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Projetos de Máquinas Capítulo 7 - Rosca Prof. Me André Luiz A Bosso 1 7 ROSCA Projetos de Máquinas Capítulo 7 - Rosca Prof. Me André Luiz A Bosso 2 7.1. INTRODUÇÃO Rosca é um conjunto de filetes em torno de uma superfície cilíndrica. As roscas podem ser internas ou externas. As roscas internas encontram-se no interior das porcas. As roscas externas se localizam no corpo dos parafusos. As roscas permitem a união e desmontagem de peças. Os filetes das roscas apresentam vários perfis. Esses perfis, sempre uniformes, dão nome às roscas e condicionam sua aplicação. Projetos de Máquinas Capítulo 7 - Rosca Prof. Me André Luiz A Bosso 3 7.2. PERFIL DA ROSCA (seção do filete) Triangular É o mais comum. Utilizado em parafusos e porcas de fixação, uniões e tubos. Trapezoidal Empregado em órgãos de comando das máquinas operatrizes (para transmissão de movimento suave e uniforme), fusos e prensas de estampar (balancins mecânicos). Redondo Emprego em parafusos de grandes diâmetros e que devem suportar grandes esforços, geralmente em componentes ferroviários. É empregado também em lâmpadas e fusíveis pela facilidade na estampagem. Projetos de Máquinas Capítulo 7 - Rosca Prof. Me André Luiz A Bosso 4 Dente de serra Usado quando a força de solicitação é muito grande em um só sentido (morsas, macacos, pinças para tornos e fresadoras). Quadrado Quase em desuso, mas ainda utilizado em parafusos e peças sujeitas a choques e grandes esforços (morsas). Dependendo da inclinação dos filetes em relação ao eixo do parafuso, as roscas ainda podem ser direita ou esquerda. Portanto, as roscas podem ter dois sentidos: à direita ou à esquerda. Na rosca direita, o filete sobe da direita para a esquerda, conforme mostrado ao lado. → Projetos de Máquinas Capítulo 7 - Rosca Prof. Me André Luiz A Bosso 5 Na rosca esquerda, o filete sobe da esquerda para a direita, conforme mostrado ao lado. → 7.3. NOMENCLATURA DA ROSCA Independentemente da sua aplicação, as roscas têm os mesmos elementos, variando apenas os formatos e dimensões. Roscas triangulares As roscas triangulares classificam-se, segundo o seu perfil, em três tipos: I. Rosca métrica II. Rosca whitworth III. Rosca americana Projetos de Máquinas Capítulo 7 - Rosca Prof. Me André Luiz A Bosso 6 Rosca métrica ISO normal e rosca métrica ISO fina NBR 9527. Exemplo de aplicação: em veículos. Fórmulas: Ângulo do perfil da rosca → Diâmetro menor do parafuso → diâmetro do núcleo → Diâmetro efetivo do parafuso → diâmetro médio → Folga entre a raiz do filete da porca e a crista do filete do parafuso → Diâmetro maior da porca → Diâmetro menor da porca → diâmetro do furo → Diâmetro efetivo da porca → diâmetro médio → Altura do filete do parafuso → Raio de arredondamento da raiz do filete do parafuso → Raio de arredondamento da raiz do filete da porca → A rosca métrica fina, num determinado comprimento, possui maior número de filetes do que a rosca normal. Permite melhor fixação da rosca, evitando afrouxamento do parafuso, em caso de vibração de máquinas. Projetos de Máquinas Capítulo 7 - Rosca Prof. Me André Luiz A Bosso 7 Rosca Whitworth normal - BSW e rosca Whitworth fina - BSF Fórmulas: Ângulo do perfil da rosca → Passo → Altura do filete do parafuso → Raio de arredondamento da raiz do filete do parafuso → Raio de arredondamento da raiz do filete da porca → Diâmetro maior da porca → Diâmetro menor do parafuso → diâmetro do núcleo → Diâmetro efetivo da porca → diâmetro médio → A fórmula para confecção das roscas Whitworth normal e fina é a mesma. Apenas variam os números de filetes por polegada. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 8 8 PARAFUSO DE FIXAÇÃO Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 9 O parafuso é uma peça formada por um corpo cilíndrico roscado e uma cabeça, que pode ter várias formas. 8.1. HISTÓRICO Na antiguidade, o matemático grego Archytas of Tarentum (428 - 350 aC.) foi responsável pela invenção do parafuso. No 1º século A.C., os parafusos de madeira foram usados em todo o mundo Mediterrâneo em dispositivos como prensas de óleo e de vinho. Arquimedes (287 A.C. – 212 A.C.) desenvolveu o princípio da rosca e utilizou-o para a construção de dispositivos para a elevação de água na irrigação. Os romanos aplicaram o princípio de Arquimedes para conduzir material em minas. Também existem evidências de que componentes parafusados foram aplicados em instrumentos cirúrgicos em 79 A.C. Os parafusos de metal só apareceram na Europa a partir do ano de 1400. O primeiro documento impresso sobre parafusos consta num livro do começo do século XV. Mais tarde, no mesmo século, Johann Gutenberg incluiu parafusos entre os fixadores na sua impressora. Os cadernos de Leonardo Da Vinci, do fim do século XV e começo do século XVI, incluem vários desenhos de máquinas para fabricar parafusos, mas a primeira máquina concreta para este propósito foi inventada em 1568 por Jacques Besson, um matemático francês. Pelos fins do século XVII, os parafusos já eram componentes comuns nas armas de fogo. O britânico Henry Maudslay patenteou o parafuso de fenda em 1797; um dispositivo similar foi patenteado por David Wilkinson nos Estados Unidos no ano seguinte. Na atualidade o parafuso esta presente em praticamente todos os aparelhos e estruturas construídos pelo homem. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 10 8.2. PADRONIZAÇÃO A capacidade de fazer roscas uniformes não foi suficiente para garantir a uniformidade, visto que cada fabricante preferia ter seu próprio padrão. Era necessário definir padrões nacionais e internacionais. Na Inglaterra o próprio passo significativo neste sentido ocorreu em 1841, quando Joseph Whitworth apresentou ao Instituto dos engenheiros civis seu trabalho "Um sistema uniforme de roscas de parafusos". Whitworth propôs que para parafusos de certas dimensões as roscas deveriam ser iguais em passo, profundidade e forma. Ele recomendou um ângulo de 55 graus entre um lado do fio de rosca e outro. O número de fios por polegada deveria ser especificado para cada diâmetro de parafuso. A rosca devia ser arredondada na crista e no vale em 1/6 de profundidade. Em 1881 o sistema de Whitworth já tinha sido adotado como padrão britânico. Nos EUA o movimento para padronização começou em 1864. William Sellers, um montador de ferramentas de máquinas na Filadélfia, persuadiu o Instituto Franklin daquela cidade a reunir um comitê que procuraria estabelecer padrões nacionais. Sellers tinha várias objeçõesao sistema de Whitworth. Dizendo que o ângulo de corte de 55 graus era difícil de aferir, argumentava que 60 graus era o ideal e que resultaria em roscas mais resistentes. Ele também achava que o padrão de arredondamento da rosca de Whitworth resultava num encaixe incerto entre parafuso e porca resultando roscas mais frágeis, ele propôs roscas com cristas e vales planos. O Instituto Franklin acabou por adotar o sistema Sellers recomendando-o como padrão nacional onde roscas de parafusos devem ser feitos de lados planos com ângulo entre eles de 60 graus, tendo uma superfície plana no topo e no fundo igual a 1/8 do passo. Pelo fim do século o sistema de Sellers já era padrão para os EUA e boa parte da Europa. A incompatibilidade dos sistemas Whitworth e Sellres trouxe dificuldades nas 1ª e 2ª Guerras mundiais, quando as forças armadas americanas e britânicas precisavam de peças intercambiáveis. Desde 1918 e continuando até 1948, os dois países os dois países estudaram as formas para reconciliar os sistemas. Numa conferência em Washington em 1948, os EUA, Canadá e Grã-Bretanha adotaram o Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 11 sistema unificado que incorpora aspectos do sistema Whitworth e Sellers. O papel principal na padronização das roscas de parafusos em polegada foi do Instituto Industrial de Fixadores, constituído pelos maiores produtores de fixadores da América do Norte. No mesmo ano a Organização Internacional para a Padronização (ISO) iniciou um trabalho para estabelecer um sistema padrão de rosca de parafuso que pudesse ser aplicado mundialmente. Quando o trabalho terminou em 1964 e foi adotado numa conferência internacional em Nova Deli, consistia em dois sistemas: O sistema ISSO polegada (ISO Inch Screw Thread System) o mesmo que sistema unificado e o sistema ISO métrico (ISO Metric Screw Thread System), que era uma nova fórmula para substituir os diversos sistemas métricos nacionais. Com base no argumento de que os fixadores feitos de acordo com o sistema métrico eram inferiores aos feitos de acordo com a norma ISO polegada, o Instituto de Fixadores Industriais recomendou em 1970 que um sistema métrico mais aperfeiçoado fosse desenvolvido. Em 1971 o grupo propôs o Sistema Métrico Ótimo (Optimum Metric Fastener System). Entre outras coisas, o plano previa um perfil baseado no formato que tornou-se padrão para fixadores aeroespaciais e fixadores com melhor resistência à fadiga. A proposta levou a um sistema similar que agora é o padrão métrico internacional: o sistema ANSI/ISO (ANSI: American National Standards Institute). Várias outras organizações se preocupam com padrões de fixadores, frequentemente especificando quais são os fixadores padronizados mais apropriados para uma determinada indústria. Nos EUA essas organizações incluem a American Society for Testing and Materials (ASTM), a American National Standards Institute (ANSI), a Society of Automotive Engeneers (SAE) e outros. Tomados em conjunto, suas atividades incluem por volta de 8000 padrões para fixadores, que cobrem assuntos como: material, configuração, dimensões, tolerâncias e características mecânicas. Se forem incluídos os fixadores especiais, os diversos acabamentos e revestimentos superficiais junto de todas as combinações de diâmetros e comprimentos, o total de itens na área de fixadores supera os dois milhões. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 12 8.3. INTRODUÇÃO Parafusos são elementos de fixação, empregados na união não permanente de peças, isto é, as peças podem ser montadas e desmontadas facilmente, bastando apertar e desapertar os parafusos que as mantém unidas. As cabeças dos parafusos, por sua vez, podem ser: sextavadas - predominantes em construção de máquinas; de fenda (cabeça escariada); de sextavado interno (Allen). As principais vantagens dos parafusos são: baixo custo; facilidades de montagem e desmontagem; As principais desvantagens nos parafusos de fixação são: Possibilidade de ocorrer desaperto durante o funcionamento do equipamento. Baixo rendimento de transmissão e o elevado desgaste dos flancos das roscas. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 13 Parafusos podem ser fabricados: por conformação plástica: prensagem ou rolagem, por usinagem: torneamento ou fresamento. Numa montagem por parafuso, podemos ter como elementos: O próprio parafuso; A porca; Hastes dotadas de roscas - fusos; Arruelas, Dispositivos de segurança. As principais aplicações dos parafusos são: Parafusos de fixação em uniões desmontáveis; Parafusos obturadores para tapar orifícios; Parafusos de transmissão de forças; Parafusos de movimento para transformar movimentos retilíneos em rotativos e vice-versa. Alguns perigos característicos das uniões parafusadas devem ser conhecidos e trabalhados quando se utiliza este tipo de união. São eles: incerteza sobre grandeza das forças externas - aumentar o coeficiente de segurança; aperto inconveniente do parafuso - excessivo ou insuficiente; não uniformidade de aperto para uniões com vários parafusos - controle do torque através de torquímetro ou controle da tensão através de micrômetro; apoio unilateral do parafuso, gerando tensões de flexão; perda de protensão, por dilatação térmica ou deformação plástica; solicitações adicionais devido a choques; auto-afrouxamento devido a trepidações; corrosão química e eletrolítica; desgaste da rosca de movimento, fratura por fadiga (geralmente na seção transversal do primeiro filete carregado). Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 14 Que fatores influenciam a escolha de parafusos? Função; Propriedades; Método de montagem; Qualidade; Garantia; Custo de aplicação. Como é que eu devo especificar um parafuso? usar as dimensões genéricas standard DIN para métrico e BS916 para polegadas; Cabeça e tipo de fenda quando exista; Tipo de rosca; Diâmetro do parafuso ou peça; Comprimento do parafuso (geralmente deste a cabeça à ponta); Qualidade de aço e resistência; Acabamento - tratamento galvânico. 8.4. CLASSIFICAÇÃO DE PARAFUSOS Os parafusos se diferenciam pela forma da rosca, da cabeça, da haste e do tipo de acionamento. Em geral, o parafuso é composto de duas partes: cabeça e corpo. O corpo do parafuso pode ser cilíndrico ou cônico, totalmente roscado ou parcialmente roscado. A cabeça pode apresentar vários formatos; porém, há parafusos sem cabeça. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 15 Há uma enorme variedade de parafusos que podem ser diferenciados pelo formato da cabeça, do corpo e da ponta. Essas diferenças, determinadas pela função dos parafusos, permite classificá-los em quatro grandes grupos: parafusos passantes, parafusos não-passantes, parafusos de pressão, parafusos prisioneiros. 8.4.1. 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 contra porcas como acessórios. Os parafusos passantes apresentam-se com cabeça ou sem cabeça.Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 16 8.4.2. PARAFUSOS NÃO-PASSANTES São parafusos que não utilizam porcas. O papel de porca é desempenhado pelo furo roscado, feito numa das peças a ser unida. 8.4.3. PARAFUSOS DE PRESSÃO Esses parafusos são fixados por meio de pressão. A pressão é exercida pelas pontas dos parafusos contra a peça a ser fixada. Os parafusos de pressão podem apresentar cabeça ou não. 8.4.4. PARAFUSOS PRISIONEIROS São parafusos sem cabeça com rosca em ambas as extremidades, sendo recomendados nas situações que exigem montagens e desmontagens frequentes. Em tais situações, o uso de outros tipos de parafusos acaba danificando a rosca dos furos. As roscas dos parafusos prisioneiros podem ter passos diferentes ou sentidos opostos, isto é, um horário e o outro anti-horário. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 17 8.5. TIPOS DE PARAFUSOS No item anterior, vimos a classificação dos parafusos quanto à função que eles exercem. A tabela a seguir, mostra alguns tipos de parafusos, de acordo com a forma do corpo e/ou cabeça. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 18 Segue também, uma tabela síntese com características da cabeça, do corpo, das pontas e com indicação dos dispositivos de atarraxamento. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 19 Ao unir peças com parafusos, o profissional precisa levar em consideração quatro fatores de extrema importância: Profundidade do furo broqueado; Profundidade do furo roscado; Comprimento útil de penetração do parafuso Diâmetro do furo passante. Esses quatro fatores se relacionam conforme mostram as figuras e a tabela a seguir. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 20 Tabela: Fatores a considerar ao unir peças com parafusos A classificação geral dos parafusos é quanto à função que eles exercem e alguns fatores a serem considerados na união de peças. Alguns tipos de parafusos bastante usados em mecânica. 8.5.1. PARAFUSO SEXTAVADO As medidas das partes dos parafusos são proporcionais ao diâmetro do seu corpo. Em desenho técnico, esse parafuso é representado da seguinte forma: Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 21 Aplicação Em geral, esse tipo de parafuso é utilizado em uniões em que se necessita de um forte aperto da chave de boca ou estria. Esse parafuso pode ser usado com ou sem rosca. Quando usado sem rosca, o rosqueamento é feito na peça. 8.5.2. PARAFUSO COM SEXTAVADO INTERNO / PARAFUSO ALLEN O parafuso Allen é fabricado com aço de alta resistência à tração e submetido a um tratamento térmico após a conformação. Possui um furo hexagonal de aperto na cabeça, que é geralmente cilíndrica e recartilhada. Para o aperto, utiliza-se uma chave especial: a chave Allen. Os parafusos Allen são utilizados sem porcas e suas cabeças são encaixadas num rebaixo na peça fixada. De cabeça cilíndrica com sextavado interno (Allen). Em desenho técnico, este tipo de parafuso é representado na seguinte forma: Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 22 Aplicação Em geral, esse tipo de parafuso é utilizado para travar elementos de máquinas. Devido a isso, esses parafusos são fabricados com diversos tipos de pontas, de acordo com sua utilização. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 23 8.5.3. PARAFUSO DE CABEÇA COM FENDA De cabeça escareada chata com fenda. Em desenho técnico, a representação é a seguinte: Aplicação São fabricados em aço, aço inoxidável, inox, cobre, latão, etc. Esse tipo de parafuso é muito empregado em montagens que não sofrem grandes esforços e onde a cabeça do parafuso não pode exceder a superfície da peça. 8.5.4. PARAFUSO DE CABEÇA REDONDA COM FENDA Em desenho técnico, a representação é feita como mostra a figura. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 24 Aplicação Esse tipo de parafuso é também muito empregado em montagens que não sofrem grandes esforços. Possibilita melhor acabamento na superfície. São fabricados em aço, cobre e ligas, como latão. 8.5.5. PARAFUSO DE CABEÇA CILINDRICA BOLEADA COM FENDA Em desenho técnico, a representação é feita como mostra a figura. Aplicação São utilizados na fixação de elementos nos quais existe a possibilidade de se fazer um encaixe profundo para a cabeça do parafuso, e a necessidade de um bom acabamento na superfície dos componentes. Trata-se de um parafuso cuja cabeça é mais resistente do que as outras de sua classe. São fabricados em aço, cobre e ligas, como latão. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 25 8.5.6. PARAFUSO DE CABEÇA ESCAREADA BOLEADA COM FENDA Aplicação São geralmente utilizados na união de elementos cujas espessuras sejam finas e quando é necessário que a cabeça do parafuso fique embutida no elemento. Permitem um bom acabamento na superfície. São fabricados em aço, cobre e ligas como latão. 8.5.7. PARAFUSO AUTO-ATARRAXANTE O parafuso auto-atarraxante tem rosca de passo largo em um corpo cônico e é fabricado em aço temperado. Pode ter ponta ou não e, às vezes, possui entalhes longitudinais com a função de cortar a rosca à maneira de uma tarraxa. As cabeças têm formato redondo, em latão ou chanfradas e apresentam fendas simples ou em cruz (tipo Phillips). Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 26 Esse tipo de parafuso elimina a necessidade de um furo roscado ou de uma porca, pois corta a rosca no material a que é preso. Sua utilização principal é na montagem de peças feitas de folhas de metal de pequena espessura, peças fundidas macias e plásticas. 8.5.8. PARAFUSO PARA PEQUENAS MONTAGENS Parafusos para pequenas montagens apresentam vários tipos de roscas e cabeças e são utilizados para metal, madeira e plásticos. 8.5.9. PARAFUSO COM ROSCA SOBERBA PARA MADEIRA São vários os tipos de parafusos para madeira. Apresentamos, em seguida, os diferentes tipos e os cálculos para dimensionamento dos detalhes da cabeça. Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 27 Aplicação Esse tipo de parafuso também é utilizado com auxílio de buchas plásticas. O conjunto, parafuso-bucha é aplicado na fixação de elementos em bases de alvenaria. Quanto à escolha do tipo de cabeça a ser utilizado, leva-se em consideração a natureza da união a ser feita. São fabricados em aço e tratados superficialmente para evitar efeitos oxidantes de agentes naturais. 8.6. DESIGNAÇÃO DE PARAFUSOS 8.7. CLASSE DE RESISTÊNCIA DE PARAFUSOS Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 28 8.8. DIMENSIONAMENTO8.8.1. TRAÇÃO NO PARAFUSO √ (8.1) com: → para carregamento estático → para carregamento pulsante → para carregamento alternado onde: → diâmetro mínimo do parafuso solicitado à tração → força máxima de tração → tensão admissível de tração do material do parafuso → tensão de escoamento do material do parafuso → tensão alternante do material do parafuso *** tensões características e dadas nas tabelas 10.7 a 10.12 (Niemann) Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 29 8.8.2. CISALHAMENTO NO PARAFUSO Apesar de ser regra de projeto garantir que o parafuso não trabalhe submetido à força cortante, pode-se calcular esta solicitação da forma: √ (8.2) Pela teoria de falha de von Mises: (8.3) onde: → diâmetro mínimo do parafuso solicitado à tração → força máxima de cisalhamento → tensão admissível de cisalhamento do material do parafuso → tensão de cisalhamento do material do parafuso → tensão de escoamento do material do parafuso Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 30 Tabelas características e - tabelas 10.7 a 10.12 Fonte: Niemann Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 31 8.8.3. EXERCÍCIOS DE DIMENSIONAMENTO Exercício 1 Considere um parafuso de fixação, sob efeito de uma força estática de tração de . Se o parafuso em questão é classificado com classe de resistência 5.8 (aço- carbono), qual o diâmetro mínimo que o mesmo deve possuir para suportar a carga mencionada? Exercício 2 Considere um parafuso de fixação, sob efeito de uma força estática de tração de . O material do parafuso é um cromo-molibdênio [25CrMo4]. Qual o diâmetro mínimo que o mesmo deve possuir para suportar a carga mencionada? Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 32 Exercício 3 Considere um parafuso de fixação, sob efeito de uma força estática de tração de . O material do parafuso é um aço carbono [C45]. Qual o diâmetro mínimo que o mesmo deve possuir para suportar a carga mencionada? Exercício 4 Considere um parafuso de fixação, sob efeito de uma força estática cortante de . O material do parafuso é um aço carbono [C45]. Qual o diâmetro mínimo que o mesmo deve possuir para suportar a carga mencionada? Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 33 8.8.4. UNIÕES PARAFUSADAS O propósito do parafuso de porca é manter duas ou mais partes juntas. Aplicando um torque através da porca, estica-se o parafuso para produzir uma força de retenção ou força de aperto ( ). Ela existe na conexão depois que a porca foi apertada sem importar se a carga externa de tração ( ) é exercida ou não. Por ser elementos elásticos, a constante de rigidez, tanto do parafuso quanto dos componentes unidos, são equivalentes à rigidez de uma mola, como pode ser observado abaixo. A rigidez de uma mola, para um elemento elástico tal qual um parafuso e os componentes unidos, podem ser determinados por: (8.3) onde: → rigidez do parafuso → rigidez do componente de união → área do parafuso → área útil do componente (área total – área do parafuso) → espessura do material → módulo de elasticidade do material Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 34 Pode haver mais que dois elementos incluídos na região de aperto. Juntos, eles atuam como molas de compressão em série, portanto, a rigidez total da mola dos elementos será: ∑ (8.4) No caso de apenas dois componentes, temos: (8.5) As uniões realizadas pelo aperto dos elementos de fixação tanto alongam o parafuso quanto comprimem os componentes a serem unidos. Quando a força externa ( ) é aplicada, o parafuso e os componentes a serem unidos se deformam da mesma quantidade ( ), como pode ser visto na figura abaixo. Para garantir o “aperto”, a força externa deve ser igual à soma do aumento na força do parafuso ( ) com a diminuição da força nos elementos a serem unidos ( ), ou seja: (8.6) Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 35 Por definição: (8.7) Sabemos que: (8.8) Combinando a (8.8) em (8.7), temos: (8.9) Assim, para a força do parafuso, chegamos a: (8.10) Da mesma forma, para a força dos componentes, temos: (8.11) Lembrando que: (8.12) Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 36 Determinada a força de aperto da união, podemos calcular a torque de aperto, ou momento de aperto ( ), através da seguinte relação: (8.13) E, de posse do momento de aperto, é possível determinar o chamado momento de giro ( ), pela seguinte relação: (8.13) O momento de giro ( ) e a força do parafuso ( ) são de suma importância para a determinação do coeficiente de segurança da união. Utilizando a teoria de von Mises, temos: √ (8.14) E, de posse da tensão equivalente de von Mises ( ) o coeficiente de segurança é determinado por: (8.15) onde: → tensão nominal do material → tensão de cisalhamento do material → tensão de escoamento do material Lembrando que: (8.16) Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 37 (8.17) *** para parafuso de potência → E a área útil de um parafuso ( ) é dada por: ( ) (8.18) Para uma rosca métrica: Fórmulas Diâmetro menor do parafuso → Diâmetro efetivo do parafuso → Diâmetro nominal → Passo → Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 38 8.8.5. EXERCÍCIOS DE UNIÕES PARAFUSADAS Exercício 1 A figura ilustra a conexão de uma cabeça de cilindro a um vaso de pressão usando 14 parafusos de porca e uma vedação (lacre)de gaxeta confinada. O diâmetro efetivo de vedação é de . Outras dimensões são as seguintes: , , , e , todas em milímetros. O cilindro é usado para armazenar gás a uma pressão estática de . Parafusos de porca da classe 8.8, com rosca M12, foram selecionados. A força de aperto do conjunto é de .Isso permite um espaçamento aceitável dos parafusos. Que fator de segurança ( ) resulta dessa seleção? Adote: modulo de elasticidade de que área em que será feito o aperto entre o parafuso e as placas seja circular com diâmetro externo igual a duas vezes o diâmetro do parafuso Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 39 7.8.6. JUNTAS DE CISALHAMENTO COM CARREGAMENTO EXCENTRICO A análise de uma junta ao cisalhamento solicitada por um carregamento excêntrico requer que o centro de movimento relativo se localize entre dois elementos. Sob essa hipótese, o ponto central de rotação situa-se no centroide de área da seção transversal da distribuição dos parafusos. Em muitos exemplos, o centroide pode ser localizado por simetria. A força de cisalhamento total recebida por cada parafuso de porca será calculada em três passos. No primeiro passo a força primária de cisalhamento ( ) é determinada dividindo a carga total entre todos os parafusos, sendo: (8.19) onde: → carga total aplicada → número de parafusos Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 40 No segundo passo, a força secundária de cisalhamento ( ) que é a carga adicional em cada parafuso de porca devido ao momento ( ). Se , , , etc. são as distâncias radiais do centroide até o centro de cada parafuso. O momento e as cargas de momento estão relacionados por: (8.20) A força recebida de cada parafuso depende de sua distância radial a partir do centroide, isto é, o parafuso mais distante do centroide recebe a maior carga, enquanto o parafuso mais próximo recebe a menor carga. Por isso, pode-se escrever que: (8.21) Em que, novamente, os diâmetros dos parafusos de porca são supostos iguais. Se não forem, substitui-se ( ) na equação (8.21) pelas tensões de cisalhamento [ ] para cada parafuso. Resolvendo as equações (8.20) e (8.21) simultaneamente, obtém-se: (8.22) Quando todos os parafusos estão a mesma distância do centroide, a força secundária de cisalhamento ( ) é igual para todos os parafusos, pois: (8.23) Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 41 No terceiro passo, a força de cisalhamento primária ( ) e a força de cisalhamento secundária ( ) são adicionadas vetorialmente (conforme figura abaixo) para obter a força de cisalhamento resultante em cada parafuso de porca. Visto que todos os parafusos tem usualmente o mesmo tamanho, somente o parafuso com a força de cisalhamento resultante máxima necessita ser considerado. Da geometria analítica tem-se: ( ) ( ) ( ) (8.24) Reescrevendo a equação (8.25) para os termos apropriados, tem-se: √ (8.25) Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 42 Determinada a força de cisalhamento de cada parafuso, é possível definir qual a força de aperto necessária para garantir a fixação, ou seja: (8.21) onde: → coeficiente de atrito do material Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 43 8.8.7. EXERCÍCIOS DE JUNTAS DE CISALHAMENTO COM CARREGAMENTO EXCENTRICO Exercício 1 Uma barra retangular de aço é presa a um perfil de aço usando quatro parafusos de cabeça sextavada M16 classe 4.6. Quando se aplica a força de , mostrada na figura, determinar: a) A força de cisalhamento em cada parafuso. b) A força de aperto quando se sabe que todos os coeficientes de atrito são . c) O momento de aperto. OBS: medidas em milímetros. ( ) ( ) ( ) Projetos de Máquinas Capítulo 8 – Parafuso de Fixação Prof. Me André Luiz A Bosso 44 Exercício 2 [Enade 2011] Um acoplamento rígido tipo flange será usado para acoplar um motor elétrico de e a um redutor de engrenagens do sistema de tração de uma esteira de transporte de calcário moído. Cada um dos flanges é fixado à respectiva ponta de eixo por meio de chaveta e o acoplamento é realizado utilizando-se oito parafusos igualmente espaçados, distribuídos segundo um círculo de diâmetro , conforme mostrado na figura a seguir. Nessas condições, qual é a força cisalhante agindo em cada parafuso? ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) alternativa (b) Projetos de Máquinas Referências Bibliográficas Prof. Me André Luiz A Bosso 45 9 PORCA Projetos de Máquinas Referências Bibliográficas Prof. Me André Luiz A Bosso 46 9.1. INTRODUÇÃO 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. 9.2. MATERIAL DE FABRICAÇÃO As porcas são fabricadas de diversos materiais: aço, bronze, latão, alumínio, plástico. Há casos especiais em que as porcas recebem banhos de galvanização, zincagem e bicromatização para protegê-las contra oxidação. 9.3. TIPOS DE ROSCAS O perfil da rosca varia de acordo com o tipo de aplicação que se deseja. As porcas usadas para fixação geralmente tem roscas com perfil triangular. Projetos de Máquinas Referências Bibliográficas Prof. Me André Luiz A Bosso 47 As porcas para transmissão de movimentos tem roscas com perfis quadrados, trapezoidais, redondo e dente de serra. 9.4. TIPOS DE PORCAS Para aperto manual são mais usados os tipos de porca borboleta, recartilhada alta e recartilhada baixa, dentre os vários tipos de porcas, temos: 9.4.1. PORCA SEXTAVADA Utilizadas para segurar a carga no sistema / tirante pela proteção ou ajuste determinados no projeto. Usos diversos, em automóveis, residências e indústrias. 9.4.2. PORCA QUADRADA Usos diversos, em automóveis, residências e indústrias. 9.4.3. PORCA RECARTILHADA Para aperto manual são mais usadosos tipos de porca borboleta, recartilhada alta e recartilhada baixa. Projetos de Máquinas Referências Bibliográficas Prof. Me André Luiz A Bosso 48 9.4.4. PORCA BORBOLETA A porca borboleta tem saliências parecidas com asas para proporcionar o aperto manual. Geralmente fabricada em aço ou latão, esse tipo de porca é empregado quando a montagem e a desmontagem das peças são necessárias e frequentes. 9.4.5. PORCA CEGA (OU REMATE) As porcas cega baixa e cega alta, além de propiciarem boa fixação, deixam as peças unidas com melhor aspecto. Nesse tipo de porca, uma das extremidades do furo rosqueado é encoberta, ocultando a ponta do parafuso. A porca cega pode ser feita de aço ou latão, é geralmente cromada e possibilita um acabamento de boa aparência. 9.4.6. PORCA AUTO-TRAVANTE (OU PARLOK) Para ajuste axial (eixos de máquinas). Essa porca possui nylon em seu interior, que trava a porca no parafuso. Projetos de Máquinas Referências Bibliográficas Prof. Me André Luiz A Bosso 49 9.4.7. PORCA CASTELO Para ajuste axial (eixos de máquinas). É uma porca hexagonal com seis entalhes radiais, coincidentes dois a dois, que se alinham com um furo no parafuso, de modo que uma cupilha possa ser passada para travar a porca. Observe a aplicação da porca sextavada chata: 9.4.8. PORCA RÁPIDA Para montagem de chapas em locais de difícil acesso, podemos utilizar as porcas: Projetos de Máquinas Referências Bibliográficas Prof. Me André Luiz A Bosso 50 9.4.9. PORCA DE FENDA Características das porcas de fendas: A baixa deformação da rosca do elemento macho permite reutilizar diversas vezes os elementos de fixação; Bom comportamento quanto à resistência à vibração; Excelente comportamento às variações de temperatura; Nenhuma agressão nem marcação na superfície de apoio da porca sobre a peça. 9.4.9.1. PORCA DE FENDA SIMPLES O principio de auto-travamento da porca fenda simples consiste em comprimir os flancos de alguns filetes de rosca do elemento macho sobre seus setores. Este princípio é obtido executando-se uma fenda calibrada na parte central do hexágono da porca, que é amassada sob uma carga específica. Na montagem, a porca retorna à sua forma primitiva, gerando uma pressão sobre os filetes de rosca e que cria um torque de travamento constante e independente do aperto. Projetos de Máquinas Referências Bibliográficas Prof. Me André Luiz A Bosso 51 9.4.9.2. PORCA DE FENDA DUPLA O princípio de auto-travamento da porca de fenda dupla consiste em comprimir os flancos de alguns filetes de rosca do elemento macho sobre dois dos seus setores, em planos diferentes e deslocados a 180º. Esse princípio é obtido executando-se duas fendas calibradas na gola superior da porca, que são amassadas sob carga específica. Para obter uma montagem correta, é fundamental que o elemento macho exceda a porca em pelo menos dois filetes da rosca. 9.4.10. OUTROSTIPOS DE PORCA Projetos de Máquinas Referências Bibliográficas Prof. Me André Luiz A Bosso 52 9.5. DESIGNAÇÃO DE PORCAS 9.6. CLASSE DE RESISTÊNCIA DE PORCAS Projetos de Máquinas Referências Bibliográficas Prof. Me André Luiz A Bosso 53 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SHIGLEY, J.E. Projeto de Engenharia Mecânica. São Paulo, Bookman, 2010. BUDINAS, R.G.; NISBETT, J.K. Elementos de Máquinas de Shigley. 10 ed. Porto Alegre, McGraw Hill, 2016 JUVINALL, R.C.; MARSHEK, K.M. Fundamentos do projeto de componentes de máquinas. Rio de Janeiro, LTC, 2008. CUNHA, L. Elementos de Máquinas. São Paulo, Bookman, 2010. NIEMAMM, G. Elementos de Máquinas. Volume I. São Paulo, Blucher, 2002.
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