A interação de forças numa união roscada
É claro que é desejável que as uniões roscadas sejam confiáveis e que não haja risco de se soltarem sozinhas. Para um alto grau de confiabilidade, é extremamente importante que tenha alguma compreensão das forças que podem ocorrer numa união roscada. Isto porque todos os elementos da união influenciam o resultado final
| Figura 1 | Figura 2 |
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Em termos simples, existem dois tipos de carga estática possíveis numa união roscada:
- Sem força de aperto – a força é transmitida entre as placas por forças perturbadoras e por forças de corte no corpo do parafuso ou na rosca. As placas que devem ser conectadas movem-se relativamente umas às outras até que os furos fiquem contra o corpo do parafuso ou contra a rosca. Neste caso, os parafusos têm carga de corte (carga transversal), ver figura 1.
- Com uma força de aperto elevada – Esta força de aperto impede que as partes que estão fixas se desloquem. A força é transferida por atrito. Os parafusos são carregados em extensão (carga axial), ver figura 2.
Geralmente, um deslocamento mútuo das partes a fixar não é desejável.
Devemos, portanto, aplicar força de aperto suficiente na união aparafusada. Isto é a pré-carga, que é alcançada após a porca ou o parafuso terem sido apertados.
Se as forças na estrutura mudam regularmente de direção ou não são constantes, então há uma carga dinâmica. Será mostrado abaixo que uma carga dinâmica pode ser uma das razões para as uniões aparafusadas se desapertem ou mesmo para os parafusos se partirem.
Para que uma união cumpra a sua função, especialmente se uma carga dinâmica estiver presente, a força de aperto deve ser mantida.
Uma união roscada é uma unidade elasticamente resiliente
Ao projetar e fazer uma união roscada, é muito importante entender:
- Os parafusos e as peças que estão conectadas funcionam como uma unidade resiliente elasticamente: os elementos apertados são comprimidos elasticamente, enquanto o parafuso se estica durante a montagem. Se o parafuso se esticar ainda mais devido a uma carga externa, farão efeito de mola;
- A força de tensão nos parafusos também é igual à força de pressão dos elementos fixados. Podemos ilustrar isso com base na figura 3
Figura 3
A interação de forças e deformação é apresentada num chamado triângulo de força / deformação, ver gráfico A (abaixo). A linha 1 no gráfico mostra a deformação que um parafuso sofre devido a uma força de tração. A linha 2 refere-se ao conjunto apertado que se deforma sob a influência da força de pressão devido ao parafuso.
fsm= alongamento do parafuso devido à força de aperto Fm
fpm= compressão dos elementos fixados devido à força de aperto Fm
No gráfico acima pode ver-se que com uma força de aperto Fm o alongamento do parafuso é igual a fsm e à compressão das partes fixas fpm. Porque os materiais usados para os parafusos e as peças a fixar são diferentes, assim como o design, fsm e fpm geralmente não são iguais.
Para esta união roscada aplicamos uma carga externa Fa, ver figura 4.
Figura 4
Se traçarmos essa força de tração externa Fa em gráfico A, então terá de ser encaixada entre ambas as características de deformação. Se o parafuso se estender devido à força externa, o material a fixar vai reacionar o equivalente, ver gráfico B.
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Fm = força de aperto original na ligação
Fa = carga axial externa
Fpa = redução na força de aperto devido a Fa
Fsa = aumento na carga do parafuso devido a Fa
Fkr = força de aperto residual na união
Fs = carga total no parafuso
Um parafuso mais elástico causará um aumento menor da carga do parafuso.
Por um lado, Fa produz uma redução na força de aperto (Fpa) e por outro lado, provoca um aumento da carga no parafuso (Fsa).
É desejável que o aumento de carga seja o menor possível, não apenas para evitar que o parafuso fique com sobre carga. Isto é porque, se a carga externa é dinâmica, o parafuso vai sentir apenes as flutuações em Fsa. Se a amplitude desta força Fsa é grande, isso pode em breve dar origem a fratura devido à fadiga. Além disso, a força de aperto residual Fkr nunca deve se tornar zero! Se isso acontecer, a ligação vai partir.
O aumento na carga do parafuso Fsa pode ser limitado, tanto quanto possível, usando um parafuso muito elástico. Como resultado, a curva de deformação do parafuso é menos inclinada. O que vemos é que a força externa é absorvida muito mais por uma redução na força de aperto, ver gráfico C.
Obtemos o mesmo efeito utilizando materiais a fixar muito rígidos: como resultado, a curva de deformação dos materiais a fixar torna-se muito ingreme e a força externa é quase completamente absorvida por uma redução na força de aperto, ver gráfico D.
Materiais a fixar mais rígidos irá causar um aumento menor da carga do parafuso.
Em resumo
Particularmente com uma carga dinâmica é extremamente importante mantermos qualquer carga adicional no parafuso o mais baixo possível: devido à fadiga, fratura súbita pode ocorrer.
Com uma carga externa, a fim de limitar a força adicional no parafuso, tanto quanto possível:
- Os membros estruturais devem ser tão rígidos quanto possível.
- A força de aperto deve ser tão grande quanto possível, definitivamente maior que a arga externa.
- Parafusos elásticos podem ser usados:
- Escolha uma relação alta de, comprimento de aperto/diâmetro (≥ 5xD)
- Selecione um comprimentos de rosca maior
- Se necessário, use um diâmetro reduzido da haste (parafusos haste reduzida)