Elementos Fixação PARAFUSOS

2010

Professor FioreConstrução 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:

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:

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 !

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

Adoto rosca : 9/16” – 12 UNC – 2A

Verificando:

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 roscas a 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