Capítulo 5 Parafusos de Potência

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Introdução
Parafusos de potência correspondem à componentes que transformam o movimento angular em movimento linear. Tais dispositivos são utilizados normalmente para a movimentação de cargas com velocidades relativamente baixas, sendo ainda caracterizados pelo baixo rendimento energético apresentado devido ao atrito presente na rosca.
Morsas de bancada, fusos de tornos, grampos para fixação de componentes, “macacos” de automóvel, atuadores lineares, prensas mecânicas, entre outros, são exemplos práticos da aplicação deste tipo de dispositivo.
Capítulo 5 – Parafusos de Potência
Elementos de Máquinas
J.C. Almeida, R. Barbieri, K. Fonseca
Rosca quadrada e trapezoidal
A figura ilustra os dois principais tipos de rosca utilizados nos parafusos de potência: a rosca quadrada e a rosca trapezoidal (ACME). 
“p” = passo ou distância medida na direção do eixo axial do parafuso entre dois filetes de rosca adjacentes;
“d” = diâmetro nominal (ou externo) ;
“dr” = diâmetro de raiz;
“ângulo da rosca” = 29° para o caso da rosca trapezoidal.
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Rosca quadrada e trapezoidal
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Rosca quadrada e trapezoidal
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“L” = avanço por volta;
“l” = ângulo de avanço da rosca ;
“dm” = diâmetro médio do parafuso;
“ne “ = número de entradas do parafuso.
Análise de torque para a rosca quadrada
Forças no dente da rosca – condição de carregamento (ou elevação):
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Análise de torque para a rosca quadrada
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do equilíbrio das forças na vertical:
do equilíbrio das forças na horizontal:
divisão da relação das forças na horizontal pelas relação das forças na vertical:
e consequentemente, o torque para elevar a carga:
ou, ainda:
Forças no dente da rosca – condição de carregamento (ou elevação):
Análise de torque para a rosca quadrada
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Forças no dente da rosca – condição de descarregamento (ou abaixamento):
Análise de torque para a rosca quadrada
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analogamente, para baixar a carga:
Forças no dente da rosca – condição de descarregamento (ou abaixamento):
Condição de autobloqueio
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Quando o valor do torque de abaixamento (ou descarregamento) é maior do que zero, a rosca é dita autobloqueante (autoblocante) e significa que a carga “F” não se movimentará para baixo sem a atuação de um torque externo. 
Tal condição corresponde à chamada condição de autobloqueio do parafuso. Matematicamente pode-se demonstrar que:
Eficiência da rosca quadrada
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A eficiência do parafuso depende, basicamente, do coeficiente de atrito e do ângulo de avanço da rosca.
Eficiência da rosca quadrada
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A figura a seguir mostra três curvas da eficiência em função do coeficiente de atrito e do ângulo de avanço para rosca quadrada. O ângulo limite para a condição autoblocante é indicado na figura por “λa” . Analisando estas curvas observa-se que para obter o efeito autoblocante a eficiência da rosca é pequena e com grande quantidade de energia sendo dissipada na forma de calor (atrito na rosca). 
Expressões para a rosca ACME
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Os parafusos com rosca ACME não são tão eficientes quanto os parafusos de rosca quadrada devido à inclinação do dente, porém às vezes são preferidos devido à facilidade de usinagem da rosca. 
A força axial que atua no dente é agora equivalente à F/cosa.
As expressões para os torques de elevação e abaixamento valem, nessas circunstâncias:
Parafusos de potência com colar
A figura ilustra uma extremidade de um parafuso de potência com um colar. Esta configuração é muito semelhante a um freio a disco e também irá dissipar potência na forma de atrito, pois a estrutura é fixa e o colar é rotativo. Observar que o uso do colar pode auxiliar quando se deseja condição autoblocante do conjunto.
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Parafusos de potência com colar
Uma alternativa para praticamente minimizar a perda de potência ocorrida por atrito no colar é substituir o colar por um rolamento (radial e axial) visando o acoplamento do parafuso à estrutura fixa, na forma:
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Torque de acionamento do parafuso
“fc” = coeficiente de atrito no colar;
“dc” = diâmetro médio do colar;
“a” = 0o para roscas quadradas e 14,5º para roscas ACME.
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Coeficientes de atrito típicos
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Fusos de esferas recirculantes
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Visando reduzir a perda de potência devido ao atrito torna-se possível utilizar os chamados “fusos de esferas recirculantes”, conforme figura. Esse dispositivo poderá vir a representar uma redução da perda por atrito em até 90%, ocasionando porém a perda do efeito autoblocante.
Dimensionamento mecânico do parafuso
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Um parafuso de potência estará submetido à solicitações de compressão, torção, esmagamento na rosca e até mesmo flambagem. Para tanto, um critério de projeto adequado (Mises, por exemplo) deve ser considerado no contexto da verificação das tensões atuantes. Assim:
a tensão nominal de cisalhamento e a tensão de compressão valem:
resultando numa tensão equivalente de Mises em:
Dimensionamento mecânico do parafuso
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A tensão nominal de flexão na rosca depende do número de filetes envolvidos (h/p) ao longo da região de contato (altura da porca, por exemplo) e pode ser aproximada por:
Problemas resolvidos – 8.1/8.2/8.3
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Referências bibliográficas
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