elementos de fixação

ETEC Jorge Street – S. Caetano do Sul - Professor: Luiz A. Carnielli

Tecnologia e Manutenção Automotiva

Elementos de FixaçãoBibliografia, pesquisa, fontes dos desenhos e fotos:

“Seminário sobre Aperto de Juntas Rosqueadas”, Atlas Copco/FAAP“Tightening Systems”, Bosch

“Torque Training Manual”, Tohnichi“Noções Práticas de Elementos de Máquinas” – Senai, ES

www.wikipedia.com.brwww.ufrgs.com.br

www.stuffworks.com.brwww.metalac.com.br

www.motonline.com.brwww.ciser.com.br

www.mundomecanico.com.brwww.unerj.com.br

www.reiparparafusos.com.brwww.ajusa.es

www.bamtech.com.br


Tecnologia e Manutenção AutomotivaElementos de Fixações

• Cola• Rebites• Pinos

• Cavilhas• Contrapinos ou Cupilhas

• Anel Elástico• Chavetas• Parafusos

• Porcas• Arruelas

Tipos

• Móveis• Permanentes



Rebite: Fabricado de aço, alumínio, cobre ou latão, é usado para fixação permanente de 2 ou mais peças

Pino: usado na união de peças articuladas

Contrapino ou Cupilha: impedem movimentação e fuga de porcas e arruelas

Anel Elástico: impede deslocamentos de eixos

Cavilha: no travamentos de máquinas

Chavetas: desempenha as funções de fixação e transmissão



Na grande variedade de fixadores, o conjunto Parafuso & Porca se destaca

APLICAÇÕES:• Fixações desmontáveis

• Aplicação de pré-tensão (tensores)

• Obturadores (fechamento de orifícios)

• Ajustagem (parafusos micrométricos)

• Transmissores de força (prensa de parafruso, morsa)

• Movimentos rotativos em retilíneos



TRAÇÃOesforço atua no mesmo sentido de

instalação, provocando o estiramento ou arrancamento do parafuso

CISALHAMENTOesforço atua no sentido perpendicular ao parafuso, provocando o corte na secção

da carga

COMBINADOquando se tem o esforço de tração e cisalhamento atuando ao mesmo tempo

Normalmente, são submetidos a cargas estáticas ou de fadigas com Tração, Cisalhamento ou combinação de ambas


Tecnologia e Manutenção AutomotivaFixações de Parafusos na Indústria

Um automóvel possui mais de mil fixações nos quais os parafusos executam ações de vital importância para o condutor e passageiros

Capacidade de cargaEm qualquer sistema de fixação, os parafusos devem ser dimensionados para suportar uma

carga composta por:

• Tensão Inicial ou Tensão do Aperto (Torque)(Controlada por torquímetro ou equipamentos de aperto)(Tensão de Tração no Parafuso)

• Tensão imposta pelas peças a serem unidas(Força de União e Cisalhamento do Parafuso)

Torque

Cargas de Cisalhamento

Cargas deCisalhamento

Força de União



A História do Parafuso e da Porca

• O parafuso teria sido desenvolvido pelo matemático grego Archytas of Tarentum (428/350 aC)

• No 10 século aC, parafusos foram usados em prensas de óleo e vinho no mundo Mediterrâneo

• Parafusos de metal surgiram somente em torno de 1400, na Europa

• Johann Gutenberg, no século XV incluiu parafusos em sua impressora

• Desenhos de Leonardo da Vinci, no século XV já mostravam máquinas cortadoras de parafusos

• Jacques Besson, matemático francês, inventou em 1568, a primeira máquina para fabricar parafusos

• No fim do século XVII, parafusos já eram comuns nas armas de fogo

• Em 1797, Henry Maudslay patenteou o parafuso de fenda

• Extremamente grosseiras, a primeira referência de porca rosqueada apareceu no fim do século XVI

• A Revolução Industrial (século XVIII) colaborou na propagação destes fixadores


Tecnologia e Manutenção AutomotivaPersonagens comuns com o Parafuso

• 1765, James Watt: máquina a vapor

• Eli Whitney: descaroçador de algodão. Em 1801, mostrou o caminho para a intercambialidade

• Samuel Colt: pistola de mão

• James Nasmith: martelo hidráulico

• Elias House: máquina de costura – defendia a uniformização de porca e parafuso

• 1800, Henry Maudslay: equipamento para fabricar parafusos com diferentes passos e diâmetros

• 1881: o sistema Withworth já tinha sido adotado como padrão britânico


Tecnologia e Manutenção AutomotivaPadronização do Parafuso: Whithworth X Sellers

• 1841, Joseph Whitworth na Inglaterra: “Um sistema uniforme de roscas em parafusos”:

- parafusos de várias dimensões com passos, profundidades e formas iguais

- 55 graus para ângulo das roscas

- cada diâmetro determinaria o número de fios por polegada

- rosca arredondada na crista e no vale (diâmetro interno)

• 1864: EUA inicia padronização

• William Sellers, um montador de ferramentas de máquinas na Filadélfia, tinha várias objeções ao sistema de Whitworth:

- ângulo de 55 graus era difícil de aferir, argumentava que 60 graus era o ideal


Tecnologia e Manutenção AutomotivaPadronização do Parafuso: rumo a um Sistema Global

• Incompatibilidade trouxe problemas nas 1ª e 2ª guerras mundiais (intercambialidade)

• 1948: EUA, Canadá e Grã-Bretanha padronizam os 2 sistemas

• a ISO (Organização Internacional para a Padronização) inicia trabalho para definir um sistema padrão mundial

• 1964: em Nova Delhi, adotou-se os dois sistemas: ISO Inch Thread System (Polegada) e ISO Metric Screw Thread System (Métrico)

• 1971: EUA propõe o Optimum Metric System (Sistema Métrico Ótimo) que considera um perfil de rosca voltado à área espacial e com melhor resistência a fadiga

• Aprovou-se um sistema similar que agora é o padrão métrico internacional:- American National Standards Institute (ANSI/ISO)

Várias outras organizações se preocupam com padrões de fixadoresNos EUA essas organizações incluem a American Society for Testing and Materials (ASTM), a American National Standards Institute (ANSI), a Society of Automotive Engeneers 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.


Tecnologia e Manutenção AutomotivaPadronização do Parafuso: Organizações

PAIS ABREVIATURA DA NORMA ORGANISMO NORMALIZADOR

Internacional ISO Organização Internacional de Normalização

Espanha UNE Instituto de Racionalização e Normalização

Alemanha DIN Comitê de Normas Alemã

Rússia GOST Organismo Nacional de Normalização Soviético.

França NF Associação Francesa de Normas.

Inglaterra BSI Instituto de Normalização Inglês

Italia UNI Entidade Nacional Italiano de Unificação

América USASI Instituto de Normalização para os Estados de América.


Tecnologia e Manutenção AutomotivaParafusos: Simbologia Mais Comuns

American Petroleum Institute API

British Association BA

International Standards Organisation ISO

Rosca para Bicicletas C

Rosca Edison E

Rosca de Filetes Redondos Rd

Rosca de Filetes Trapezoidais Tr

Rosca para Tubos Blindados PG

Rosca Whitworth de Passo Normal BSW

Rosca Whitworth de Passo Fino BSF

Rosca Whitworth Cilíndrica para Tubos BSPT

Simbologia Denominação


Tecnologia e Manutenção AutomotivaParafusos: Simbologia Mais Comuns

Rosca Americana Passo Especial UNS

Rosca Métrica Passo Normal M

Rosca Métrica Passo Fino M

Rosca Americana Unificada Passo Normal UNC

Rosca Americana Unificada Passo Fino UNF

Rosca Americana Unificada Passo Extra Fino UNEF

Rosca Americana Cilíndrica para Tubos NPS

Rosca Americana Cônica para Tubos NPT

Rosca Whitworth BSP

Rosca Americana Cilíndrica "dryseal" para Tubos NPSF

Rosca Americana Cônica "dryseal" para Tubos NPTF

Simbologia Denominação

UNC: Rosca Grossa UNF: Rosca FinaSérie de Passo Constante: 8 UN, 12 UN, 16 UN



Os Parafusos como Transmissão de Movimentos

Fusos: são parafusos especiaisNão são fixadores mas mecanismos que transformam um

movimento circular em retilíneo

Porca



Nomenclatura dos Parafusos



Nomenclatura dos Parafusos

Filete de rosca (a) Simples (b) Dupla (c) Tripla

Três tipos de parafusos (a) Parafuso e porca (b) Parafuso (c) Prisioneiro

a b

b

c

ca



Representação dos Parafusos em Projetos

Furos


Tecnologia e Manutenção AutomotivaPrincipais Tipos de Parafusos

Corpo totalmenterosqueado

Corpo parcialmenterosqueado


Tecnologia e Manutenção AutomotivaParafusos para Solda a Projeção

Processo de solda por resistência em que o fluxo de corrente é concentradonos pontos de contato

Na área automobilística, esses tipos de parafusos são usados para fixações de componentes, em áreas com acesso restrito

Porcas

Parafusos


Tecnologia e Manutenção AutomotivaSolda por Resistência

União de duas ou mais peças metálicas, sujeitadas a determinada temperatura pela ação de uma corrente elétrica e com aplicação de pressão, visando atingir a união molecular na região da solda

Chapas metálicas sobrepostas, são comprimidas por dois eletrodos e ao receberem a corrente elétrica, são fundidas pela geração de calor

1- Solda a Ponto

Eletrodos



2- Solda a ProjeçãoPontos de contatos entre chapa e arame, parafuso ou porca atuam como eletrodos e se fundem à chapa nos

locais determinados

É uma solda por pontos contínuos, executados por eletrodos rotativos

Os pontos são sequenciais e executados através de pressão contínua

3- Solda a Ponto por Costura

Eletrodos Rotativos

Eletrodos


Tecnologia e Manutenção AutomotivaParafusos para Estruturas Metálicas

Parafusos especiais e com alta resistência para suportar grandes cargas de cisalhamento

CARGA

CARGA


Tecnologia e Manutenção AutomotivaPrincipais Tipos de Porcas Especiais

Cadeia de porca

Porca POP


Tecnologia e Manutenção AutomotivaPrincipais Tipos de Cabeças de Parafusos

Principais Tipos de Porcas


Tecnologia e Manutenção AutomotivaPrincipais Tipos de Fendas nas Cabeças de Parafusos

• Maior resistência de encaixe que a Philips (não escapa)

• Adotado pelas montadoras pois garante melhor aperto e toque

• Automóveis, computadores, eletrônicos e brinquedos

A- FendaB- Phillips ou EstrelaC- PozidrivD- Torx (Hexalobular)E- AllenF- RobertsonG- Tri-WingH- Torq-SetI- Spanner Torx Fenda Pozidriv Phillips Allen

Parafuso Torx – ISO 10664

D A C B E


Tecnologia e Manutenção AutomotivaGraus de Resistência dos Parafusos

Em uma junta rosqueada corretamente projetada, o parafuso deve ser a parte mais frágil do sistema, devendo se romper antes dos componentes

Classificação dos Parafusos Métricos – DIN ISO 898-1 São classificados conforme o Grau de Resistência ao Torque de Aperto

Classificação: 3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9 e 12.9

É essa resistência que determina o Torque Máximo que cada tipo de parafuso suporta:

10 número x 10 = Resistência Mínima à Tração (kgf/mm²)

10 número x 100 = Resistência Mínima à Tração (N/mm²)

20 número x 10 = (%) Limite de Escoamento



Parafusos Métricos – DIN ISO 898-1

Grau

8.8

10.9

12.9

8 = 81,5 kgf/mm² mínimo de Resistência à Tração8 = 80% = Limite de Escoamento de 64 kgf/mm210 = 106 kgf/mm² mínimo de Resistência à Tração

9 = 90% = Limite de Escoamento de 90 kgf/mm212 = 124,4 kgf/mm² mínimo de Resistência à Tração

9 = 90% = Limite de Escoamento de 108 kgf/mm2

Parafusos Métrico - Resistência

OBS.: para unidades em N/mm², multiplicar por 10

Graus de Resistência dos Parafusos



Porcas Métricas – DIN EM 208982

5

6

8

10

53 a 64,2 kgf/mm²

61,2 a 73,4 kgf/mm²

81,5 a 93,8 kgf/mm²

106,1 a 108,1 kgf/mm²

Grau Resistência (de M4 até M39)


Graus de Resistência das Porcas



Grau

1

2

5

7

8

42,2 kgf/mm² mínimo de Resistência à Tração25 kgf/mm² Limite de Escoamento

52 kgf/mm² mínimo de Resistência à Tração40 kgf/mm² Limite de Escoamento 84,4 kgf/mm² mínimo de Resistência à Tração64,7 kgf/mm² Limite de Escoamento

Parafusos Polegada - Resistência

93,5 kgf/mm² mínimo de Resistência à Tração81 kgf/mm² Limite de Escoamento105,4 kgf/mm² mínimo de Resistência à Tração91,4 kgf/mm² Limite de Escoamento

Parafusos em Polegadas – SAE J 429


Graus de Resistência dos Parafusos


Tecnologia e Manutenção AutomotivaElementos de Fixações Conceitos de Torque

Torque: capacidade de uma força gerar rotação

Torque = Força x Distância

SI: Nm (1 Nm = 10,197 kgf.cm)EUA: lbf.ft (1 lbf.ft = 12 lbf.in = 1,3558 Nm = 13,825 kgf.cm)

FORÇA de 20 lbs FORÇA de 10 lbs

A B

2 m1 m

Distâncias

A = 20 x 1 = 20 Nm B = 10 x 1 = 20 NmForça de 20 kgf Força de 10 kgf


Tecnologia e Manutenção AutomotivaElementos de Fixações Conceitos de Torque

O Torque de fixação de uma junta é dimensionado considerando-se o Coeficiente de Tensão do material (N)

Relação entre Torque e Tensão

T = k . d . N

k= Coeficiente de Atrito = 0,1 à 0,3d= Diâmetro do ParafusoN= Tensão do Material do Parafuso (kgf.N)

Exemplo:k= 0,2 d= 8 mm = 0,008 m N=(Tensão)= 800 kgf x 9,8 = 7845 N

Torque = 0,2 x 0,008 x 7845 = 12,6 Nm



Forças em uma Junta Rosqueada

Torque

Cargas de Cisalhamento

Cargas deCisalhamento

Tensões no Parafuso

Força de União

É a força que mantém unidas as partes de uma juntae é capaz de anular todas as cargas externas


Tecnologia e Manutenção AutomotivaTorque (ou Momento Torsor): é a força aplicada ao parafuso para girá-lo, gerando tensões no parafuso e resultando em

uma Força de União na junta

Para ocorrer Força de União, o parafuso deve ser alongado para que atue como uma mola

Sem alongamento não haverá reação elástica

Tensões no Parafuso

TorqueForça de União na junta


Tecnologia e Manutenção AutomotivaConceitos de Torque – Força de União

10%FORÇA DE UNIÃO NA JUNTA

É a Força de União que mantém unidas as partes de uma junta, capaz de anular todas as cargas externas

Por não conseguirmos medir a Força de União, controlamos o Torque

Relação entre Torque e Força de UniãoApenas 10% do Torque aplicado no aperto é transformado

em Força de UniãoÉ necessário quase o mesmo torque para soltar parafusos que

para apertá-los

FORÇA

TORQUE

TENSÃO NO PARAFUSO

FORÇA DE UNIÃO NA JUNTA


Tecnologia e Manutenção AutomotivaRelação Torque Aplicado e Força de União

TORQUE

COMPRESSÃONA JUNTA

10%Força de União

40%Atrito na rosca

do parafuso

50%Atrito sob a

cabeçado parafuso

TRAÇÃO NO PARAFUSO

FORÇA DE UNIÃO

FORÇA



Influência do Atrito no Torque e na Força de União

150

100

50

0

0 0,05 0,10 0,15 0,20

Uma variação de atrito entre 0,10 (ligeiramente oleado) para 0,18 (seco) você encontrará até 100% de variação

na Força de União.

0,18Seco

0,10“Oleado”

TORQUE (Nm)

FORÇA UNIÃO (N)

Uma Força de União muito elevada tende a alongar o parafuso



Tipos de Juntas

Processo de Aperto• Girar o parafuso até o encosto na peça

• Inicia-se o aperto• Junta Rígida: o Torque é atingido com pequeno deslocamento angular• Junta Elástica: o Torque é atingido com grande deslocamento angular

Rígidas ElásticasAlta Rigidez Baixa Rigidez

Torq

ue

Encosto Ângulo

X Nm

<300 >7200

Ref.: ISO 5393


Tecnologia e Manutenção AutomotivaElementos de Fixações – Torque Ângulo

(ISO 5393)

Junta Rígida< = 30 graus

Junta Flexível> = 720 graus



Fatores que influenciam a Rigidez de uma junta

• Comprimento do parafuso• Arruelas resultam em uniões mais elásticas

• Comprimento da união• Atrito (Lubrificação): Parafuso lubrificado exige ângulo de giro maior

Comportamento da Força de União

• Aumenta conforme o parafuso gira• Parafuso com alto atrito: torque alcançado com ângulo de giro menor

• Parafuso com baixo atrito: força de união maior• Tratamento Superficial do parafuso

• Fabricação do parafuso: rolado, usinado• Armazenagem dos fixadores dirigem a Qualidade do Aperto



Como se processa um aperto• No aperto de uma junta, conforme se aumenta o ângulo de giro, o parafuso se

torna tenso e a Força de União aumenta até que o parafuso alcance o seu Limite Elástico

• Se continuarmos o aperto, a Força de União não aumenta mais e o parafuso começa a se alongar

• Se ainda continuamos o aperto, o parafuso se romperá

Lei de Hook

RUPTURA

FOR

ÇA

DE

UN

IÃO

DESLOCAMENTO ANGULAR

ALONGAMENTO

ZONA PLÁSTICAZONA

ELÁSTICA

ENCOSTO


Tecnologia e Manutenção AutomotivaElementos de Fixações – Torque Ângulo

Objetivo: utilizar o parafuso próximo de seus limites mecânicos

Após executar um aperto com um torque inicial, monitora-se o Ângulo de Giro:

1. Parafuso é solicitado até à Região Elástica, ou2. Parafuso solicitado até à Região Plástica, além do ponto de escoamento do

material, ou3. Parafuso levado até o ponto de escoamento (yeld point)

Vantagens• Melhor controle da Força de União• Facilidade para auditar o Processo

• Qualidade do aperto no campo

Cuidados• Reaproveitamento do parafuso no campo

• Dimensionamento correto para garantir que o parafuso atue nas Regiões Elástica ou Plástica


Tecnologia e Manutenção AutomotivaElementos de Fixações – Controle na Produção

Estáticamente: torquímetros

• Pouca precisão• Desperdício de Mão de Obra – Inspeção / Controles

• Erros de leitura (operador, fadiga, instrumento)• Sobretorque

Dinâmicamente: equipamentos monitorados

• Exatidão, Leitura Real • Repetividade

• Menor dispersão• Certificação, Rastreabilidade, Garantia

• Acompanhamento on line sem paradas de produção• Controle e Relatórios em tempo real (CEP)


Tecnologia e Manutenção AutomotivaFenômenos Mecânicos durante o Torque

Relaxamento

• Causado pela acomodação das superfícies das peças

• Ocorre em todas as juntas após um período de tempo

• Junta Rígida: 70% a 90% do Relaxamento ocorre nos primeiros 10/30 mseg

Torque

Tempo

Alvo

T¹ T²

Torque aplicado

T0



Atrito

• Superfície do parafuso: rugosa, lisa

• Condições de lubrificação

Dados experimentais:

Coeficiente de atrito variando entre 0,10 e 0,16

Relação Torque-Força de União variou 25%



Sobretorque (Overshoot)

• Ideal: aproximar o Torque em baixa velocidadeVantagem dos equipamentos eletrônicos

OK NOK

Desligamento

Torque Alvo

Aperto em baixa velocidade

Aperto em alta velocidade



Fenômenos Mecânicos durante o Torque

Torque de Aproximação (Prevailing Torque)

É o Torque aplicado antes dos componentes se assentarem(Durante a aproximação)

Não IntencionalRosca mal usinada

Mal dimensionamentoTinta, sujeira, impurezas

IntencionalDry Lock / Insert Lock

Parafuso TrilobularPorca Amassada



Falso Torque

1- O Torque está OK mas o ângulo de rotação está baixo (sem Força de União)

Possíveis FalhasParafuso desalinhado

Sujeira nas roscasRosca danificada

Discrepâncias dimensionais

2- O ângulo de rotação está OK mas o Torque está muito baixo

Possíveis FalhasParafuso muito dúctil

Coeficiente de atrito muito baixo (junta oleada)Parafuso quebrado ou mal dimensionado (Grau de Resistência)

elementos de fixação

Documents