissível 2 Aperto incorreto do parafuso Parafusos pequenos podem ser facilmente degolados Devemos utilizar material de alta resistência ou reduzir a tensão admissível Parafusos grandes normalmente não são suficientemente apertados Em junções com vários parafusos o aperto normalmente não é uniforme o que acarreta uma má distribuição das cargas Devemos usar um torquímetro ou outros sistemas de controle de précarga 3 Apoio irregular do parafuso apenas um lado adicionando tensões de flexão 24 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Área sob Tração Roscas UNS polegada Roscas ISO métricas Sendo d diâmetro externo dp diâmetro primitivo dr diâmetro de raiz N número de filetes por polegada p passo em milímetros N d d p 0 649519 N d dr 1 299038 p d d p 0 649519 p d dr 226869 1 2 2 4 r p t d d A 25 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS 26 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS 27 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Resistência de Parafusos Padronizados A seleção dos parafusos deve estar conforme a Resistência de Prova ou Proof Strength Sp definida por institutos reconhecidos como SAE ASTM ou ISO A Resistência de Prova define a tensão a partir da qual o material começa a apresentar deformação permanente Parafusos de fixação costumam receber uma précarga trativa proveniente do torque de montagem Sugeremse os seguintes valores de précarga Parafusos em montagem permanente 08 Fi 09 Fp Parafusos com desmontagens frequentes 07 Fi 08 Fp 28 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS 29 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS 30 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Parafusos sem précarga solicitados a tração Neste caso o parafuso não sofre força devido ao aperto inicial sendo tracionado apenas pela carga externa t e t A F 31 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Parafusos sob solicitações de cargas excêntricas A cota a deve ser tão pequena quanto possível e b a Um material de base muito rígido irá deformarse conforme b Um material de base muito flexível irá deformarse conforme c A relação indicada entre a espessura de flanges h e o diâmetro de parafusos d deve ser 15d h 25d 32 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Parafusos solicitados a tração com carga inicial Neste caso o parafuso estará sujeito ao esforço produzido pela carga aplicada externamente e também a uma força de pré carga Fi produzida pelo torque de aperto 33 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Rigidez dos Parafusos e do Material Sujeitado E A L F L A E F k Em junções com duas ou mais peças a rigidez total fica n total k k k k 1 1 1 1 2 1 O parafuso ao lado tem sua rigidez definida pela equação b b s b t t b A E L A E L k 1 A junta ao lado tem sua rigidez definida pela equação 2 2 2 1 1 1 1 m m m m m E A L E A L k 34 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Fator de Rigidez do Material Sujeitado 2 2 3 2 2 4 furo m d d d A d2 15d d3 15 d lm tan f a Modelo parafusofrusta f d3 d2 lm lb d lm t1 05t2 se t2 d lm t1 05d se t2 d d2 15d d3 15 d lm tan f b Frusta de rosca cega f d3 d2 lm lb t2 d t1 A maioria dos autores adotam f 30º 35 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Fator de Rigidez do Material Sujeitado Shigley indica na Figura 816 os resultados gráficos de rigidez obtidos por vários autores e também por análise de elementos finitos AEF Os pontos em vermelho são obtidos pelo método indicado neste material considerando um diâmetro de furo 10 maior que o diâmetro do parafuso 36 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Dimensionamento para carregamento estático b m P P P m i m P F F b i b P F F Desde que a junta não se separe Fm 0 o D será igual para o parafuso e para a junta b b m m k P k D P Logo P k k k P b m b b Assim se define a Constante de Rigidez da Junta C C P Pb C P Pm 1 A força total suportada pelo parafuso e junta fica C P F F i b C P F F i m 1 Carga de separação da junta C F P i o 1 Coeficiente de segurança à falha por separação da junta C P F P P N i o s 1 37 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Dimensionamento para carregamento dinâmico m 2 b mín máx b alt F F F 2 b mín máx b méd F F F t alt f an f a A F K K t méd fm mn fm m A F K K Coeficiente de segurança à fadiga segundo o critério de Googman Modificado a ut i m e i ut e f S S S S N Dureza Brinell Grau SAE UNS Classe ISO Roscas Laminadas Roscas cortadas 200 recozido 2 58 22 28 200 endurecido 4 66 30 38 Valores de Kf mn an f y fm K S K 38 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Aplicação de Pré Carga Fi em Parafusos de Fixação Com base nos gráficos anteriores percebese que garantir que um parafuso receba uma pré carga adequada é muito importante para que ele desempenhe bem a sua função Esta pré carga é atingida quando o parafuso sofre uma elongação que pode ser facilmente calculada mas dificilmente pode ser medida Uma forma de garantir a pré carga é controlar o nível de torque aplicado durante o aperto do parafuso Brake e Kurtz publicaram resultados de vários ensaios de torque e observaram que para os mais variados casos a equação abaixo pode ser utilizada para relacionar o torque com a pré carga de parafusos Sendo T torque K coeficiente de torque Fi pré carga d diâmetro nominal do parafuso K F d T i 39 Prof Me Eng Mec Vagner Grison MEC0287 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 1 PARAFUSOS PORCAS ARRUELAS Referências Bibliográficas KLEBANOV Boris M BARLAM David M NYSTROM Frederic E Machine Elements Life and Design CRC Press 2007 NIEMANN G Elementos de Máquinas 1971 NORTON Robert L Projeto de Máquinas 2004 SHIGLEY J E MISHCKE CR Projeto de Engenharia Mecânica 2006 40