3 09 ET Junções Permanentes e Não Permanentes

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Elementos de Máquina 
Thierry Caique Lima Magalhães 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3 JUNÇÕES PERMANENTES E NÃO PERMANENTES 
Apresentação 
As junções permanentes são constituídas de juntas soldadas, sendo este um processo 
de união entre peças, por meio da coalescência localizada, mantendo-se as 
propriedades físicas e químicas. Enquanto que as junções não permanentes são 
constituídas pelos elementos de fixação: porca, arruela, parafusos, rebites etc. e pelos 
acoplamentos. 
Os elementos fixadores são amplamente utilizados na indústria e no projeto mecânico, 
estes permitem maior facilidade para reutilização, desmontagem e manutenção. Um 
dos objetivos dos projetistas é reduzir a quantidade de fixadores usados na aplicação, 
o que acarreta menor custo, peças e mobilidade. 
Os parafusos são elementos de fixação/ligação formados por um corpo cilíndrico ou 
cônicos (haste e rosca) e cabeça (alguns não possuem). Existem alguns com parte da 
haste, sem rosca. São empregados para a fixação de peças variadas, de forma não 
permanente que podem ser facilmente montadas e desmontadas. Existem quatro 
grandes grupos de parafusos: passantes, não passantes, de pressão e prisioneiros. 
A utilização crescente de ligações soldadas em estruturas de grandes 
responsabilidades, quer solicitadas por cargas estáticas ou dinâmicas, obriga que o 
projetista tenha que fazer um adequado dimensionamento do cordão de solda, pois 
estes são muitas vezes o ponto de falha das estruturas. As principais vantagens da 
soldadura em relação aos parafusos são um menor custo e uma menor chance de 
“desapertarem” e as maiores desvantagens são as soldaduras produzirem tensões 
residuais e a difícil separação das chapas soldadas. 
 
 
 
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3.1 Elementos de Fixação 
As porcas normalmente são usadas em conjunto com parafusos e arruelas. Estas são 
usadas para “travar o parafuso” impedindo movimentos (tanto rotação, quanto 
translação). As porcas são geralmente sextavadas (filetadas) e passam por diferentes 
processos de fabricação, o mais comum é o fresamento (usinagem). Apresentam 
forma prismática ou cilíndrica, quase sempre metálicas e com um furo roscado na qual 
encaixa-se um parafuso, ou uma barra roscada. A porca está sempre ligada a um 
parafuso, a parte externa possui vários formatos para atender aos diversos tipos de 
aplicação. 
A figura 3.1 apresenta uma porca que, combinada a um parafuso e uma arruela, é 
usada para fixar um acoplamento flexível em um eixo kardan de um motor de 
combustão interna. 
 
Fonte: Elaborada pelo autor 
Figura 3.1 – porca usada em acoplamento 
As arruelas normalmente são utilizadas para suportar as cargas de um parafuso, 
geralmente possuem geometria de disco. Quanto ao acabamento, podem ser 
classificadas em de pressão; dentada e serrilhada; perfilhada; ondulada; e com orelha. 
As arruelas são fabricadas principalmente por usinagem (fresamento e torneamento). 
Elas são responsáveis pela distribuição uniforme da força de aperto sobre os 
parafusos, e em alguns casos, garantir que ele não se solte devido ao efeito de 
vibrações, agindo desta forma, como elemento de travamento. 
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Fonte: Elaborada pelo autor. 
Figura 3.2 – arruela empregada em um acoplamento 
Os rebites são elementos utilizados para unir duas ou mais peças de forma 
permanente, o que faz com que os elementos unidos por rebites não possam ser 
reutilizados em outras funções, mantendo sua integridade estrutural. Os rebites são 
classificados de acordo com o grau de complexidade da aplicação, os mais comuns são 
Rebite de Repuxo, Porca Rebite, Rebite Maciço, Rebite Semi-Tubular, Rebite 
Escalonado do tipo U. Os processos de fabricação mais empregados no seu 
desenvolvimento são fundição e usinagem. 
 
Fonte: Elaborada pelo autor. 
Figura 3.3 – Rebites fixadores 
No próximo subtema trataremos dos parafusos, que são os elementos de fixação mais 
conhecidos e empregues na indústria e atividades. Contudo, pode-se encontrar ainda 
uma infinidade de elementos de fixação tais como: pinos, cavilhas, anéis elásticos, 
cupilha e contrapino. 
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É importante salientar a necessidade de escolher e planejar corretamente o uso dos 
elementos de fixação a serem usados para evitar a concentração de tensão e fadiga 
nas peças. Essas tensões ocasionam ruptura e falhas prematuras nos fixadores. 
3.2 Parafusos 
A figura 3.4 ilustra o parafuso que é aplicado conjuntamente com a porca e a arruela 
para fixar um acoplamento flexível em um eixo kardan de um motor de combustão 
interna. 
 
Fonte: Elaborada pelo autor. 
Figura 3.4 Parafuso fixador em acoplamento 
Os parafusos se distinguem pelo formato de rosca, cabeça, haste e pelo modo como 
são acionados. Isto permite classificá-los em quatro grandes grupos, como sintetizado 
na tabela 3.1: 
 
 
 
 
 
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Tabela 3.1 - Classificação dos parafusos fixadores 
 
Fonte: Elaborada pelo autor 
Os parafusos são fabricados em aço, aço inoxidável, ligas de cobre e mais raramente 
de outros metais. O material, além de satisfazer as condições de resistência, deve 
também apresentar características compatíveis com o processo de fabricação ao qual 
será submetido: usinagem em tornos e roscadeiras ou por conformação como 
forjamento e laminação (roscas roladas). 
A terminologia de roscas e parafusos será explicada a seguir: 
 O passo (p) é a distância axial entre duas formas (pontos) adjacentes de rosca, 
medidos paralelamente. O passo em unidades inglesas, representa o número 
de roscas por polegada. 
 O diâmetro maior (d) é o maior diâmetro de uma rosca de parafuso. 
 O diâmetro menor ou de raiz (dr) é o menor diâmetro de uma rosca de 
parafuso. 
 O diâmetro de passo (dp) é um diâmetro teórico (médio) entre os diâmetros 
menor e maior. 
Ao utilizar parafusos para a união de peças, o projetista precisa considerar quatro 
fatores fundamentais. São eles a profundidade do furo broqueado, a profundidade do 
furo roscado, o comprimento útil de penetração do parafuso e o diâmetro do furo 
passante. 
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Todas as roscas são feitas de acordo com a mão direita, a menos que o contrário seja 
indicado. As roscas podem ser classificadas quanto ao perfil, como Quadrada, Acme, 
Americana ou Unificada. Na rosca direita, o filete da rosca ascende da direita para a 
esquerda, enquanto na rosca esquerda o filete ascende da esquerda para a direita. 
Em uma rosca métrica ISO, o passo de rosca é identificado em mm, um exemplo de 
especificação seria M8 x 1,25, que representa uma rosca ISO comum de 8 mm de 
diâmetro externo e 1,25 mm de passo de hélice. 
Parafusos de Potência: Roscas quadradas e Acmes são confeccionadas quando o 
parafuso precisa transmitir potência. Os parafusos de potência são dispositivos usados 
em máquinas para transformar/converter o movimento angular (torque) em 
movimento linear (força), além de serem aplicados para transmissão de potência, em 
operações usuais como fuso de torno mecânico, prensas, macacos, morsas etc. 
Dimensionamento: 
O primeiro passo é dimensionar o diâmetro externo. Estima-se um fator de segurança 
para o projeto. Da literatura, o fator de segurança (FS) é definido como a razão entre: 
𝐹𝑆 =
𝑠𝑦
𝜎𝑎𝑑𝑚
 (1) 
(sy) que é o limite de escoamento: tensão de perda do material e a tensão normal 
admissível. 
𝜎𝑎𝑑𝑚 =
𝐹
𝐴
 (2) 
A tensão normal admissível é a razão entre a carga (F) a qual o parafuso está 
submetido pela sua área total (A). 
𝐴 =
𝜋𝑑2
4
 (3) 
Sendo a área total uma função do diâmetro maior (d). De acordo com as normas ISO, a 
área roscada de um parafuso é: 
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𝐴𝑡 =
𝜋
4
∗ (
𝑑𝑝+𝑑𝑟
2
)
2
 (4) 
Em que (At) é a área roscada na haste do parafuso (cilindro) e os diâmetros dp 
(diâmetro de passo) e (dr) diâmetro menor ou de raiz, sendo estes respectivamente: 
𝑑𝑝 = 𝑑 − 0,649519 ∗ 𝑝 (5) 
Onde (p) é o passo em milímetros(mm). 
𝑑𝑟 = 𝑑 − 1,226869 ∗ 𝑝 (6) 
As equações de (1) a (6) mostram o procedimento descritivo/cálculo para determinar 
as principais dimensões de um parafuso de rosca métrica. 
Esse exemplo de dimensionamento foi realizado para o carregamento axial (tração ou 
compressão), no entanto, os parafusos também podem ser submetidos a falhas devido 
ao cisalhamento gerado pelo torque empregado pela transmissão de carga nas chaves 
de acionamento. Todavia, as tensões normais causadas pela conversão do torque em 
força (aperto) no parafuso, fadiga e os concentradores de tensão são os principais 
mecanismos de ruptura e perca de material na fixação por parafusos. 
3.3 Soldagem (Junções permanentes) 
 
Fonte: próprio autor. 
Figura 3.5 – Cordões de sola em chassi de automóvel 
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Soldagens ou conjuntos soldados são utilizados em muitas aplicações como estruturas, 
elementos de máquinas, componentes eletrônicos, edifícios, pontes, navios, veículos, 
dutos industriais e de petróleo etc. Aqui abordaremos a importância da soldagem para 
a junção permanente de elementos de máquinas e como noções sobre as técnicas, 
cordões de solda e os processos podem ajudar o projetista a desenvolver um bom 
trabalho. A soldagem é a união localizada de uma ou mais peças devido a aplicação de 
calor ou pressão, mantendo as características físicas e químicas do cordão de solda. 
Terminologia da soldagem: 
Metal de Base - Material da peça que sofre o processo de soldagem. 
Metal de adição - Material adicionado no estado líquido durante o processo de 
soldagem. 
Poça de fusão - Região em que, a cada instante do processo, está ocorrendo fusão de 
material. 
Penetração - Distância perpendicular da superfície do metal de base, ao ponto que 
termina a fusão. 
Junta: Região do espaço onde é feita a soldagem. 
Chanfro - Abertura das superfícies das peças, para preparação e execução do processo 
de soldagem. 
Cordão de solda - Metal depositado em um único passe. 
Junta soldada - Resultado do processo de soldagem, incluindo o cordão de solda e a 
zona termicamente afetada (ZTA). 
Zona termicamente afetada (ZTA) - É a região da junta soldada que não sofreu fusão 
durante o processo de soldagem, mas teve sua microestrutura e propriedades 
alteradas pela aplicação de calor. 
 
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A soldagem é caracterizada pela mistura (solubilidade) entre o metal de base e o metal 
de adição, caso esse seja utilizado. Nos processos de soldagem por fusão, a 
solubilidade ocorre na fase líquida, por meio da aplicação de energia para fundir 
material, enquanto nos processos de soldagem por pressão, a solubilidade ocorre na 
fase sólida, por meio da aplicação de energia para gerar tensão no material. 
As fontes de energia mais empregadas para soldagem, são a química (chama), radiante 
(laser), mecânica (pressão) e elétrica (arco elétrico). As forças atuantes nas juntas 
soldadas devem ser similares as atuantes nos materiais a serem unidos. 
Como comentado anteriormente, os conjuntos soldados normalmente são mais 
econômicos que a implantação de vários fixadores. Apesar de necessitarem de uma 
difícil preparação antes da solda, as peças soldadas não possuem o risco de se soltar 
ou de desparafusarem como em muitas aplicações de fixadores, justificando sua 
escolha em muitos casos. 
A maioria dos metais e suas ligas podem passar por processos de soldagem, 
característica denominada de soldabilidade. Os aços de baixo carbono são mais fáceis 
de soldar que os aços de alto teor de carbono. O alumínio é um material que apresenta 
dificuldades de ser soldado. 
O objetivo deste tema é familiarizar o aluno com os principais aspectos e 
características da soldagem, mas sobretudo mostrá-lo como realizar o 
dimensionamento do cordão de solda, caso ele venha a se deparar com alguma 
atividade ou aplicação que necessite da soldagem, ele possa efetuar o melhor 
procedimento baseado nos critérios de resistência, visto a grande responsabilidade 
envolvida nos projetos que contemplam a soldagem. 
Dimensionamento do cordão de solda: 
Os casos mais simples e mais comuns são de chapas finas unidas por filetes submetidas 
a carregamento axial (Tração ou compressão). 
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Fonte: Elaborado pelo autor. 
Figura 3.6 – Solda de filete em chapas sob compressão 
Tanto para tração quanto para compressão, a tensão normal é dada por: 
𝜎 =
𝐹
ℎ∗𝑙
 (7) 
Onde (F) é a carga axial exercida sobre as peças soldadas, (l) é o comprimento de 
soldadura e (h) é a altura/tamanho da garganta. Nota-se que o valor de (h) não inclui o 
reforço, este é desprezado pela segurança. 
A tensão de corte (cisalhamento) na área da garganta da soldadura é dada por: 
𝜏 =
𝐹
0,707∗ℎ∗𝑙
 (8) 
De acordo com o material ou eletrodo utilizado para o cordão de solda, a altura (h) da 
garganta é padronizada de acordo com a carga e está em função da tensão de 
cisalhamento máxima admissível para aquele material. Essas informações são obtidas 
em catálogos de fabricantes, handbooks e livros de elementos de máquinas. 
Com o valor da altura/garganta mínima que a solda de filete deve ter para suportar a 
carga (F), junto com a tensão de cisalhamento do material do cordão de solda, 
retornarmos à equação (8) e calculamos o comprimento de soldadura (l). 
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Por meio do procedimento descrito pelas equações (7) e (8) aliados às propriedades do 
cordão de solda, podemos realizar o dimensionamento adequado de uma solda de 
filete sobre tração para qualquer operação. Existe uma infinidade de detalhes sobre as 
técnicas, processos e nomenclaturas da soldagem, que não foram aqui abordados, pois 
o nosso foco estava no dimensionamento efetivo do cordão de solda. Também pode-
se aplicar os conhecimentos CAD e FEA para um bom projeto de soldadura, predizendo 
as cargas, deflexões e falhas dos materiais. 
As principais vantagens da soldagem em relação aos parafusos são um menor custo e 
um menor risco de “desapertarem”. Já as maiores desvantagens são a soldadura 
produzir tensões residuais e a difícil separação das chapas soldadas. 
Conclusão 
Os elementos de fixação e os conjuntos soldados são altamente aplicados para unir 
matérias, peças, conjuntos mecânicos etc. seja de maneira permanente ou não. É 
essencial ao projetista possuir conhecimentos e noções a respeito desses elementos 
para efetuar e desenvolver um bom projeto mecânico e processos corretos para sua 
aplicação. 
O estudo e auxílio das ferramentas CAD e das técnicas numéricas como, por exemplo, 
a FEA (Análise por Elementos Finitos), além de serem amplamente utilizadas, são 
imprescindíveis para predizer as cargas, deflexões, falhas, tratamentos térmicos e qual 
o melhor processo para montagem dos componentes, mesmo a soldagem sendo um 
processo de fabricação, ela pode e deve ser utilizada em conjunto com outros, visando 
a melhor performance e economia. 
REFERÊNCIAS 
NORTON, R.L. Projetos de Máquinas: Uma Abordagem Integrada. 4 ed. Porto Alegre: 
Bookman, 2013. 
SHIGLEY, J. E.; BUDYNAS, R. G.; NISBETT, J. K. Elementos de máquinas de Shigley. 8 ed. 
São Paulo: AMGH Editora Ltda, 2011.