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Parafusos, Rebites e Outros Dispositivos de Ligação

Parafusos, Porcas, Arruelas e Roscas

Parafusos, porcas e arruelas são peças metálicas de vital importância na união e fixação dos mais diversos elementos de máquina. Por sua importância, a especificação completa de um parafuso e sua porca englobam os mesmos itens cobertos pelo projeto de um elemento de máquina, ou seja: material, tratamento térmico, dimensionamento, tolerâncias, afastamentos e acabamento.

Tipos de parafusos

Os parafusos podem ser: · Sem porca • Com porca

• Prisioneiro

• Allen

• De fundação farpado ou dentado

• Auto-atarraxante

• Para pequenas montagens

Parafuso sem porca

Nos casos onde não há espaço para acomodar uma porca, esta pode ser substituída por um furo com rosca em uma das peças. A união dá-se através da passagem do parafuso por um furo passante na primeira peça e rosqueamento no furo com rosca da segunda peça.

Parafuso com porca

Às vezes, a união entre as peças é feita com o auxílio de porcas e arruelas. Nesse caso, o parafuso com porca é chamado passante.

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Parafuso prisioneiro O parafuso prisioneiro é empregado quando se necessita montar e desmontar parafuso sem porca a intervalos freqüentes. Consiste numa barra de seção circular com roscas nas duas extremidades. Essas roscas podem ter sentido oposto. Para usar o parafuso prisioneiro, introduz-se uma das pontas no furo roscado da peça e, com auxílio de uma ferramenta especial, aperta-se essa peça. Em seguida aperta-se a segunda peça com uma porca e arruelas presas à extremidade livre do prisioneiro. Este permanece no lugar quando as peças são desmontadas.

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, para melhor acabamento. E também por necessidade de redução de espaço entre peças com movimento relativo.

Parafuso de fundação farpado ou dentado

Os parafusos de fundação farpados ou dentados são feitos de aço ou ferro e são utilizados para prender máquinas ou equipamentos ao concreto ou à alvenaria. Têm a cabeça trapezoidal delgada e áspera que, envolvida pelo concreto, assegura uma excelente fixação. Seu corpo é arredondado e com dentes, os quais têm a função de melhorar a aderência do parafuso ao concreto.

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). Esse tipo de parafuso elimina a necessidade

UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL Elementos de Máquinas e Transmissões – Prof. Rafael Antônio Comparsi Laranja 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.

Parafuso para pequenas montagens

Parafusos para pequenas montagens apresentam vários tipos de roscas e cabeças e são utilizados para metal, madeira e plásticos.

Dentre esses parafusos, os utilizados para madeira apresentam roscas especiais.

Tipos de porcas São os seguintes os tipos de porcas:

· Castelo • Cega (ou remate)

• Borboleta

• Contraporcas

Porca castelo

A porca castelo 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.

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Porca cega (ou remate)

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.

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 freqüentes.

Contraporcas

As porcas sujeitas a cargas de impacto e vibração apresentam tendência a afrouxar, o que pode causar danos às máquinas. Um dos meios de travar uma porca é através do aperto de outra porca contra a primeira. Por medida de economia utiliza-se uma porca mais fina, e para sua travação são necessárias duas chaves de boca. Veja figura a seguir.

Arruelas

São peças cilíndricas, de pouca espessura, com um furo no centro, pelo qual passa o corpo do parafuso. As arruelas servem basicamente para:

· Proteger a superfície das peças; • Evitar deformações nas superfícies de contato;

• Evitar que a porca afrouxe;

• Suprimir folgas axiais (isto é, no sentido do eixo) na montagem das peças;

• Evitar desgaste da cabeça do parafuso ou da porca.

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A maioria das arruelas é fabricada em aço, mas o latão também é empregado; neste caso, são utilizadas com porcas e parafusos de latão. As arruelas de cobre, alumínio, fibra e couro são extensivamente usadas na vedação de fluidos.

Tipos de arruelas

Os três tipos de arruela mais usados são:

· Arruela lisa; • Arruela de pressão;

• Arruela estrelada

Arruela lisa

A arruela lisa (ou plana) geralmente é feita de aço e é usada sob uma porca para evitar danos à superfície e distribuir a força do aperto. As arruelas de qualidade inferior, mais baratas, são furadas a partir de chapas brutas, mas as de melhor qualidade são usinadas e têm a borda chanfrada como acabamento.

Arruela de pressão

A arruela de pressão consiste em uma ou mais espiras de mola helicoidal, feita de aço de mola de seção retangular. Quando a porca é apertada, a arruela se comprime, gerando uma grande força de atrito entre a porca e a superfície. Essa força é auxiliada por pontas aguçadas na arruela que penetram nas superfícies, proporcionando um travamento positiva.

Arruela estrelada

A arruela estrelada (ou arruela de pressão serrilhada) é de dentes de aço de molas e consiste em um disco anular provido de dentes ao longo do diâmetro interno ou diâmetro externo. Os dentes são torcidos e formam pontas aguçadas. Quando a porca é apertada, os dentes se aplainam penetrando nas superfícies da porca e da peça em contato. A arruela estrelada com dentes externos é empregada em conjunto com parafusos de cabeça chanfrada.

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Roscas

Rosca é uma saliência de perfil constante, helicoidal, que se desenvolve de forma uniforme, externa ou internamente, ao redor de uma superfície cilíndrica ou cônica. Essa saliência é denominada filete.

Simbologia dos principais elementos de uma rosca

D = diâmetro maior da rosca interna (nominal) d = diâmetro maior da rosca externa (nominal) D1 = diâmetro menor da rosca interna d1 = diâmetro menor da rosca externa D2 = diâmetro efetivo da rosca interna d2 = diâmetro efetivo da rosca externa P = passo A = avanço N = número de voltas por polegada n = número de filetes (fios por polegada) H = altura do triângulo fundamental he = altura do filete da rosca externa hi = altura do filete da rosca interna i = ângulo da hélice (α) rre = arredondamento do fundo da rosca do parafuso rr1 = arredondamento do fundo da rosca da porca

Principais Sistemas de Roscas

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Análise Mecânica, Resistência e Projeto de Elementos de Ligação Simples:

Pode-se dividir o projeto de elementos de ligação simples em: • Não-permanente (exemplo : parafusos, chavetas)

• Permanentes (exemplo : rebites)

Nomenclatura A terminologia de roscas de parafusos, ilustrada na figura a seguir, é explicada como:

A tabela a seguir é útil ao se especificar e projetar peças rosqueadas. Observe que o tamanho da rosca é especificado dando-se o passo p para tamanhos métricos. A segunda coluna dessa tabela mostra que um parafuso nº 8 tem um diâmetro maior nominal de 0,1640 polegadas.

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As figuras a seguir mostram os tipos de filete, em relação ao ângulo de avanço e a relação avanço-passo.

Filete de rosca (threaded screws): (a) Simples (Single); (b) Dupla (double); (c) Tripla (triple).

Em termos de especificações para fixadores métricos são fornecidas na tabela a seguir. Vale a pena observar que todos os parafusos de porca com especificações de grau feitos nos Estados Unidos levam uma marca do fabricante ou emblema, além da marcação de grau, em sua cabeça.

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Parafusos em Tração

Considerando que o que ocorre quando uma carga externa P de tração, é aplicada a uma conexão de parafuso e porca. Deve-se assumir, naturalmente, que a força de engaste, a qual chamaremos de pré-carga Fi, foi corretamente aplicad apertando-se a porca antes de P fosse aplicada. A nomenclatura empregada é a seguinte:

Fi = pré-carga ou pré-tensão. P = carga externa de tração.

Parafusos com pré-tensão:

O objectivo da pré-tensão é: • Evitar que a união se separe por aplicação de uma força normal exterior, P.

• Evitar deslocamento relativo das peças ligadas, através da criação duma força de atrito suficiente (entre as peças).

Em termos de projeto um fator muito importante é o coeficiente de rigidez, pois a força e o coeficiente de rigidez são proporcionais às deformações, sendo assim, os próximos subcapítulos mostram a metodologia para a obtenção desse coeficiente.

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Determinação da Rigidez da Ligação Aparafusada

A determinação do coeficiente de rigidez está intimamente ligada aos comprimentos equivalentes, e esses são dados por:

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Rigidez dos Parafusos à Tracção Uma vez obtidos os comprimentos equivalentes a rigidez dos parafusos à tração é dada por:

Rigidez das Peças à Compressão

Uma vez obtidos os comprimentos equivalentes a rigidez dos parafusos à compressão é dada por:

Agora, para ligação de duas peças com a mesma espessura e o mesmo material temos:

d L EAk = dttd dtb LALA t L EAk =

( )() dDdDtant2 dDdDtant2ln tandEk

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Juntas Sob Força Exterior, P

Para uma pré-tensão temos: - O parafuso alonga-se;

- As peças ligadas comprimem-se

Quando se aplica a força exterior P: • A força P distribui-se pelo o parafuso e pelas peças ligadas;

mk1k

bi b b kF EA

==d mi m m kF EA

mb P += mb kPk mb b k kC +

LdB im eAdEk =

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• O parafuso alonga; b b b i i

• As peças ligadas descomprimem.

()1m m m i i

Aperto

Formas de controlar a pré-tensão: • Medir a deformada do parafuso; iFL

AE d=

• Medir o de aperto aplicado ao parafuso.

l sec

2 lsec2 i m m i ccm Fd d FdT d mp am p ma æö +

=+ ç÷ -Łł Simplificando: iTKFd=

Projeto Estático do Parafuso

Força no parafuso: biFCPF=+

Tensão no parafuso: bi bp t t

F CnP S A A s==+£

Quando a força resultante separa as peças ligadas, significa que Fm = 0 e Fb é máximo. Deve-se prevenir que tal não aconteça.

iPFn P CP== -

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Pré- Tensão

Em termos de pré-tensão, um fator de extrema importância é conhecer o diagrama de tensão- deformação para materiais de parafuso de porca mostrando a resistÊncia à prova Sp, a resistência ao escoamento Sy e a resistência a tração Sut.

Observe que não existe ponto de escoamento claramente definido e que o diagrama progride suavemente até a fratura, a qual corresponde à tensão de resistência. Isso significa que não importa a quantidade de pré-carga fornecida ao parafuso de forca, ele reterá sua capacidade de carregar carga. Isso é o que mantém apertado e determina a resistência da junção. A tensão de pré-carga é o “músculo” da junção, e sua magnitude é determinada pela resistência do parafuso. Se a resistência total deste não for usada ao desenvolver a pré-tração, a junção será mais fraca, o que será um desperdício.

Parafusos de porca de boa qualidade podem ser pré-carregados dentro do intervalo plástico, de modo a desenvolver uma maior resistência. Parte do torque de parafuso de porca utilizado no aperto produz torção, que por sua vez aumentea a tensão principal de tração. Contudo, essa torção é mantida apenas pela frição da cabeça do parafuso de porca e da porca; com o tempo, ela relaxa e diminui a tração do parafuso. Sendo assim um parafuso de porca irá ou não sofrer fratura durante o aperto.

O importante acima de tudo, é não confiar no torque de chave, pois ele não é um bom indicador da pré-carga. Uma elongação verdadeira do parafuso de porca deve ser utilizada sempre que possível. De fato, se a confiabilidade alta é um requisito de proeto, então a pré-carga deve ser sempre determinada pela elongação do parafuso.

Em termos de comendações, tanto para carregamento estático como em fadiga, que seja usada a seguinte relação de pré-carga:

F para ligações não permanentes F F para ligações permanentes

Onde Fp é a carga de prova, obtida por: PtPFAS=

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Para outros materiais que não se encontram tabelados Sp = 0,85 Sy

Metodologia de Projecto Estático do Parafuso A seguir são descritos os passos para cálculo dos esforços em parafusos.

Parafuso Sob Esforços de Tração, P :

1. Definir o tipo de ligação (permanente ou não); 2. Especificar a Classe de Resistência do parafuso (Sp, Sy); 3. Dimensionar o parafuso ao esforço, Fb , ou determinar o número de parafusos (N) com uma dada dimensão, At.

b i p t t b i ptPF C nP F S A A ou F C n F S ANN =+£Þ=+£Þ

Parafuso Sob Esforços Cisalhantes, Ps :

1. Definir o tipo de ligação (permanente ou não);

2. Especificar a Classe de Resistência do parafuso (Sp, Sy); 3. Determinar a força de pré-tensão de modo que a força de atrito equilibre a força de corte aplicada ( m é o coeficiente de atrito).

4. Dimensionar o parafuso ao esforço, Fi , ou determinar o número de parafusos (N) com uma dada dimensão, At.

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