Elementos fixacao - Parafusos

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Elementos Fixação 
PARAFUSOS 
 
 
 
2010 
Professor Fiore 
Construção de Máquinas I 
 
ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS 
Os parafusos são utilizados tanto para manter coisas unidas, como no caso de parafusos de 
fixação, quanto para mover cargas, como nos casos dos chamados parafusos de potência, ou 
parafusos de avanço. Estudaremos estes dois tipos de aplicações. 
Parafusos de fixação podem ser arranjados para resistir a cargas de tração, de cisalhamento ou 
ambas. Exploraremos também a aplicação de pré-cargas em parafusos de fixação, as quais 
podem aumentar sensivelmente a sua capacidade de sustentar cargas. 
 
FORMAS PADRONIZADAS DE ROSCAS: 
O elemento comum entre os vários fixadores é a rosca. Em termos gerais, a rosca é um 
filete que faz com que o parafuso avance sobre o material ou porca quando 
rotacionado. As roscas podem ser externas (parafusos atarrachante) ou internas 
(porcas de furos roscados). 
Após a Segunda Guerra Mundial, foram padronizados na Inglaterra, no Canadá e nos 
EUA no que hoje se conhece como série Unified National Standard (UNS). O padrão 
europeu é definido pela ISO e tem essencialmente a mesma forma da seção 
transversal da rosca, usamos, porém, dimensões métricas e, portanto, não é 
intercambiável com as roscas UNS. 
UNS (americana) -> ângulo 60° -> fios por polegada 
ISO (métrica) -> ângulo 60° -> passo em mm 
Withworth -> ângulo 55° -> fios por polegada 
O comprimento L da rosca é a distância que uma rosca avançará axialmente com a 
revolução da porca. Se for uma rosca simples (com uma entrada) o avanço irá igualar o 
passo. Parafusos podem ser feitos com roscas múltiplas, também chamadas de rosca 
de múltiplas entradas. 
 
 
 Avanço = Passo x Nº de entradas 
 
 
As roscas múltiplas têm a vantagem de avançar mais rapidamente sobre a porca com 
capacidade de transmitir maior potência. As rosca simples resistem mais à vibrações, 
resistindo mais ao afrouxamento. 
Três séries padrão de famílias de diâmetro primitivo são definidas para as roscas de 
padrão UNS, passo grosso (UNC), passo fino (UNF) e o passo extrafino (UNEF). 
 Série grossa -> aplicações comuns que requerem repetidas inserções e 
remoções do parafuso ou onde o parafuso é rosqueado em material mole. 
 Série fina -> mais resistentes ao afrouxamento decorrente de vibrações que as 
roscas grossas por causa de seu menor ângulo de hélice. 
 Série ultrafina -> utilizadas onde a espessura do passo é limitada e suas roscas 
pequenas são uma vantagem. 
Os padrões Unified National e ISO definem intervalos de tolerância para roscas 
internas e externas de maneira a controlar seu ajuste. A UNS define 3 tipos de classes 
chamadas 1, 2 e 3. A classe 1 possui as tolerâncias mais largas e utiliza fixadores de 
“qualidade comercial” (pouco custosos) para o uso casual em residências, etc. a classe 
2 define tolerâncias mais estreitas para uma melhor qualidade de encaixe entre as 
partes e é adequado para uso geral em projeto de máquinas. A classe 3 é de maior 
precisão e pode ser especificada quando ajustes mais precisos são requeridos. O custo 
aumenta com classes de ajustes mais altas. Outra designação diferencia roscas A 
(externas) e B (internas). Exemplo de especificação: 
ROSCA UNS: ¼ – 20 UNC – 2A 
Rosca externa de diâmetro 0,25 inch (polegada) com 20 fios por polegada, série grossa, 
classe 2 de ajuste. 
 ROSCA MÉTRICA: M8 x 1,25 
Rosca ISO comum de 8 m de diâmetro por 1,25 mm de passo de hélice. 
Todas as roscas padrão são de mão direita (RH – right hand) por padrão, a menos que 
haja especificação em contrário por adição das letras LH (left hand) à especificação. 
Uma rosca direita afastará a porca (ou parafuso) de você quando um ou outro 
componente for girado na direção dos ponteiros do relógio. 
 
DIMENSIONAMENTO DE FIXADORES ROSCADOS: 
ÁREA SOB TRAÇÃO 
Se uma barra rosqueada é submetida a uma carga de tração pura, é de se esperar que 
sua resistência seja limitada pela área de seu diâmetro menor (da raiz) dr. Contudo, 
testes das barras rosqueadas sob tração mostram que a sua resistência à tração é 
melhor definida para média dos diâmetros menor e primitivo. 
A área sob tração AT, é definida como: 
 
Onde para roscas UNS: 
 
 
 
E para roscas ISO: 
 
 
Com: 
d = diâmetro externo 
N = número de filetes por polegada 
p = passo em milímetros 
 
A tensão em uma barra rosqueada devido a uma carga axial de tração F, é então: 
 
 
 
EXERCÍCIOS: 
1) Verificar se um parafuso de aço SAE1030 com tensão admissível à tração de τT = 1200 
kgf/cm² suporta uma carga de 150 kgf, onde: 
diâmetro externo do parafuso = 5,00 mm 
parafuso com rosca ISO de passo = 1,25 mm 
 
resolução: 
 
dp = d – 0,649519 . p dp = 5 - 0,649519 . 1,25 
 dp = 4,19 mm 
 
dR = d – 1,226869 . p dR = 5 – 1,226869 . 1,25 
 dR = 3,47 mm 
 
AT = 11,52 mm² => 0,1152 cm² 
 
não suporta ! 
 
 
 
2) Verificar se um parafuso de aço SAE8640 com tensão admissível à tração de τT = 1200 
kgf/cm² suporta uma carga de 350 kgf, onde: 
2
2
47,319,4
4





 


TA
A
F
T 
1152,0
150
T
TTT cmkgf  
2/1,302.1
diâmetro externo do parafuso = ½” 
parafuso com rosca UNC (UNS grossa) de 13 fios por polegada 
 
resolução: 
 
 
AT = 0,9152 cm² 
 OK suporta ! 
 
 
3) Dimensionar um parafuso de aço SAE1045 com tensão admissível à tração de τT = 1200 
kgf/cm² sujeito a uma carga de 300 kgf, onde: 
parafuso com rosca ISO de passo = 1,25 mm 
 
resolução: 
 
2
2
016,1143,1
4





 


TA
cmmmdpd
N
dd RR 016,116,10
13
4,25
.299038,17,12
4,25
.299038,1 
cmmmdpdp
N
ddp 143,143,11
13
4,25
.649519,07,12
4,25
.649519,0 
9152,0
350
T
TTT cmkgf  
2/43,382
A
R
R
T
T
T
F
d
d
F
A
F


.
.4
4
.
2

 
dR = d – 1,226869 . p → d = dR + 1,226869 . p 
d = 5,641 + 1,226869 . 1,25 
d = 7,17 mm → NORMALIZANDO = M8 x 1,25 
 
Verificando: 
dp = d – 0,649519 . p dp = 8 - 0,649519 . 1,25 
 dp = 7,18 mm ou 0,718 cm 
 
dR = d – 1,226869 . p dR = 8 – 1,226869 . 1,25 
 dR = 6,46 mm ou 0,646 cm 
 
 
 
 
 
OK suporta ! 
 
 
3653,0
300
T
TTT cmkgf  
2/24,821
cmdd RR 5641,0
1200.
300.4


2
2
3653,0
2
646,0718,0
4
cmAA TT 




 


 
4) Dimensionar um parafuso de aço SAE8640 com tensão admissível à tração de τT = 1100 
kgf/cm² sujeito a uma carga de 500 kgf, onde: 
parafuso com rosca UNC (rosca grossa) com 12 fios por polegada 
 
resolução: 
 
 
 
 
 
 
d = 10,35 mm → d = 1,035 cm 
 
 
UNC 
3/8” → 16 → 09,52 mm 
7/16” → 14 → 11,11 mm 
1/2” → 13 → 12,70 mm 
9/16” → 12 → 14,28 mm 
 
A
R
R
T
T
T
F
d
d
F
A
F


.
.4
4
.
2

mmcmdd RR 607,77607,0
1100.
500.4


mmdd
N
ddR 35,10
12
4,25
.299038,1607,7
4,25
.299038,1 
Adoto rosca : 9/16” – 12 UNC – 2A 
 
 
Verificando: 
 
 
 
 
 
 
267,426
1719,1
500
cm
kgf
TT  
!1200 2 OKcm
kgf
TT  
2
2
1719,1
2
153,129,1
4
cmAA TT 




 


cmmmdpdp
N
ddp 29,19,12
12
4,25
.649519,028,14
4,25
.649519,0 
cmmmdpd
N
dd RR 153,153,11
12
4,25
.299038,128,14
4,25
.299038,1 
TENSÃO DE CISALHAMENTO 
 
Um possível modo de falha por cisalhamento envolve o rasgamento de filetes da rosca 
tanto da porca quanto do parafuso. O que, se um ou outro desses cenários ocorrer, 
depende das resistências relativas dos materiais da porca e parafuso. Se o material da 
porca for mais fraco (como quase sempre ocorre), os seus filetes podem ser cortados 
ao longo do seu diâmetro maior. Se o parafuso é mais fraco, pode ter os seus filetes de 
roscas rasgados ao longo do seu diâmetro menor. 
Se ambos os materiais possuem resistência idêntica, o conjunto pode ser rasgado ao 
longo do diâmetro primitivo. Em todo caso devemos supor algum grau de 
compartilhamento da carga entre os filetes das roscasa fim de calcular as tensões. 
Um modo de proceder consiste em considerar que uma vez que uma falha completa 
requer que todos os filetes da rosca sejam rasgados, estas podem ser consideradas 
como compartilhando a carga igualmente. Essa hipótese é provavelmente válida, 
desde que a porca ou parafuso (ou ambos) seja dúctil de modo a permitir que cada 
rosca rasgue a medida que o conjunto começa a falhar. Contudo, se ambas as partes 
são frágeis (por exemplo, aços de alta resistência ou ferro fundido) e o ajuste dos 
filetes da rosca é pobre, podemos imaginar cada filete assumindo toda a carga por 
turnos até que haja fratura e o trabalho seja repassado para o próximo filete. A 
realidade está inserida nestes extremos. Se expressarmos a tensão sob cisalhamento 
em termos do número de filetes de rosca engajados, um julgamento deve ser feito em 
cada caso para determinar o grau de compartilhamento de carga apropriado. 
A área sob cisalhamento ou rasgamento AS para um filete de rosca é a área do cilindro 
do seu diâmetro menor dR: 
 
 
p → passo da rosca 
Wi → fator que define a porcentagem do passo ocupado pelo metal no 
diâmetro menor 
A área para um passo da rosca, obtida a partir desta equação pode ser multiplicada 
por todos, por um ou alguma fração do número total de filetes de rosca engajados de 
acordo ao que julgar correto o projetista, sempre levando em conta os fatores 
discutidos acima para cada caso em particular. 
Para o rasgamento da porca no seu diâmetro maior, a área sob cisalhamento para um 
filete de rosca é: 
 
 
 
p → passo da rosca 
Wo → fator que define a porcentagem do passo ocupado pelo metal no 
diâmetro maior da porca 
 
Fatores de área para área de cisalhamento por corte de roscas: 
TIPO ROSCA Wi Wo 
UNS/ISO 0,80 0,88 
QUADRADA 0,50 0,50 
ACME (trapezoidal) 0,77 0,63 
BOTARÉU 0,90 0,83 
 
A tensão de cisalhamento para rasgamento da rosca é então calculada à partir de: 
 
Exemplo: 
1) Verificar se uma rosca ISO de 10mm de diâmetro externo com passo de 1,5 mm 
resiste a uma tensão de cisalhamento de rasgamento para uma carga de 
400kgf, sabendo que o material do parafuso é aço 8640 com uma τC = 900 
kgf/cm². 
Resolução: 
dR = d – 1,226869 . p → dR = 10 – 1,226869 . 1,5 
→ dR = 8,16 mm ou 0,816 cm 
 
AS = π . 0,816 . 0,8 . 0,15 → AS = 0,308 cm² 
 
Recalculando: 
 
 
dR = 1,179 cm ou 11,79 mm 
dR = d – 1,226869 . p → d = dR + 1,226869 . p 
d = 11,79 + 1,226869 . 1,5 → d = 13,63 mm 
Normalizamos: M14 X 2,0 
dR = d – 1,226869 . p → dR = 14 – 1,226869 . 2 
→ dR = 11,55 mm ou 1,155 cm 
 
AS = π . 1,155 . 0,8 . 0,2 → AS = 0,581 cm² 
 
 
 
 
2) Verificar se uma rosca UNC de 7/16” de diâmetro externo com 14 fios por 
polegada resiste a uma tensão de cisalhamento de rasgamento para uma carga 
de 350 kgf, sabendo que o material do parafuso é aço 1045 com uma τC = 800 
kgf/cm². 
d = 7/16” = 11,1125 
 
p = 25,4/14 = 1,814 mm ou 0,1814 cm 
 
 
 
Recalculando: 
 
 
dR = 0,9596cm ou 9,596mm 
dR = d – 1,299038 . (25,4/fpp) → d = dR + 1,226869 . (25,4/fpp) 
d = 9,596 + 2,356 → d = 11,95mm 
Normalizamos: ½” – 13 UNC – 2A 
Verificamos: 
dR = d – 1,299038 . (25,4/fpp) → d = ½” ou 12,7mm 
para UNC ½” a quantidade fpp = 13 então p = 25,4/13 
dR = 12,7- 2,54 → dR = 10,16 mm ou 1,016cm 
 
AS = π . 1,016 . 0,8 . 0,1953 → AS = 0,4987 cm² 
 
 
 
TENSÕES TORCIONAIS 
 
Quando uma porca é apertada em um parafuso, ou quando o torque é transmitido 
através de uma porca de um parafuso de potência, uma tensão de torção pode ser 
desenvolvida no parafuso. O torque que torce o parafuso depende do atrito na 
interface parafuso-porca. Se o parafuso e a porca estão bem lubrificados, uma porção 
menor do torque aplicado é transmitida ao parafuso e uma maior é absorvida entre a 
porca e a superfície engastada. Se a porca estiver agarrada ao parafuso por causa da 
ferrugem, todo o torque aplicado irá torcer o parafuso. Oque explica porque os 
parafusos enferrujados normalmente cisalham mesmo quando se tenta afrouxar a 
porca. Em um parafuso de potência, se o colar de empuxo possuir um baixo atrito, 
todo o torque aplicado a porca criará tensões torcionais no parafuso (uma vez que 
pouco torque é levado ao chão por meio do pequeno atrito no colar). Assim, para 
acomodar o pior caso de atrito nas roscas, utilize o torque total aplicado na equação 
de cômputo das tensões de torção em uma seção circular: 
 
 
 
Onde: 
Τ = tensão de cisalhamento de trabalho 
Τadm = tensão de cisalhamento admissível 
WT = módulo de resistência à torção para seção circular 
dR = diâmetro menor do parafuso 
 
Exemplo: 
 
 
1) Dimensionar um parafuso ISO sujeito a um momento torçor de MT = 390 
kgf.cm, sabendo que o material do parafuso é aço SAE1045 com uma τadm=850 
kgf/cm². 
Resolução: 
 
dR = 1,327 cm ou 13,27 mm 
 
NORMALIZANDO: M14 x passo 2,0