guilherme ricardo zanotto - ucs
TRANSCRIPT
UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
GUILHERME RICARDO ZANOTTO
ANÁLISE DE SISTEMAS DE FIXAÇÃO DE POLTRONAS EM MINIÔNIBUS
CAXIAS DO SUL
2015
GUILHERME RICARDO ZANOTTO
ANÁLISE DE SISTEMAS DE FIXAÇÃO DE POLTRONAS EM MINIONIBUS
Trabalho de conclusão da disciplina de Estágio 2 (MEC0258D) apresentado à Universidade de Caxias do Sul como pré-requisito para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Área de concentração: Projeto - Sistemas Mecânicos
Supervisor: Prof. Me. Eng. Elton Fabro
CAXIAS DO SUL
2015
RESUMO
O presente trabalho teve por objetivo estudar sistemas de fixação de poltronas em miniônibus. Devido haver diferentes formas de junta parafusada para fixar poltronas e diversos fatores que influenciam essas montagens, surgiu a necessidade de comparar os dois sistemas utilizados em uma empresa encarroçadora de miniônibus e padronizar um deles. Um sistema utiliza trilho soldado no assoalho com encaixe do parafuso que corre e o outro sistema utiliza o parafuso fixado diretamente no assoalho. Foi realizado um estudo teórico sobre uniões mecânicas, especificadamente das parafusadas e dos assuntos que a envolvem. Estudou-se os parafusos, tipos de roscas e de cabeças, as padronizações e resistências dos mesmos, os acessórios que compõe as juntas parafusadas, e os cálculos e tipos de carregamento que servem para dimensionar uma junta parafusada. Assim como as normas vigentes que são utilizadas para efetuar a validação dos projetos e questões sobre a instrumentação para realizar testes experimentais. Cada sistema de fixação foi detalhado, seus componentes especificados e os processos de montagem explicados. Foi encontrado através de um teste de ancoragem de cinto da norma CONTRAN 445/13, com a utilização de um extensômetro, um valor de força máxima de 80178N. Valor muito alto, devido ao tipo do teste realizado, que mediu uma força resultante e não somente de tração, como era o desejado. Com o valor obtido, as duas juntas foram calculadas e apresentaram dados mostrando o subdimensionamento. Assim os parafusos foram redimensionados. Concluiu-se que os dois sistemas de fixação apresentam resistência mecânica muito semelhante. Na junta redimensionada a diferença nos coeficientes de segurança não passaram de 5%. Assim, o que faz do sistema com trilho melhor é seu processo de montagem.
Palavras-chave: fixação de poltronas, juntas parafusadas, parafusos, CONTRAN
445/13.
ABSTRACT
This work aims to study fastening systems of seats in minibus. Because there are
different ways to screw joint to secure seats, it’s necessary compare the two methods
in one company which produces the body of buses and make the method sand
standardize one. One method uses rail soldier on the floor, where the screw runs, as
the other method the srew is fixed directly on minibus floor. First was described the
environment that the work will be done, which is the Volare quality sector and so were
listed objectives necessary to carry out the proposed work. It conducted a theoretical
study of mechanical joints, specifically the bolted and the issues surrounding it. It Was
studied the screws, thread types and heads, patterning and resistances, the
accessories that consists the screwed joint, and the calculation and load types, which
serve to size a screw joint. As well as the standards, that are used to perform the
validation of projects and questions about the instrumentation used to perform
experimental tests. Each mounting system has been detailed, their components
specified and the assembly processes explained. It was found through a standard
CONTRAN 445/13 belt anchor test, using a strain gauge , a value of maximum force
of 80178N . Too high, due to the type of test performed , which measured a resultant
force and not only traction , as was desired. With the value obtained , the two joints
have been calculated and presented data showing undersizing. Thus, the screws were
resized. It was concluded that the two fastening systems have very similar mechanical
strength. In the resized joints, the difference in safety factors did not exceed 5 %. So,
what make the system with rail better is the assembly process.
Keywords: Fixing seats, bolted joints, screws, CONTRAN 445/13.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Miniônibus modelo WL turismo ..................................................................16
Figura 2 – Sistema 1 de fixação de poltrona................................................................17
Figura 3 – Sistema 2 de fixação de poltrona................................................................17
Figura 4 – Junta parafusada com parafuso não passante, passante com porca e
prisioneiro .................................................................................................21
Figura 5 – Modelos de roscas de parafusos................................................................23
Figura 6 – Modelos de cabeça de parafusos...............................................................23
Figura 7 – Definições de uma rosca............................................................................24
Figura 8 – Junta parafusada com seus acessórios .....................................................26
Figura 9 – Conexão parafusada carregada por tração P.............................................33
Figura 10 – Área média em uma junta parafusada .....................................................34
Figura 11 – Extensômetro básico................................................................................41
Figura 12 – Extensômetros tipo roseta........................................................................43
Figura 13 – Poltrona 940mm executiva ......................................................................45
Figura 14 – Junta parafusada composta por trilho e parafuso com deslocamento......46
Figura 15 – Fluxograma etapas do trabalho................................................................47
Figura 16 – Sistema de fixação 1.......... ......................................................................49
Figura 17 – Parafuso do sistema de fixação 1.............................................................50
Figura 18 – Porca do sistema de fixação 1 .................................................................51
Figura 19 – Problema no sistema de fixação 1 ...........................................................52
Figura 20 – Sistema de fixação 2 ................................................................................53
Figura 21 – Trilho do sistema de fixação 2 ..................................................................54
Figura 22 – Parafuso do sistema de fixação 2 ............................................................54
Figura 23 – Teste de ancoragem do cinto...................................................................56
Figura 24 – Fixação da poltrona no teste experimental...............................................57
Figura 25 – Gráfico carga em função do tempo...........................................................57
Figura 26 – Posição do exntensômetro.......................................................................58
Figura 27 – Equipamentos para coleta de dados........................................................59
Figura 28 – Gráfico força em função do tempo ...........................................................59
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Valores de Wi e Wo ....................................................................................29
Tabela 2 - Coeficientes de torque ...............................................................................32
Tabela 3 - Especificações do parafuso do sistema de fixação 1..................................50
Tabela 4 - Especificações do parafuso do sistema de fixação 2 .................................55
Tabela 5 - Resultados cálculos analíticos sistema 1 e 2 ............................................66
Tabela 6 - Resultados cálculos analíticos redimensionamento sistema 1 e 2..............71
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 - Equação da área sob tração ...................................................................28
Equação 2 - Equação do diâmetro primitivo rosca ISO..............................................28
Equação 3 - Equação do diâmetro de raiz rosca ISO ................................................28
Equação 4 - Equação do diâmetro primitivo rosca UNS..............................................28
Equação 5 - Equação do diâmetro de raiz rosca UNS ................................................28
Equação 6 - Equação da tensão de tração ................................................................28
Equação 7 - Equação da área sob cisalhamento no parafuso ....................................29
Equação 8 - Equação da área sob cisalhamento na porca ........................................29
Equação 9 - Equação da tensão de cisalhamento por rasgamento de rosca .............29
Equação 10 - Equação do comprimento de rosca parafuso UNS ...............................30
Equação 11 - Equação do comprimento de rosca parafuso ISO .................................30
Equação 12 - Equação da tensão torcional ................................................................31
Equação 13 - Equação do torque ...............................................................................32
Equação 14 - Equação da rigidez do parafuso ...........................................................33
Equação 15 - Equação da rigidez dos membros da junta ..........................................34
Equação 16 - Equação da área média .......................................................................34
Equação 17 - Equação dos diâmetros para área média .............................................34
Equação 18 - Equação da rigidez dos membros da junta com mesmo material .........34
Equação 19 - Equação das componentes da força externa .......................................35
Equação 20 - Equação da constante de rigidez da junta ............................................35
Equação 21 - Equação da fração da carga externa no parafuso.................................36
Equação 22 - Equação da fração da carga externa nos membros...............................36
Equação 23 - Equação da força total no parafuso.......................................................36
Equação 24 - Equação da força total nos membros....................................................36
Equação 25 - Equação da força necessária para separar a junta ..............................36
Equação 26 - Equação do coeficiente de segurança a falha por separação da junta...36
Equação 27 - Equação da força conforme apêndice 2 da CONTRAN 445/13 ............38
Equação 28 - Equação da força conforme apêndice 5 da CONTRAN 445/13.............39
Equação 29 - Equação da segunda força conforme apêndice 5 CONTRAN 445/13...39
Equação 30 - Equação da força para teste ancoragem cinto ......................................40
Equação 31 - Equação Lei de Hooke .........................................................................60
Equação 32 - Equação da força da pré-carga .............................................................61
Equação 33 - Equação da porcentagem da resistência de prova ...............................61
Equação 34 - Equação do fator de segurança ao escoamento....................................64
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
UNS Unified National Standard
ISO International Standards Organization
SAE Society of Automotive Engineers
ASTM American Society for Testing and Materials
Sp Proof Strength
𝑑𝑝 Diâmetro primitivo
𝑑 Diâmetro externo ou maior
𝑑𝑟 Diâmetro de raiz ou menor
𝑁𝑓 Número de filetes por polegada
𝑝 Passo da rosca
𝜎𝑡 Tensão de tração
𝐴𝑡 Área sob tração
𝐹𝑒 Força aplicada no parafuso
𝑤𝑖 Fator de área para cisalhamento por corte de roscas maior.
𝐴𝑠 Área sob cisalhamento
𝑤𝑜 Fator de área para cisalhamento por corte de roscas menor
𝜏𝑠 Tensão de cisalhamento
𝐹 Força
𝐿𝑇 Comprimento da rosca
D Diâmetro nominal
𝜏 Tensão torcional
T Torque
𝐾 Coeficiente de torque
𝐹𝑖 Pré-carga
𝑘𝑏 Rigidez do parafuso
𝐿𝑡 Parte com rosca sob tração do parafuso
𝐿𝑠 Parte do parafuso sem rosca,
𝐴𝑠𝑟 Área cilíndrica do parafuso sem rosca
𝐸𝑏 Módulo de elasticidade do material do parafuso.
𝑘𝑚 Rigidez dos membros da junta
𝐿1 Espessura do 1º material da junta
𝐿2 Espessura do 2º material da junta
𝐴𝑚 Área média
𝐸𝑚 Módulo de elasticidade do material que compõe a junta
𝑙𝑚 Espessura total da junta (𝐿1 + 𝐿2)
𝑃 Força externa
𝑃𝑏 Força suportada pelo parafuso
𝑃𝑚 Força suportada pelos membros
𝐹𝑚 Força compressiva do material
𝐹𝑏 Carga de tração no parafuso
𝐶 Constante de rigidez da junta
𝑃𝑜 Carga necessária para separar a junta
𝑁𝑠 Coeficiente de segurança a falha por separação de junta
µ Coeficiente de atrito
𝑁 Força normal de compressão
𝐹µ Força de atrito
𝐴𝑛 Área da seção líquida
𝑅𝑚 Resistência do material
𝑏 Largura do material
𝑛 Número de parafusos na seção em linha reta
𝑑𝑒𝑓 Diâmetro efetivo do furo com acréscimo de 3,5 milímetros
t Espessura do material
𝑅𝑠𝑙 Resistência a ruptura da seção líquida
𝑅𝑟 Resistência a ruptura por rasgamento
𝑎 Comprimento da seção resistente.
𝑅𝑐 Resistência a ruptura por cisalhamento
𝑅𝑝 Resistência parcial do material
𝑛𝑝 Número de planos de corte
𝑖 Número de assentos ensaiados
𝑆𝑖 Porcentagem de Sp
𝑆𝑦 Resistencia mínima de escoamento
𝐹𝑆 Fator de segurança em relação ao escoamento
𝑇𝑓 Força do torque total
Q & T Temperado e revenido
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .........................................................................................15
1.1 AMBIENTE DE ESTÁGIO.........................................................................16
1.2 JUSTIFICATIVA .......................................................................................17
1.3 OBJETIVOS .............................................................................................18
1.3.1 Objetivo geral .........................................................................................18
1.3.2 Objetivos específicos ............................................................................19
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ...............................................................20
2.1 UNIÕES MECÂNICAS .............................................................................20
2.1.1 Junta parafusada ...................................................................................20
2.2 PARAFUSOS ..........................................................................................22
2.2.1 Tipos de parafusos ................................................................................22
2.2.2 Formas padronizadas de roscas ..........................................................24
2.2.3 Resistência de parafusos .....................................................................25
2.3 ACESSÓRIOS DOS PARAFUSOS .........................................................26
2.3.1 Porcas ....................................................................................................26
2.3.2 Arruelas .................................................................................................27
2.4 DIMENSIONAMENTO DE JUNTAS PARAFUSADAS.............................27
2.4.1 Área sob tração .....................................................................................28
2.4.2 Área sob cisalhamento .........................................................................29
2.4.3 Comprimento de rosca .........................................................................30
2.4.4 Pré-carga ...............................................................................................30
2.4.5 Tensão torcional ....................................................................................31
2.4.6 Torque ....................................................................................................32
2.4.7 Rigidez do parafuso...............................................................................33
2.4.8 Rigidez da junta .....................................................................................33
2.4.9 Carregamento estático .........................................................................35
2.5 NORMA CONTRAN 445/13 .....................................................................36
2.5.1 Anexo IV da norma CONTRAN 445/13 ...................................................37
2.5.2 Apêndice 2 do Anexo IV da norma CONTRAN 445/13..........................37
2.5.3 Apêndice 5 do Anexo IV da norma CONTRAN 445/13.........................38
2.5.4 Anexo V da norma CONTRAN 445/13....................................................39
2.5.5 Resistência ancoragem cinto norma NBR 6091-2009..........................40
2.6 INSTRUMENTAÇÃO ................................................................................40
2.6.1 Extensometria .........................................................................................41
2.6.2 Sistema de medição ................................................................................44
3 MATERIAIS E MÉTODOS .......................................................................45
3.1 ANÁLISE E COMPARAÇÃO DOS DOIS SISTEMAS DE FIXAÇÃO DE POLTRONAS ...........................................................................................47
3.2 VERIFICAÇÃO DOS ESFORÇOS SOFRIDOS PELA JUNTA PARAFUSADA..........................................................................................48
3.3 REAVALIAÇÃO DO DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES .......48
3.4 AVALIAÇÃO DA PADRONIZAÇÃO DE UM SISTEMA.............................48
4 DESENVOLVIMENTO .............................................................................49
4.1 SISTEMA FIXAÇÃO 1 - DIRETO NO ASSOALHO....................................49
4.2 SISTEMA FIXAÇÃO 2 – COM TRILHO......................................................53
4.3 TESTE ANCORAGEM CINTO SEGURANÇA...........................................56
4.4 VERIFICAÇÃO DIMENSIONAL................................................................60
4.4.1 Junta parafusada sistema de fixação 1..................................................61
4.4.2 Junta parafusada sistema de fixação 2..................................................64
4.4.3 Comparativo do sistema 1 e 2 ................................................................66
4.5 JUNTA PARAFUSADA REDIMENSIONADA............................................67
4.5.1 Junta parafusada redimensionada do sistema 1..................................68
4.5.2 Junta parafusada redimensionada do sistema 2..................................69
4.5.3 Comparativo do redimensionamento do sistema 1 e 2........................71
5 CONCLUSÃO ..........................................................................................72
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ..................................................74
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................75
ANEXO A .............................................................................................................77
ANEXO B .............................................................................................................78
ANEXO C .............................................................................................................80
15
1 INTRODUÇÃO
Com as indústrias querendo se tornarem mais competitivas, reduzindo custos
de produção, reduzindo desperdício, melhorando a qualidade dos produtos, um fator
que pode causar bastante influência é o processo de montagem. Sempre deve-se ter
o intuito de reduzir o tempo de montagem de algum componente. Um processo que
por seu método possa garantir a qualidade produzida é ideal nos dias de hoje, onde
os clientes estão cada vez mais exigentes. Ter atividades padrão na montagem
diminui os erros e melhora a habilidade de montagem, necessitando também uma
menor diversidade de componentes.
Para o sistema Toyota de produção a engenharia é o primeiro estágio na
melhoria de processo em uma empresa, cabe a ela se questionar e pensar como
determinado produto pode ser redesenhado para manter a qualidade e ao mesmo
tempo reduzir custos de fabricação (SHINGO,1996).
Neste contexto a engenharia mecânica deve e pode contribuir em estudos de
melhorias nos projetos de sistemas mecânicos. Para buscar redução de tempos de
lead time (tempo de atravessamento) na produção, mais padronizações nas
montagens e operações cada vez mais facilitadas que garantirão a qualidade. Assim
como deve intervir nos processos de fabricação e de montagem dos sistemas
mecânicos, para otimizar os projetos e buscar a melhor forma para atingir as
necessidades e requisitos pré-estabelecidos.
Todos os dias o transporte público, considerando apenas a operação urbana,
transporta 40 milhões de pessoas no Brasil (ASSOCIAÇÃO NACIONAL DAS
EMPRESAS DE TRANSPORTES URBANOS, 2011). Em um tipo específico de ônibus
denominado miniônibus podem ser transportadas de 20 a 50 pessoas sentadas,
dependendo do comprimento, modelo e tipo de serviço. As poltronas de um
miniônibus precisam estar bem fixadas através de suas juntas parafusadas, para
garantir a segurança dos passageiros que nelas são transportados.
Quando se deseja uma conexão que possa ser desmontada sem métodos
destrutivos e que seja forte o suficiente para resistir a cargas externas de tração, a
cargas de momento e de cisalhamento, ou a uma combinação destas, então a junção
parafusada simples, com porcas usando arruelas de aço endurecido, é uma boa
solução (SHIGLEY; MISCHKE; BUDYNAS, 2005).
16
Segundo Ferrari Júnior (2011), “A maioria dos produtos da indústria
manufatureira é dotado de parafusos para a união dos seus componentes. Associado
a cada parafuso se encontram, pelo menos, dois elementos e, a este conjunto, dá-se
a denominação de junta aparafusada. A correta união destes elementos é obtida por
meio do processo de aperto e respectivos parâmetros especificados pela engenharia
de produto, obtidos inicialmente por meio de cálculos matemáticos e, posteriormente,
de ensaios no produto”.
1.1 AMBIENTE DE ESTÁGIO
A empresa na qual será realizado o estágio é a Marcopolo S.A., em sua unidade
do bairro Planalto em Caxias do Sul, RS, no setor do Controle de Qualidade do Volare,
com apoio da Engenharia experimental para realização dos testes necessários.
Nesta planta são fabricados os miniônibus da marca Volare. A Unidade de
Negócios LCV - Veículos Comerciais Leves, pertencente à Marcopolo S.A., é
dedicada ao desenvolvimento, produção e comercialização dos produtos da marca
Volare. A linha de produtos Volare nasceu em 1998, da demanda de mercado por um
veículo ágil, seguro, econômico e confortável no transporte coletivo de passageiros,
possuindo a linha mais completa de miniônibus do mercado nacional.
A Marcopolo S.A. é uma das maiores encarroçadoras de ônibus do mundo e
atualmente é a líder no mercado brasileiro. A Volare supera a marca de 40.000
veículos comercializados, quase 60% dos miniônibus comercializados no Brasil são
Volare. Além da planta no bairro Planalto, a Marcopolo S.A possui outra unidade na
cidade, em outros estados e fora do país. Produz diversos modelos de ônibus, como
os micro-ônibus e miniônibus, demonstrado na figura 1.
Figura 1- Miniônibus modelo WL Turismo
Fonte: VOLARE (2015)
17
1.2 JUSTIFICATIVA
Atualmente os dois sistemas de fixação para poltronas em miniônibus Volare
mais utilizados na Marcopolo S.A se diferem quanto ao tipo dos componentes, da
metodologia de montagem, sistema de instalação e configuração de junta parafusada.
Pode-se explicar que o sistema 1 é um processo que consiste em fixar o pé de uma
poltrona com o parafuso fixado no diretamente no assoalho do miniônibus, composto
de madeira ou alumínio e perfil de aço e por baixo colocar uma arruela e porca neste
parafuso. Conforme ilustrado na figura 2.
Já o sistema 2, tem em sua concepção um trilho soldado na estrutura da base
do miniônibus aonde o parafuso é encaixado e posicionado, o mesmo encaixa no pé
da poltrona e por cima é colocado a porca e arruela. Conforme ilustrado na figura 3.
Figura 2 - Sistema 1 de fixação de poltrona
Fonte: O Autor (2015)
Figura 3 - Sistema 2 de fixação de poltrona
Fonte: O Autor (2015)
18
O setor de qualidade dos miniônibus Volare, entre outras atribuições, deve
garantir a correta montagem das poltronas e assim como suas fixações. Evidencia se
no dia a dia que os dois sistemas de montagens a serem comparados possuem
diferenças e metodologias distintas que tem vantagens e desvantagens, como tempo
de montagem, garantia de montagem da porca, facilidade de execução, melhor
fixação, entre outros. Assim se faz necessário analisar e comparar os sistemas de
fixação de poltronas em concordância com o que a norma CONTRAN 445/13 solicita
para se obter um parecer sobre qual sistema possui mais características técnicas
apropriadas. Tudo isso em virtude de muitas variáveis que estão presentes durante a
montagem na linha de produção que podem comprometer a fixação correta das
poltronas, como realização de furo com diâmetro incorreto, não utilização de porca e
arruela, torque abaixo do necessário, entre outros.
A avaliação dos sistemas de fixação de poltronas através de testes
experimentais com utilização de extensômetro tem como objetivo medir os esforços
que as juntas parafusadas sofrem, para se obter qual a força máxima que a junta
parafusada precisa suportar. Para comparar e padronizar o projeto de fixação de
poltronas, será verificado qual dos sistemas se mostra mais adequado ao uso na linha
de produção. Com a padronização de um sistema será possível reduzir a quantidade
de sistemas de fixação e de componentes. Será avaliado também a necessidade de
redimensionar algum elemento da junta parafusada atual.
Além dos aspectos citados acima, com a realização desta análise e estudo de
sistemas de fixação de poltronas, será possível a obtenção de conhecimentos mais
profundos na área de projetos de sistemas mecânicos. O que para o desenvolvimento
e análise de outros projetos que utilizem parafusos no futuro será muito válido.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo geral
Comparar dois sistemas de fixação de poltronas, com trilho e direto no
assoalho, utilizados em miniônibus em concordância com a norma CONTRAN 445/13,
visando a padronização e propondo a melhor solução.
19
1.3.2 Objetivos específicos
Analisar e comparar os dois sistemas de fixação de poltronas utilizados na
empresa, sistema com trilho e sistema direto no assoalho.
Verificar esforços sofridos pela junta parafusada na poltrona de acordo com
os testes requisitados pela norma CONTRAN 445/13.
Reavaliar dimensionamento dos componentes utilizados em virtude dos
esforços encontrados nos testes experimentais.
Avaliar possibilidade de padronização de um dos sistemas de fixação.
20
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 UNIÕES MECÂNICAS
Griza (2000) diz que “A união dos componentes de máquinas, ferramentas e
estruturas em geral é um importante método construtivo. Muitas vezes é impossível
projetá-los sem que seja empregada alguma forma de conexão, como parafusos, por
exemplo. ”
Em um processo de montagem, construção ou fabricação, sempre surge a
necessidade de se unir duas ou mais peças para se alcançar o produto com a forma
final desejada. A união de uma peça com uma outra tem como função limitar o
movimento relativo de uma em relação a outra, ou seja, a união mecânica impede a
movimentação de duas peças adjacentes.
Para realizar as montagens de uniões mecânicas de forma eficaz são
necessários elementos específicos denominados elementos de fixação. Muitas
soluções existem para serem feitas estas uniões e a escolha depende da necessidade
de desfazer ou não a união, do grau de mobilidade necessário, da resistência
mecânica requerida pelo projeto e do espaço disponível para realização da união.
Conforme Barbosa (2011) pode-se primeiramente dividir as uniões mecânicas
em desmontáveis e não desmontáveis. Nas uniões desmontáveis, pode se desmontar
a união retirando os elementos de fixação e separar as peças antes unidas, sem
nenhum dano nos componentes. Em muitos casos pode-se reaproveitar os elementos
de fixação, ou por segurança deve-se substituir por novos caso seja constatado que
os mesmos sofreram alguma alteração em suas características iniciais. Os principais
elementos de fixação deste tipo de união que é desmontável são: parafusos, porcas,
arruelas, chavetas, grampos, estrias.
2.1.1 Junta Parafusada
As juntas parafusadas utilizam os parafusos para unir duas ou mais partes e
conforme sua configuração utiliza junto porca e arruela. Este tipo de junta possui
vantagens como a possível realização de desmontagem dos componentes quando
necessário e uma grande variedade de parafusos para diversas aplicações. Sendo
21
Fonte: Adaptado de Muniz (2007)
assim, torna-se fácil de ser montada, inspecionada e há possibilidades de serem
efetuados reparos na junta depois de construída.
Muitos aspectos devem ser observados para se ter o total domínio da
constituição da junta parafusada e de como ela vai se comportar ao longo do tempo.
Entre alguns destes pontos a serem considerados conforme Barbosa (2011) pode-se
citar a incerteza sobre as grandezas das forças externas que irão atuar na junta, para
assim determinar o correto coeficiente de segurança. Não pode ocorrer o aperto
errado dos parafusos da junta, como aperto excessivo em parafusos pequenos e falta
de aperto em parafusos muito grandes. Pode ocorrer apoio unilateral do parafuso,
quando apenas uma parte da cabeça fica apoiada, o que resulta tensões de flexão.
Ainda de acordo com Barbosa (2011), a trepidação e vibração sobre as juntas
parafusadas podem fazer com que a mesma se afrouxe, necessitando assim
acessórios que eliminem este auto afrouxamento. Deve ser levado em conta a
questão de corrosão química e eletrolíticas, devido enferrujamento ou corrosão por
contato das partes da junta ou por exposição a meios adversos, necessitando a
correta escolha do material dos elementos de fixação e de proteções superficiais.
Deve-se determinar o efeito de vários parâmetros de aparafusamento na junta
requerida, como geometria da junta (largura, distância final, furo e diâmetro),
configuração de junta (parafuso único, única linha de parafuso, ou linha multi-
parafuso), condição de carga (tensão, compressão ou combinado estático e / ou a
carga de fadiga), os parâmetros de aperto (arruela, torque de aperto ou de força de
fechamento) e os parâmetros dos materiais (GHANBARI et al, 2012).
Apesar da simplicidade e versatilidade, juntas parafusadas possuem a
inevitável e inerente limitação de eventualmente afrouxar sob condições de vibração,
se submetidas a um torque insuficiente (FRISCHMANN; BITTENCOURT, 2013).
Existem diversas montagens de junta parafusada, indicadas na figura 4.
Figura 4 – Junta parafusada com parafuso não passante, passante com porca e prisioneiro
22
A junta parafusada do tipo passante, utiliza parafuso montado em um furo
específico constituído nas peças a serem unidas, possuindo cabeça apropriada e
fixação complementada com porcas e arruelas. Neste tipo de junta é importante o
diâmetro do furo e a utilização de porca e arruela para garantir a fixação.
2.2 PARAFUSOS
De acordo com Garcia (2013), “Denominamos Elementos de Fixação a
qualquer “peça” cuja função/missão é “fixar alguma coisa numa outra coisa”. Nessa
categoria podemos citar os Anéis Elásticos, as Abraçadeiras, os Pinos, as Porcas, os
Prisioneiros, os Rebites, entre outros. O mais popular é o Parafuso, cuja aplicação
pode ir desde implantes dentários até pontes, artefatos aeroespaciais, etc.”
2.2.1 Tipos de Parafusos
Norton (2013) diz que existe uma grande variedade de estilos de parafusos,
que normalmente utilizam roscas padrão e que os mesmos podem ser classificados
de acordo com o uso pretendido, se utilizam porca ou não, pelo tipo de rosca, pelo
tipo de cabeça e por sua resistência.
Quanto ao uso pretendido para os parafusos é denominado como parafuso de
porca quando é montado de forma passante em uma junta e há possibilidade de ser
colocado uma porca no outro lado da junta. Pode ser considerado como sendo
parafuso de máquina ou de cabeça, quando for rosqueado somente em um furo com
rosca própria e não utilizar porca, sendo então um parafuso não passante.
Por sua vez, os parafusos prisioneiros são sem cabeça, com rosca nos dois
lados da haste cilíndrica. Podendo estas duas roscas terem passos e sentidos
diferentes. Esse parafuso fica permanente em uma das partes da junta quando
desmontada. Normalmente uma extremidade é roscada diretamente em uma das
peças da junta e a outra é fixada com uma porca e arruela. Podem ser usados também
para travar o movimento relativo entre duas peças, quando estas tendem a deslizar
entre si.
A classificação dos parafusos quanto ao tipo de rosca se dá pelo padrão
utilizado no momento em que a mesma é fabricada. Podendo ser através do método
Unified National Standard (UNS), ou com a utilização do padrão pela International
23
Standards Organization (ISO), sendo o sistema de unidades a principal diferença
entres eles, ISO utiliza medidas métricas e UNS utiliza medidas por polegadas. Na
figura 5 há vários estilos de roscas ilustrados.
As cabeças dos parafusos podem ter vários formatos e vários tipos de
cavidade. Entres alguns exemplos pode-se ter as planas, redondas, panela,
sextavada e com padrão fenda, phillips, entre outros. Os parafusos com cabeça
hexagonal ou sextavada são utilizados em uniões que precisam de um forte aperto e
um alto torque, juntamente com características de alta resistência devido a suas
classes e graus. A figura 6 mostra alguns modelos usuais de cabeças de parafusos.
Figura 6 – Modelos de cabeça de parafusos
Fonte: Norton (2004)
Figura 5 – Modelos de roscas de parafusos
Fonte: Norton (2004)
24
2.2.2 Formas padronizadas de roscas
Norton (2013) explica que a rosca é uma hélice que faz com que o parafuso
avance sobre o material ou sobre a porca quando for rotacionado. Esta rosca possui
algumas definições e denominações conforme mostrado na figura 7.
O passo de rosca p é a distância entre formas adjacentes de roscas, medindo-
se de forma paralela ao eixo central da rosca (SHIGLEY; MISCHKE; BUDYNAS,
2005). Já o ângulo de rosca é o ângulo medido entre um flanco de rosca com um eixo
paralelo ao eixo central da rosca. A raiz por sua vez, é definida como o fundo do sulco
entre dois flancos. A crista é a parte mais externa da rosca.
Quanto aos diâmetros temos medidas de referência, o maior, o médio ou
primitivo e o menor. O diâmetro maior equivale ao diâmetro de um cilindro coaxial
imaginário que toca a crista de uma rosca externa. Diâmetro médio ou primitivo
equivale ao diâmetro de um cilindro coaxial imaginário que fica no meio da distância
entre a crista e a raiz, também conhecido como diâmetro de flanco. E o diâmetro
menor equivale ao diâmetro de um cilindro coaxial imaginário que toca a raiz de uma
rosca externa, também conhecido como diâmetro de raiz (NORTON, 2013).
Os dois padrões principais que definem as roscas ISO e UNS utilizam ângulo
incluído de 60º e definem o tamanho da rosca pelo diâmetro nominal máximo da rosca
externa.
As roscas podem ainda ser simples, onde o avanço é igual ao passo, ou ainda
roscas múltiplas. Estas possuem múltiplas entradas, podendo ser duas ou até três.
Assim possuem duas ou três ranhuras paralelas dispostas ao longo do diâmetro do
Fonte: NORTON (2013)
Figura 7 – Definições de uma rosca
25
parafuso. Possuem a vantagem de possuir uma altura menor com um avanço
aumentando.
O perfil da rosca do parafuso pode ser de diferentes maneiras e apresentar
variados formatos, triangular, trapezoidal, arredondadas e circulares ou ainda
quadradas e retangulares. E a hélice que forma a rosca pode ter seu sentido para a
direita ou para a esquerda, ou seja, horário e anti-horário, fazendo assim a rosca ser
externa ou interna.
A grande maioria dos parafusos de uso industrial e comercial estão tabelados
juntamente com suas características principais nos padrões métrico ISO e UNS,
conforme tabelas no Anexo A.
2.2.3 Resistências de parafusos
As especificações SAE, ISO e ASTM definem a resistência de prova para
parafusos de porca e de máquinas, tecnicamente chamada de Proof Strength (Sp).
Os institutos denominam graus e classes para os parafusos juntamente com
especificação de material e tratamento térmico para o mesmo conseguir obter uma
resistência mínima de prova. Essa resistência de prova é a tensão sob a qual o
material do parafuso em questão começará a apresentar deformação permanente,
mas ainda uma tensão inferior à de escoamento (NORTON, 2013).
A resistência do parafuso é a principal informação necessária sobre as
características do mesmo. É principalmente com estes valores de resistência que um
engenheiro irá fazer a seleção do parafuso adequado para uma junta parafusada que
ele esteja projetando em virtude da carga que é aplicada. De acordo com a tensões
que o parafuso precisa suportar quando estiver na junta, será selecionado o grau,
classe e designações necessários nesta utilização. Em situação contrária, somente
sabendo a resistência de prova de um parafuso qualquer que se tenha, será possível
saber se ele irá suportar determinada aplicação.
Essas classes e graus dos parafusos são informadas em tabelas e muitas
vezes podem estar indicadas por marcas e inscrições na cabeça dos parafusos.
Ligadas as classes e graus são informados os possíveis diâmetros, as resistências de
prova, escoamento e a tração e também os materiais usuais conforme mostram as
tabelas do Anexo B.
26
2.3 ACESSÓRIOS DOS PARAFUSOS
Em uma junta parafusada, além do elemento principal que é o parafuso, é
comum e necessário utilizar-se acessórios para garantir a fixação das peças em
questão. Os mais conhecidos e empregados há bastante tempo são as porcas e as
arruelas, podendo os mesmos serem de diversos tipos. A figura 8 ilustra a posição
destes acessórios em uma junta com parafuso passante.
2.3.1 Porcas
Segundo Garcia (2011) a porca é o elemento mais resistente na junta
parafusada. Possuem rosca interna e normalmente tem forma prismática ou cilíndrica.
Sempre estarão ligadas a um parafuso ou barra roscada. A parte externa da porca
pode ter diferentes formatos, para atender diversas aplicações. Dentre os principais
tipos de porcas pode-se citar: sextavadas, quadradas, castelo, cega, borboleta,
travantes.
As porcas são classificadas para serem usadas em parafusos com grau
correspondente ao seu. O propósito da porca é que sua rosca interna tenha os filetes
defletidos para distribuir a carga do parafuso mais uniformemente. Suas propriedades
são controladas para isso e o grau da porca deve ser o mesmo do parafuso (SHIGLEY;
MISCHKE; BUDYNAS, 2005).
Fonte: Adaptado de NORTON (2013)
Figura 8 – Junta parafusada com seus acessórios
27
O material das porcas deve ser escolhido de modo a conformar-se com o do
parafuso. No momento do aperto, o primeiro filete de rosca tende a receber a carga
total, porém há escoamento e assim a carga fica dividida em cerca de três de filetes
de rosca (SHIGLEY; MISCHKE; BUDYNAS, 2005).
2.3.2 Arruelas
É um componente plano com formato de anel que serve para aumentar a área
de contato entre a cabeça do parafuso ou da porca com a peça a ser fixada, fazendo
assim uma distribuição uniforme do aperto aplicado (NORTON, 2013).
As arruelas mais simples que podem ser utilizadas são as lisas, estas que não
possuem a função de realizar pressão na peça quando pressionadas. Outros tipos
podem ser arruelas de travamento, com o intuito de evitar o afrouxamento espontâneo
de porcas ou parafusos devido a vibrações, por exemplo. Entre os tipos de arruelas
que servem de trava há as de pressão, as com dentes, com serrilhados, ondulada ou
ainda com orelha. Cada uma tem seu uso de acordo com a necessidade e quantidade
de travamento necessário em uma junta composta por parafusos, sendo um
componente bastante importante na constituição da junta.
Quanto ao material que são fabricadas, podem ser de aços endurecidos para
quando a força de compressão da cabeça do parafuso sobre a parte sujeitada
necessita ser bastante distribuída, além do tamanho da cabeça ou de uma porca.
Caso seja muito mole irá escoar por flexão. Um material não metálico na arruela pode
ser usado para isolamento elétrico do parafuso com a peças fixada (NORTON, 2013).
2.4 DIMENSIONAMENTO DE JUNTAS PARAFUSADAS
De acordo com Nascimento (2003), as juntas parafusadas devem ser
dimensionadas levando-se em conta as cargas externas máximas que sofre e a força
tensora necessária ao parafuso para que seja capaz de suportar as cargas externas
sem proporcionar o deslizamento entre as partes da junta.
Normalmente as juntas parafusadas estarão sofrendo esforços de tração ou
cisalhamento, ou ainda uma combinação de ambos carregamentos. Existem cálculos
específicos para cada situação e tipo de carregamento.
28
2.4.1 Áreas sob tração
É a área do parafuso que sofre a tração considerando a média dos diâmetros
menor e primitivo, conforme equação 1, e os diâmetros conforme equações 2 a 5.
Essas áreas sobre tração estão nas tabelas dos tamanhos padrões dos parafusos
comentadas anteriormente que estão no Anexo A. Um parafuso de fixação
normalmente sofre apenas carga axial de tração.
𝐴𝑡 = 𝜋
4(
𝑑𝑝 + 𝑑𝑟
2)
2
Sendo para roscas ISO:
𝑑𝑝 = 𝑑 − 0,649519𝑝 (2)
𝑑𝑟 = 𝑑 − 1,226869𝑝 (3)
E para roscas do tipo UNS:
𝑑𝑝 = 𝑑 −0,649519
𝑁𝑓
𝑑𝑟 = 𝑑 −1,299038
𝑁𝑓
Onde 𝑑𝑝= diâmetro primitivo, 𝑑= diâmetro externo, 𝑑𝑟= diâmetro de raiz,
𝑁𝑓 =número de filetes por polegada, 𝑝 = passo em milímetros.
Em um parafuso que está sendo solicitado por uma carga axial de tração
externa e não possui pré-carga inicial, a tensão no mesmo pode ser calculada pela
equação 6.
𝜎𝑡 = 𝐹𝑒
𝐴𝑡
Considerando 𝐴𝑡= área sob tração, 𝐹𝑒= Força aplicada no parafuso.
(1)
(6)
(5)
(4)
29
2.4.2 Área sob cisalhamento
Falha por cisalhamento em um parafuso pode envolver o rasgamento de filetes
da rosca tanto na porca como no parafuso. Isso dependerá da resistência dos
materiais da porca e dos parafusos, sendo o que for mais fraco que terá seus filetes
rasgados (NORTON, 2013).
A área sob cisalhamento(𝐴𝑠) de rasgamento para filete de rosca no parafuso é
conforme a equação 7.
𝐴𝑠 = 𝜋 𝑑𝑟 𝑤𝑖 𝑝 (7)
Onde 𝑝= passo de rosca, 𝑑𝑟 = diâmetro de raiz, 𝑤𝑖 = fator de área para
cisalhamento por corte de roscas conforme tabela 1.
Para cisalhamento de rasgamento para filete de rosca na porca, equação 8.
𝐴𝑠 = = 𝜋 𝑑 𝑤𝑜 𝑝 (8)
Onde 𝑝= passo de rosca, 𝑑 = diâmetro externo, 𝑤𝑜= fator de área para
cisalhamento por corte de roscas conforme tabela 1.
E assim pode-se calcular a tensão de cisalhamento por rasgamento de rosca
pela equação 9.
𝜏𝑠 =𝐹
𝐴𝑠
Tipo de rosca Wi (menor) Wo (maior)
UNS/ISO 0,8 0,88
Quadrada 0,5 0,5
Acme 0,77 0,63
Tabela 1 – Valores de Wi e Wo
Fonte: Adaptado de Norton (2004).
(9)
30
2.4.3 Comprimento de rosca
O comprimento ideal dos parafusos de porca é aquele em que apenas uma ou
duas roscas projetam-se da porca depois que ele é apertado (SHIGLEY; MISCHKE;
BUDYNAS, 2005). E assim o comprimento de rosca (𝐿𝑇) é de grande importância e
precisa ser determinado. Para parafusos de porca de série em polegadas, em que D
é o diâmetro nominal, é calculado pela equação 10 em parafusos UNS e em parafusos
da série métrica pela equação 11.
𝐿𝑇 = {2𝐷 + 1
4𝑖𝑛 𝐿 ≤ 6 𝑖𝑛
2𝐷 + 1
2𝑖𝑛 𝐿 ˃ 6 𝑖𝑛
(10)
𝐿𝑇 = {2𝐷 + 6 𝐿 ≤ 125 𝐷 ≤ 482𝐷 + 12 125 ˂ 𝐿 ≤ 200 2𝐷 + 25 𝐿 ˃ 200
(11)
2.4.4 Pré-carga
Destacando o parafuso de porca que tem como função deixar juntas duas ou
mais peças, ele possui uma carga de retenção que estica ou alonga o mesmo. Essa
carga será obtida ao torcer a porca até que o parafuso tenha se alongado quase até
seu o limite elástico. Se a porca não afrouxar, essa tensão no parafuso permanecerá
como a pré-carga ou a força de retenção (SHIGLEY; MISCHKE; BUDYNAS, 2005).
É prática comum na montagem de juntas parafusadas pré-carregar a mesma,
apertando o parafuso ou a porca com um torque suficiente para criar cargas de tração
que cheguem próximas as resistências de prova do parafuso.
Quando há carregamento estático, normalmente se utiliza uma pré-carga que
gera uma tensão no parafuso de até 90% da resistência de prova, e para
carregamentos dinâmicos se utiliza pré-carga de 75% ou mais da resistência de prova.
Supondo que um parafuso esteja dimensionado de maneira correta para resistir as
cargas que será submetido, com a utilização da pré-carga é improvável que o parafuso
rompa em serviço se não quebrar enquanto estiver sendo apertado (NORTON, 2013).
Naturalmente com a aplicação da pré-carga, visto que os membros estão sendo
retidos juntos, a força de retenção produz tensão no parafuso de porca e o estica,
31
fazendo também que ocorra uma compressão entre o parafuso e a porca com as
partes sujeitadas da peça fixada. Assim é necessário conhecer a rigidez do parafuso
e da junta, fazendo uma analogia com uma mola que sofre compressão, através do
limite da razão de mola, que é a razão entre a força aplicada ao membro e a deflexão
produzida pela força.
A força de pré-carga para os parafusos é determinada a partir um percentual
da resistência de prova do parafuso juntamente com sua área sob tração, de acordo
com sua especificação e dimensões. E assim é colocada em prática no momento da
montagem do parafuso na sua aplicação para garantir que o mesmo não afrouxe.
Somente assim irá cumprir sua função como elemento fixador sem apresentar falhas
e mantendo as peças rigidamente unidas.
Nascimento (2003) relata que existem alguns fatores que influenciam a
precisão da pré-carga nos parafusos, que são as precisões das ferramentas utilizadas
e disponíveis, do operador que está realizando o aperto e do controle de torque
aplicado.
2.4.5 Tensão torcional
Quando uma porca é torcida até a pré-carga, uma carga torcional é aplicada ao
parafuso por meio das suas roscas. Se o atrito nos filetes de rosca é alto, a torção no
parafuso pode ser apreciável. Esta é a principal razão para uso de lubrificação nas
roscas antes da montagem de parafusos. Se não existisse atrito nas roscas, a carga
de torção no parafuso seria próxima a zero (NORTON, 2013). Uma tensão de torção
é gerada no corpo do parafuso durante o aperto, como definido pela equação 12.
𝜏 = 𝑇𝑟
𝐽=
16𝑇𝑓
𝜋 (𝑑𝑟)3
Onde 𝑇𝑓= força do torque total e 𝑑𝑟= diâmetro de raiz (menor) da rosca.
Essa tensão de torção se combina com a tensão de tração no parafuso para
criar uma tensão principal maior que a tensão de tração inicial. Quando a tensão
torcional é aliviada ou desaparece, a tensão principal será reduzida. Esta é a outra
razão pela qual um parafuso que não quebra quando torcido à pré-carga não irá
provavelmente falhar sob as cargas aplicadas para as quais foi dimensionado.
(12)
32
2.4.6 Torque
Tendo visto que uma pré-carga elevada é muito desejável em conexões
parafusadas importantes, devemos considerar meios de assegurar que essa pré-
carga seja realmente desenvolvida quando as peças forem montadas (SHIGLEY;
MISCHKE; BUDYNAS, 2005).
A pré-carga é atingida quando o parafuso sofre elongação em quantidade
suficiente, entretanto é muito difícil medir a elongação que o parafuso sofre. Então
para garantir a pré-carga faz se um controle do torque durante o aperto do parafuso,
normalmente com a utilização de um torquímetro.
Segundo Norton (2013) de acordo com os resultados de Brake, Kurtz (1965) o
torque (T) pode relacionado com a pré-carga conforme equação 13.
𝑇 = 𝐾𝐹𝑖𝑑 (13)
Onde 𝐾= coeficiente de torque (tabela 2), 𝐹𝑖= Pré-carga e 𝑑= diâmetro externo
do parafuso.
O coeficiente de torque está relacionado ao coeficiente de atrito, que depende
da dureza da superfície, da precisão e do grau de lubrificação. Em média, adota-se o
coeficiente de atrito com valor aproximado de 0,15. Outros fatores que podem ser
computados para definição do coeficiente de torque são se as roscas são grossas ou
finas (ABRÃO; PERTENCE; DE LIMA, 2011).
Condição do parafuso com porca K
Não metalizado (chapeado), acabamento negro 0,3
Chapeado de zinco (zincado) 0,2
Lubrificado 0,18
Chapeado de cádmio 0,16
Com Bowman antiagarramento 0,12
Com porcas Bowman de agarramento 0,09
Tabela 2 - Coeficientes de torque
Fonte: Adaptado de Shigley; Mischke; Budynas (2005)
33
2.4.7 Rigidez do parafuso
A rigidez da porção de um parafuso de porca ou daquele sem porca dentro da
zona de retenção geralmente consistirá em duas partes: a da porção de haste não-
rosqueada e a da porção rosqueada. Assim, a constante de rigidez do parafuso de
porca é equivalente a rigidez de duas molas em série (SHIGLEY; MISCHKE;
BUDYNAS, 2005).
Assim a rigidez do parafuso (𝑘𝑏) é de acordo com a equação 14 e figura 9.
1
𝑘𝑏=
𝐿𝑡
𝐴𝑡𝐸𝑏+
𝐿𝑠
𝐴𝑠𝑟𝐸𝑏 (14)
Considerando 𝐿𝑡= parte com rosca sob tração do parafuso, 𝐿𝑠= parte do
parafuso sem rosca, 𝐴𝑡= área sob tração (tabelas anexos), 𝐴𝑠𝑟= área cilíndrica do
parafuso sem rosca e 𝐸𝑏= módulo de elasticidade do material do parafuso.
2.4.8 Rigidez da junta
Além da rigidez do parafuso, é de grande importância determinar a rigidez dos
membros da junta (𝑘𝑚), para assim saber o que acontecerá na junta quando for
submetida a cargas e tensões. Esta rigidez para ser calculada leva em conta o volume
Fonte: Shigley; Mischke; Budynas (2005)
Figura 9 – Conexão parafusada carregada por tração P
34
do material que está tensionado atrás de um cone com ângulo de 30º, pelas equações
15, 16, 17 e figura 10.
1
𝑘𝑚=
𝐿1
𝐴𝑚1𝐸𝑚+
𝐿2
𝐴𝑚2𝐸𝑚 (15)
𝐴𝑚 = 𝜋
4 [(
𝑑2+ 𝑑3
2)2 − 𝑑2] (16)
𝑑3 = 1,5𝑑 + 𝑙𝑚 tan 30° 𝑑2 = 1,5𝑑 (17)
Onde 𝐿1= espessura do primeiro material da junta, 𝐿2= espessura do segundo
material da junta, 𝐴𝑚= área média conforme fórmula 12, 𝐸𝑚= módulo de elasticidade
do material que compõe a junta, 𝑙𝑚= espessura total da junta (𝐿1 + 𝐿2). Caso as
partes da junta forem do mesmo material, ou seja, forem de mesmo módulo de
elasticidade, a fórmula 13 fica simplificada para a equação 18.
1
𝑘𝑚=
𝐿𝑚
𝐴𝑚𝐸𝑚 (18)
Fonte: Adaptado de Norton (2004)
Figura 10 - Área média em uma junta parafusada
35
2.4.9 Carregamento estático
Considerando uma junta parafusada, com material do parafuso e dos membros
unidos sendo o mesmo, que será carregada estaticamente, assim a força no parafuso
e no material é a mesma enquanto estiverem em contato. O material será considerado
mais rígido que o parafuso por ter, em geral, uma área maior. Nesta junta foi aplicada
pré-carga, assim se controlam as deflexões dos materiais e do parafuso por suas
constantes de mola. O que normalmente ocorre é que o parafuso se estende mais do
que os membros encurtam.
A força externa (𝑃) é aplicada na junta, ocasionando deflexão adicional ao
parafuso e aos membros, e será a mesma a não ser que for tão grande que consiga
separar a junta. Esta força será suportada uma parte pelo parafuso (𝑃𝑏) e outra parte
pelos membros (𝑃𝑚). Fazendo a força compressiva do material (𝐹𝑚) diminuir e a carga
de tração no parafuso (𝐹𝑏) aumentar em relação a pré-carga inicial (𝐹𝑖), equação 19.
𝑃 = 𝑃𝑚 + 𝑃𝑏 {𝐹𝑚 = 𝐹𝑖 − 𝑃𝑚
𝐹𝑏 = 𝐹𝑖 + 𝑃𝑏 (19)
Assim, com o material dos membros sendo mais rígido do que o do parafuso,
os membros da junta suportarão a maior parte da carga aplicada e o parafuso sofrerá
um pouco mais de carga além da pré-carga inicial. Contribuindo assim para a
afirmativa que se o parafuso não falha no pré-carregamento, provavelmente não
falhará em serviço (NORTON, 2013).
Caso a força externa (𝑃) for grande suficiente para que a força que o material
suporta (𝑃𝑚) exceda a pré-carga inicial, a junta irá se separar e o parafuso terá que
suportar a carga total. Por esta questão que as pré-cargas devem ser realmente altas.
Como a força externa causa deflexão nos materiais da junta, é definido uma
constante de rigidez da junta (𝐶) pela relação das rigidezes do material e do parafuso
(Kb e Km) conforme equação 20.
𝐶 =𝐾𝑏
𝐾𝑚+𝐾𝑏 (20)
36
Com a constante de rigidez da junta calculada, pode-se calcular a fração da
carga externa que os membros (𝑃𝑚) e que o parafuso (𝑃𝑏) suportam, para depois
calcular a força total que os membros (𝐹𝑚) e que o parafuso (𝐹𝑏) suportam, de acordo
com as equações 21, 22, 23 e 24.
𝑃𝑏 = 𝐶 . 𝑃 (21)
𝑃𝑚 = (1 − 𝐶). 𝑃 (22)
𝐹𝑏 = 𝐹𝑖 + 𝐶 . 𝑃 (23)
𝐹𝑚 = 𝐹𝑖 − (1 − 𝐶). 𝑃 (24)
Após pode-se calcular também a carga necessária para separar a junta
parafusada (𝑃𝑜), assim como o coeficiente de segurança a falha por separação de
junta (𝑁𝑠), equações e 25 e 26.
𝑃𝑜 = 𝐹𝑖
1−𝐶
𝑁𝑠 = 𝑃𝑜
𝑃=
𝐹𝑖
𝑃(1−𝐶)
2. 5 NORMA CONTRAN 445/13
O Conselho Nacional de Trânsito – CONTRAN, é o órgão responsável por
normatizar e coordenar a política nacional de trânsito, através do Sistema Nacional de
Trânsito, do Código Brasileiro de Trânsito, e de suas resoluções e normas.
O CONTRAN 445/13 estabelece os requisitos de segurança para veículos de
transporte público coletivo de passageiros e transporte de passageiros tipos micro-
ônibus e ônibus, categoria M3 de fabricação nacional e importado. No
(25)
(26)
37
desenvolvimento deste trabalho será utilizada a norma CONTRAN 445/13 como base
para realização dos testes experimentais.
Os miniônibus Volare, que possuem as poltronas que tiveram suas fixações
analisadas se enquadram na categoria M3, de acordo com a definição da norma:
veículos para o transporte coletivo público de passageiros e de transporte de
passageiros dotados de mais de 8 lugares além do condutor, com peso bruto total
superior a 5,0 toneladas.
De acordo com esta norma há requisitos de segurança obrigatórios para os
veículos de que trata esta Resolução que estão apresentados no Anexo IV, que faz
prescrições relativas aos bancos dos veículos da categoria M3 no que se refere às
suas ancoragens (obrigatório para todas as classes de aplicação).
2.5.1 Anexo IV da Norma CONTRAN 445/13
A norma CONTRAN 445/13 através deste Anexo IV tem sua aplicação em
bancos para os passageiros voltados para frente, que por sua definição são: uma
estrutura suscetível de ser ancorada à estrutura do veículo, com os seus acabamentos
e acessórios, destinada a ser usada em um veículo e a acolher um ou mais ocupantes
adultos sentados.
Ancoragem é definida como uma parte do chassi ou carroceria do veículo à
qual pode ser fixado um banco e a fixação é denominado como os parafusos ou outros
elementos empregados para fixar o banco ao veículo.
Sob pedido do construtor, cada tipo de banco está sujeito às prescrições de
prova estabelecidas no Apêndice 1 (prova dinâmica) ou nos Apêndices 5 e 6 (prova
estática) referentes ao anexo IV.
As ancoragens dos bancos de um tipo de veículo devem ser capazes de
atender a prova prescrita no Apêndice 2 do presente Anexo.
2.5.2 Apêndice 2 do Anexo IV da norma CONTRAN 445/13
Neste apêndice referente ao Anexo IV da norma CONTRAN 445/13 há os
procedimentos de prova relativos a ancoragens em um veículo.
Quanto aos aparelhos de prova é importante relatar que as partes da estrutura
a ser submetida à prova é fixada, utilizando elementos de fixação fornecidos pelo
38
construtor, em uma estrutura rígida suficientemente representativa do banco a ser
montado no veículo em questão.
No procedimento de prova uma força F deve ser aplicada a uma altura de 0,75
metros acima do plano de referência e num plano vertical contendo o centro
geométrico da superfície limitada pelo polígono cujos vértices constituem os pontos
de ancoragem ou, se for o caso pelas ancoragens extremas da poltrona, por
intermédio da estrutura rígida definida anteriormente. A força deve ser na direção
horizontal e no sentido de marcha do veículo, aplicada de forma rápida, devendo ser
mantida no valor especificado por pelo menos 0,2 segundos.
A força 𝐹 é determinada pela equação 27.
𝐹 = (5000 ± 50) × 𝑖 (27)
Sendo 𝐹 expressa em Newtons (N) e 𝑖 representando o número de assentos
para os quais as ancoragens estão sendo ensaiadas.
2.5.3 Apêndice 5 do Anexo IV da norma CONTRAN 445/13
Neste apêndice 5 do anexo IV da norma CONTRAN 445/13 há os aparatos de
ensaio e procedimentos relativos a provas estáticas.
Para realização dos testes são necessários os aparatos de ensaio que
consistem de corpos cilíndricos com um raio de curvatura igual a 82 mm ± 3mm. Para
o aparato superior, uma largura que seja pelo menos igual à largura do encosto de
cada posição da poltrona a ser ensaiada. Para o aparato inferior, uma largura de
320mm+ 10m. A superfície voltada contra as partes da poltrona deve consistir de um
material com dureza não inferior a 80 Shore A e cada superfície cilíndrica deve ser
equipada com pelo menos um dinamômetro para medir as forças aplicadas na direção
definida anteriormente.
Nos procedimentos de ensaios é definido que uma força de ensaio de conforme
equação 28 deve ser aplicada com o aparato descrito acima, sobre a parte traseira da
poltrona correspondente a cada assento, a direção da força deve situar-se no plano
médio vertical do assento, ser horizontal e aplicada no sentido de marcha do veículo.
Esta direção na qual a força é aplicada deve situar-se na altura H1, entre 0,70 m e
39
0,80 m acima do plano de referência. A altura exata deve ser determinada pelo
fabricante.
𝐹 = (1000/𝐻1) ± 50 𝑁 (28)
Junto a primeira, outra força de ensaio conforme equação 29 deve ser aplicada
simultaneamente sobre a posterior da poltrona correspondente a cada assento, no
mesmo plano vertical, com a mesma direção e sentido à altura H2, entre 0,45 e 0,55
m acima do plano de referência, com o aparato de ensaio de corpo cilíndrico. A altura
exata deve ser determinada pelo fabricante.
𝐹 = (2000/𝐻2) ± 100 𝑁 (29)
Durante a aplicação das forças especificadas nas equações 28 e 29 deste
apêndice, os aparatos de ensaio devem, na medida do possível, ser mantidos em
contato com a traseira da poltrona, devendo também ser capazes de girar num plano
horizontal.
No caso de uma poltrona dupla ou múltipla, as forças correspondentes a cada
assento devem ser aplicadas simultaneamente, devendo haver um aparato superior e
um inferior para cada assento.
A posição inicial da poltrona deve ser determinada encostando-se os aparatos
de ensaio na poltrona e aplicando-se uma força de no mínimo 20 N.
Se o ensaio for realizado com uma ou mais forças maiores que as especificadas
nas equações 28 e 29, (porém, todas as forças não podem ser simultaneamente
maiores que as especificadas) e a poltrona atender aos requisitos, o ensaio será
considerado satisfatório.
2.5.4 Anexo V da norma CONTRAN 445/13
Outro anexo importante da norma que há influência no sistema de fixação de
uma poltrona se refere a testes com cinto de segurança, anexo V, que faz prescrições
referentes à instalação de cintos de segurança em veículos da categoria M3.
Referente a cinto de segurança de 2 pontos, o mesmo deverá atender à norma
NBR 7337/2011 ‘Veículos Rodoviários automotores – ancoragem de cintos de
40
segurança – requisitos e ensaios. Esta norma prescreve as características desejáveis
para a construção do cinto de segurança como componente. Alternativamente,
poderão ser utilizados cintos de segurança que estejam em conformidade com a
Diretiva 2000/3/CE, ou mesmo com a norma ECE R16.
Já a resistência da ancoragem do cinto de segurança de 2 pontos deverá
atender ao prescrito na norma NBR 6091-2009 'Veículos rodoviários - Ancoragem de
cintos de segurança - Localização e resistência à tração'. E alternativamente, a
resistência da ancoragem poderá estar em conformidade com a Diretiva 96/38/CE, ou
mesmo com a norma ECE R14.
2.5.5 Resistência ancoragem cinto Norma NBR 6091-2009
Complementar a norma CONTRAN 445/13, os testes relativos as ancoragens
dos cintos 2 pontos subabdominal são descritos na norma NBR 6091-2009.
Ressaltando alguns itens presentes nesta norma, as poltronas devem ser
montadas e colocadas na posição de condução ou de utilização escolhida como sendo
a mais desfavorável do ponto de vista de resistência. O ângulo do encosto da poltrona
deve ser regulado para formar um ângulo efetivo o mais próximo possível de 15º.
A força de tração utilizada no teste deve ser aplicada para frente com ângulo
de 10º + ou - 5º acima da horizontal, em um plano paralelo ao plano longitudinal médio
do veículo. E esta força deve ser atingida no menor tempo possível, para que as
ancoragens dos cintos possam resistir a mesma por pelo menos 0,2 segundos.
O ensaio de ancoragem para cinto do tipo subabdominal para veículo categoria
M3 determina que a força aplicada em um dispositivo de tração que deve estar ligado
as duas ancoragens inferiores do cinto deve ser de acordo com a equação 30.
𝐹 = (7400 ± 200 𝑁) + 6,6 . 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑝𝑜𝑙𝑡𝑟𝑜𝑛𝑎 (30)
2.6 INSTRUMENTAÇÃO
A instrumentação é qualquer dispositivo com a finalidade de medir algum
parâmetro, registrar um dado ou indicar um valor em algum ensaio experimental ou
processo industrial.
41
De acordo com Andolfado, Camacho e Brito (2004) diferentes métodos de
inspeção não destrutivos para medidas de tensões têm sido explorados e
desenvolvidos, mas nenhum outro dispositivo tem uma utilização mais ampla do que
os extensômetros com relação a sua aplicabilidade. Isto devido a sua precisão de
medidas, facilidade de manipulação e da capacidade dos mesmos de monitorar as
deformações até as cargas últimas em ensaios destrutivos.
A realização de um ensaio de tração com utilização de instrumentação por
extensômetros tem como objetivo verificar qual o esforço e a tensão sofrida em uma
estrutura ou componente. Esta que está sob ação de força externa de tração ou
compressão, ao qual o extensômetro estará fixado. Para isso haverá a leitura das
pequenas variações das dimensões do componente ou estrutura que será convertido
em resistência elétrica equivalente pelo extensômetro elétrico, que são denominados
Strain Gages. Possuem sua concepção básica conforme figura 11.
2.6.1 Extensometria
A extensometria é uma técnica utilizada para medir as deformações de um
sólido submetido a forças externas tendendo a deformá-lo, porém permanecendo em
sua região elástica.
Figura 11 - Extensômetro básico
Fonte: Adaptado de Gallina (2003)
42
Na extensometria, o principal elemento é o extensômetro. Este que registra a
deformação a qual a estrutura a ser analisada foi submetida, para posteriormente se
descobrir os valores de força.
O extensômetro elétrico de resistência é um elemento sensível que transforma
pequenas variações de dimensões em variações equivalentes de sua resistência
elétrica. Sua utilização constitui um meio de se medir e registrar o fenômeno da
deformação como sendo uma grandeza elétrica (BARRETO JÚNIOR, 2009).
A força aplicada em um material é proporcional a deformação causada na
região elástica, mantendo-se uma relação constante entre a magnitude da força
externa e a quantidade de deformação. E quando sofrem essas deformações, os
materiais metálicos mudam sua resistência elétrica, e é neste princípio que se baseia
o funcionamento do extensômetro.
Deformações em várias partes de uma estrutura real sob condições de serviço
podem ser medidas com boa precisão sem que a estrutura seja destruída. Assim, isto
leva a uma análise quantitativa da distribuição de deformação sob condições reais de
operação. Os extensômetros fornecem um método excelente de converter
deformações em quantidade elétrica (WEBER, 2008).
As características das medidas com extensômetros são resumidas abaixo:
• Alta precisão de medição;
• Pequeno tamanho e pouco peso;
• Excelentes respostas aos fenômenos dinâmicos;
• Fácil utilização desde que conhecida a boa técnica;
• Excelente linearidade;
• Medições possíveis dentro de uma ampla faixa de temperatura;
• Aplicáveis submersos em água ou em atmosfera de gás corrosivo desde que
utilizado tratamento apropriado;
• Usados como elementos transdutores para medidas de várias quantidades
físicas (força, pressão, torque, aceleração, deslocamento);
• Possibilita a medida em locais remotos;
Vale ressaltar que existem muitos tipos de extensômetros, que devem ser
selecionados de acordo com o propósito de utilização, tipo de material resistivo e de
base, tamanho e configuração. E também deve ser levando em conta a faixa de
temperatura a qual o extensômetro estará submetido, o seu limite máximo de
alongamento, a corrente máxima que pode suportar, se é necessário ter resistência a
43
umidade e qual a durabilidade requerida. Tudo isso, para não acontecer erros ou
falhas durante o ensaio instrumentado, fazendo com que as leituras fiquem
prejudicadas e os dados obtidos não correspondam ao fenômeno estudado.
Em princípio todos os extensômetros podem ser utilizados em soluções de
problemas de análise de tensões experimental ou na construção de transdutores.
Porém, existem diversos tipos de extensômetro no mercado, fazendo que alguns
sejam preferidos em aplicações particulares. A seleção dos extensômetros a serem
utilizados na análise deve considerar basicamente a aplicação do extensômetro e as
condições que o afetam durante a operação. Extensômetros destinados à análise de
tensões experimental devem ser robustos e flexíveis que podem ser usados sob
condições árduas (GRANTE, 2004).
Conforme Barreto Junior (2009), para conhecermos as direções das
deformações e a direção da tensão máxima de um corpo de prova de forma complexa
ou que esteja sujeito a solicitações mal definidas, recorremos ao uso dos
extensômetros elétrico do tipo roseta. Uma roseta é constituída por dois ou mais
extensômetros sobre um único suporte, dispostos com ângulos de 45°, 60°, 90°, 120°
e 240°, entre si. A figura 12 mostra configurações para extensômetros tipo roseta.
Figura 12 - Extensômetros tipo roseta
Fonte: Gallina (2003)
44
2.6.2 Sistema de medição
As deformações que ocorrem na peça são medidas pelo extensômetro, porém
as leituras não saem em forma de gráficos, tabelas ou relatórios. É necessária a
utilização de um conjunto de aparelhos de transforma a deformação sentida pelo
extensômetro em informações concretas. Além disso, essas deformações medidas
são normalmente pequenas, produzindo variações no sinal elétrico nas mesmas
proporções, não podendo ser lidas diretamente por um osciloscópio ou um multímetro.
Esse processo da verificação do fenômeno da deformação até a informação dos
dados legíveis é feito por um sistema de medição.
Para realizar as medições, utiliza-se o circuito denominado ponte de
Wheatstone. As deformações medidas com extensômetros são muito pequenas, os
diferenciais de resistência são muito pequenos e não podem ser medidos diretamente.
Portanto é necessária a inclusão do extensômetro em um sistema de medição aonde
a deformação no componente provoca uma variação da resistência do extensômetro
e como consequência ocorre um desequilíbrio que é captada pelo circuito e convertida
em variação de tensão.
Outra forma utilizada para medir as deformações registradas pelo
extensômetro, é através de softwares que fornecem diretamente os valores das
deformações, como o Aqdados e Pulse.
45
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Dos dois sistemas de fixação de poltronas já mostrados anteriormente, sistema
1 direto no assoalho e sistema 2 com trilho, o 2 é mais atual, pois foi implementando
nos últimos modelos de miniônibus apresentados ao mercado. O mesmo tipo de
poltrona pode ser fixado com qualquer um dos dois sistemas de fixação, dependendo
do modelo e do tipo de serviço do veículo que está sendo produzido. O tipo de poltrona
que teve sua fixação estuda com os dois sistemas de fixação é conforme o modelo da
figura 13.
Os sistemas de fixação que são o objeto de estudo deste trabalho se
apresentam em dois conceitos diferentes para prender uma poltrona. O sistema de
fixação 1 utiliza uma junta parafusada com parafuso passante. A base do assoalho
dos miniônibus é composta de vários perfis do tipo “C” de aço, o pé da poltrona é
posicionado sobre estes perfis. Com a poltrona na posição determinada, é realizado
um furo passante pelo assolho e pelo perfil “C”, e após é montado o parafuso. Após a
montagem de todas poltronas e seus respectivos parafusos, por baixo do miniônibus
são colocados as porcas e arruelas.
Fonte: Acervo Marcopolo (2015)
Figura 13 – Poltrona 940 mm executiva
46
O outro sistema de montagem utiliza um trilho, para no mesmo um parafuso
com cabeça compatível ser encaixado e poder ser deslocado livremente em toda sua
extensão. Depois de posicionado o parafuso, a peça a ser fixada deve ser encaixada
no parafuso e presa com porca e arruela, conforme figura 14.
O grande ganho neste sistema de fixação é não haver a necessidade de ser
realizada a furação do assoalho para colocação do parafuso, pois a poltrona encaixa
no parafuso que está no trilho e posterior é colocado a porca e a arruela. Assim como
ele garante a colocação da arruela e porca, sem necessidade de serem colocadas por
baixo do veículo.
Neste trabalho foram comparados e estudados estes dois tipos de fixação de
poltronas do tipo Executiva 940 com cinto 2 pontos em miniônibus Volare, com o intuito
de saber qual sistema é melhor. Foi avaliado qual permite a melhor fixação da
poltrona, com base na norma CONTRAN 445/13 e qual deles possui melhor processo
de montagem na linha de produção. Isso foi feito também através de testes
experimentais com extensômetros para se obter a força máxima na junta parafusada
de uma poltrona e realizando cálculos de dimensionamento.
Visando uma maior produtividade e padronização de componentes, foi sugerido
na conclusão deste trabalho a utilização de apenas um dos tipos de sistemas de
fixação. Em virtude de que o sistema 1 apresenta variáveis que comprometem a
fixação correta, ele foi comparado ao sistema 2 principalmente em questão da carga
máxima que a junta parafusada sofre. Assim se obteve dados técnicos sobre
Figura 14 – Junta parafusada composta por trilho e parafuso com deslocamento
Fonte: O autor (2015)
47
resistência para confrontar os dois sistemas de fixação e ver se o sistema 2 apresenta
características melhores sob ponto de vista mecânico para ser equivalente ao sistema
1 e ser definido como padrão.
As etapas do trabalho se desenvolveram de acordo com a imagem 15.
3.1 ANÁLISE E COMPARAÇÃO DOS DOIS SISTEMAS DE FIXAÇÃO DE
POLTRONAS
Nesta etapa foi explanado e ilustrado os dois sistemas de fixação de poltronas
com junta parafusada que são atualmente montados na linha de produção de
miniônibus. Evidenciando as diferenças entre os dois tipos de juntas parafusadas que
constituem a montagem de uma poltrona e também as vantagens e desvantagens de
um processo em relação ao outro. Foram apresentadas as características dos
componentes, a classe dos parafusos, o tipo de arruela e porca que são utilizados em
cada sistema.
Também foi analisado os procedimentos de montagem de cada sistema de
fixação, o que envolverá questões de tempo de montagem, facilidade de execução na
Figura 15 – Fluxograma etapas do trabalho
Fonte: O autor (2015)
48
montagem e de retrabalho quando necessário, melhora na qualidade, garantia de
fixação de acordo com projeto.
3.2 VERIFICAÇÃO DOS ESFORÇOS SOFRIDOS PELA JUNTA PARAFUSADA
Na verificação dos esforços que a junta parafusada sofre, foi realizado na
Engenharia Experimental da Marcopolo o teste de ancoragem de cinto de segurança
requisitados pela norma CONTRAN 445/13. O mesmo foi feito em uma poltrona
preparada com um suporte feito pela própria engenharia experimental para colocação
de extensômetro do tipo roseta para realização das medidas necessárias. E a partir
deste valor de carga máxima na junta parafusada foi realizado os cálculos de forma
analítica vistos na fundamentação teórica, para assim comparar os dois sistemas.
3.3 REAVALIAÇÃO DO DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES
Após saber a força máxima que atua na junta parafusada com a realização do
teste de acordo com a norma CONTRAN 445/13, levando em conta os componentes
fixadores atualmente utilizados, foi estudado e calculado de forma analítica a
possibilidade e a necessidade de redimensionar os parafusos. Realizou-se uma
revisão das características dos parafusos visando uma melhoria.
3.4 AVALIAÇÃO DA PADRONIZAÇÃO DE UM SISTEMA
Em virtude de todas avaliações feitas e dos cálculos realizados, criou-se
embasamento para propor a utilização de apenas um dos sistemas de fixação. Com
isso, utilizando apenas um sistema de fixação de poltrona, pode-se definir a
padronização de componentes e de montagem. E assim foi realizada a análise dos
sistemas de fixação de poltronas em miniônibus e um dos sistemas foi efetivamente
definido como tecnicamente mais adequado e superior ao outro sob os aspectos
estudados.
49
4 DESENVOLVIMENTO
4.1 SISTEMA DE FIXAÇÃO 1 – DIRETO NO ASSOALHO
O sistema de fixação 1 é realizado diretamente na estrutura do assoalho do
miniônibus e só necessita dos componentes de fixação para prender a poltrona. Ele
consiste em uma junta parafusada com parafuso passante e seus acessórios que são
uma porca e uma arruela. A junta é constituída pela chapa do pé da poltrona, pelo
material do assoalho do miniônibus que será alumínio ou madeira, e pelo perfil “C” da
base da carroceria. Conforme indicado na figura 16 abaixo.
O material do perfil “C” da base é Aço LNE 38 e tem 4,25mm de espessura, já
o pé da poltrona também é feito de Aço LNE 38 e sua espessura é 2,25 mm. A
composição e as propriedades mecânicas do LNE 38 estão apresentadas no anexo
C. E o assoalho é de madeira com espessura de 12 mm.
Quanto a seus componentes, o parafuso é tipo trilobular, tendo esta
característica para não ser necessário realizar um processo de formação de rosca no
furo antes de ser rosqueado, evitando assim gastos e tempo com essa atividade. Em
cada pé da poltrona são utilizadas duas unidades deste parafuso para realizar a
fixação. Seu desenho é conforme figura 17, e suas características estão na tabela 3.
Figura 16 – Sistema de fixação 1
Fonte: Adaptado de acervo Marcopolo (2015)
50
O sistema de fixação 1 utiliza a porca sextavada de segurança DIN 980. Ela
tem rosca M10x1,5mm, para ser compatível ao parafuso, com classe 8. É totalmente
metálica e possui uma deformação elíptica que aumenta o coeficiente de atrito entre
as roscas, caracterizando a como de segurança. O tratamento superficial da porca é
zincado amarelo. É normalmente utilizada em aplicações sujeitas a vibrações. Seu
desenho é indicado na figura 18.
Parafuso sistema de fixação 1- Direto no assoalho
Tipo Métrico
Cabeça Sextavada
Rosca M10 x 1,5
Comprimento rosca 38,5mm
Comprimento total 40,0mm
Tratamento superficial Zincado prata
Dureza de nucleo 280 a 380 HV
Dureza de superfície 450 HV
Classe 8.8
Resistência mínima de prova 600 MPa
Resistência mínima de escoamento 660 MPa
Resistência mínima a tração 830 MPa
Material Aço médio carbono (0,3 a 0,6%)
Figura 17 – Parafuso do sistema de fixação 1
Fonte: Adaptado de acervo Marcopolo (2015)
Tabela 3 – Especificações do parafuso do sistema de fixação 1
Fonte: O Autor (2015)
51
Além do parafuso e da porca, tem-se uma arruela que é utilizada na junta
parafusada do sistema 1. É uma arruela lisa DIN 126, com tratamento superficial
zincado amarelo. Possui diâmetro externo de 28 mm, diâmetro interno de 12,7mm e
sua espessura é de 2 mm.
Seu processo de montagem se inicia com a distribuição das poltronas dentro
do miniônibus conforme medidas estabelecidas pelo projeto. Depois de posicionadas,
é realizado a marcação dos furos de cada pé no assoalho. Posterior a isso, são
realizados os furos no assoalho e perfil “C”, as poltronas são colocadas na posição e
os parafusos são rosqueados. Após são realizados a montagem das porcas e arruelas
pelo lado inferior externo do miniônibus.
Para comparar os dois sistemas de fixação, foram verificados os tempos de
montagem de poltronas com cada tipo de fixação. Foi visto que utilizando o sistema 1
o tempo estipulado pela engenharia de processo da Marcopolo para montagem é de
2,8 horas.
No sistema de fixação 1 quando é necessário reposicionar uma poltrona que
foi montada na posição incorreta, é preciso tirar a porca pelo lado externo inferior,
após tirar o parafuso. E depois mudar a posição da poltrona e realizar novo furo no
assoalho, o que demanda tempo gasto com retrabalho.
Figura 18 – Porca do sistema de fixação 1
Fonte: Adaptado de acervo Marcopolo (2015)
52
O sistema de fixação 1 apresenta características que comprometem a fixação
da poltrona. O diâmetro do furo aonde será colocado o parafuso pode ser aumentado
pelos operadores para facilitar a colocação do parafuso. Os mesmos podem usar uma
broca maior ou escarear o furo.
Comprovando a influência do diâmetro do furo na fixação das poltronas, em
testes realizados anteriormente na Engenharia Experimental da Marcopolo sobre a
resistência dos parafusos para ancoragem do pé das poltronas foi testado o parafuso
que é utilizado no sistema de fixação 1. Testou-se o parafuso deste sistema através
da realização de diferentes tamanhos de furo piloto na montagem. Foram realizados
ensaio de torque máximo para formação da rosca e o torque máximo suportado pelo
conjunto até a ruptura do parafuso ou espanamento da rosca. E ensaio de tração da
união parafuso e perfil “C” conforme aplicado na carroceria do miniônibus.
Nos testes foram utilizados vários diâmetros de broca para realizar o furo piloto,
e assim foi verificado qual a variação nos resultados de acordo com a mudança no
tamanho da broca. Conforme relatório CO051/14 da Engenharia experimental foi
verificado que o diâmetro do furo piloto é inversamente proporcional à resistência
mecânica do conjunto e ao torque de formação de rosca. E que o torque necessário
para ruptura do parafuso em questão está na faixa de 115 a 130 Nm.
Outro problema presente no sistema de fixação 1, é que em alguns casos não
é possível colocar a porca e a arruela no parafuso da. Isso pode ocorrer pelo parafuso
ficar dentro de um tubo transversal fechado da base do miniônibus, ou por ficar
encostado na aba do perfil “C”, conforme figura 19. E ainda por algum componente do
chassi impedir o acesso ao parafuso.
Figura 19 – Problema no sistema de fixação 1
Fonte: O Autor (2015)
53
Em testes realizados anteriormente em parafusos de ancoragem para poltronas
na Engenharia Experimental da Marcopolo mostrou-se a importância da utilização da
porca de segurança na junta parafusada para fixação de poltronas. Conforme relatório
PO015/14 foi verificado com a aplicação de cargas em parafusos com e sem porca de
segurança que o valor do torque e o valor da carga máxima de tração suportados pelo
conjunto dobram de valor com a utilização da porca.
4.2 SISTEMA DE FIXAÇÃO 2 – COM TRILHO
Seu diferencial é que o parafuso é encaixado em um trilho específico, que
estará preso ao perfil “C” da base da estrutura do miniônibus pelo processo de solda.
A junta parafusada do sistema de fixação 2 é do tipo parafuso prisioneiro no trilho e
possui também a porca de segurança e arruela lisa. Neste sistema o assoalho do
miniônibus não está presente na composição da junta, há apenas a chapa do pé da
poltrona e uma parte do trilho, conforme indicado na figura 20.
Este trilho que sustenta o parafuso é de Aço estrutural ZAR 230, sua
composição e propriedades estão no Anexo C. Tem seu formato de acordo com o
formato da cabeça do parafuso para acontecer o correto encaixe dos dois. Ele é
soldado ao longo de seu comprimento nos perfis da base em processo anterior a
Figura 20 – Sistema de fixação 2
Fonte: Adaptado de acervo Marcopolo (2015)
54
colocação das poltronas e do assoalho. Dados da engenharia experimental da
Marcopolo mostraram que este trilho tem uma resistência a tração de
aproximadamente 2600 kgf, ou seja, 25506N. Suas dimensões e formato são de
acordo com a figura 21.
Em relação aos componentes de fixação deste sistema, utiliza a mesma porca
de segurança DIN 980 e a mesma arruela lisa DIN 126 do sistema de fixação 1.
A diferença mais significativa do parafuso do sistema 1 para o do sistema 2 é o
formato da cabeça, neste caso possui cabeça quadrada de 25 x 25mm. Possui a
mesma classe 8.8 do parafuso do sistema 1. Seu desenho é conforme figura 22 e
suas características estão na tabela 4.
Figura 21 – Trilho do sistema de fixação 2
Fonte: Adaptado de acervo Marcopolo (2015)
Figura 22 – Parafuso do sistema de fixação 2
Fonte: Adaptado de acervo Marcopolo (2015)
55
A fixação da poltrona através deste sistema é iniciada com o encaixe dos
parafusos no trilho, de acordo com a quantidade necessária, em cada pé de poltrona
vão montados dois parafusos. Após, as poltronas são encaixadas nos parafusos e
assim podem ser deslocadas para serem posicionadas. Posteriormente são montadas
as arruelas e porcas. Este sistema não tem o processo de furação do perfil “C” para
colocação do parafuso, reduzindo o tempo.
Para realizar os procedimentos de montagem do sistema de fixação 2 é
considerado pelo Engenharia de Processo um tempo de 2,35 horas, que é menos do
que com o sistema 1. Nesta montagem não é necessário ter duas pessoas para
execução, todas etapas podem ser realizadas por apenas um montador.
Uma grande vantagem deste sistema é que não haverá interferências para
colocação da arruela e porca. Todas juntas parafusadas das poltronas estarão
completas e de acordo com as especificações de projeto. O que também garante que
o torque especificado pelos descritivos operacionais da Marcopolo seja aplicado
corretamente, que é de 46 Nm.
Outro fator importante é quando alguma poltrona precisa ser reposicionada por
algum erro de montagem ou solicitação posterior de algum cliente, será necessário
apenas afrouxar as porcas e movimentar a poltrona.
Entretanto, este sistema agrega mais componentes ao sistema de fixação,
necessita do trilho e também de uma borracha de acabamento que vai montada nas
partes do trilho que ficam entre as poltronas.
Parafuso sistema de fixação 2 – Com trilho
Tipo Métrico
Cabeça Quadrada
Rosca M10 x 1,5
Comprimento rosca 20mm
Comprimento total 34,5mm
Tratamento superficial Zincado prata
Classe 8.8
Resistência mínima de prova 600 MPa
Resistência mínima de escoamento 660 MPa
Resistência mínima a tração 830 MPa
Material Aço médio carbono (0,3 a 0,6%)
Tabela 4 – Especificações do parafuso do sistema de fixação 2
Fonte: O Autor (2015)
56
4.3 TESTE ANCORAGEM CINTO SEGURANÇA
Para realização do teste de ancoragem do cinto de segurança, tomou-se como
guia os procedimentos de ensaio disponíveis no laboratório da engenharia
experimental da empresa.
Por ser necessário suportar uma força maior, assim tornando-se mais crítico,
optou-se por realizar somente os testes de ancoragem de cinto de segurança 2 pontos
descritos na norma CONTRAN 445/13, que se referem a NBR 6091-2009. Os mesmos
foram realizados na Engenharia Experimental da Marcopolo, conforme figura 23.
Para fixação da poltrona executiva 940mm com cintos de segurança de 2
pontos retrátil para realização do teste, utilizou-se um módulo experimental
representativo de um veículo Volare, seguindo fielmente o projeto da carroceria e do
sistema de ancoragem da poltrona, conforme figura 24. Foram utilizados os parafusos
descritos anteriormente para fazer a fixação e aplicado o torque de 46 Nm,
especificado pela Engenharia de processo nos descritivos operacionais.
Figura 23 – Teste de ancoragem do cinto
Fonte: O Autor (2015)
57
Para aplicação das cargas solicitadas pela norma foram utilizados atuadores
hidráulicos para tração com capacidade nominal de 2000 kgf (19620N) e resolução de
0,1 kgf (0,981N).
A norma NBR 6091-2009 solicita a aplicação de uma força de 7500N mais 3,3
vezes a massa da poltrona em cada cinto da poltrona a ser testada. No teste realizado
foi aplicado uma carga total de 1076,2 kgf, ou seja, 10546,76N. Valor proveniente da
soma dos 7500N da norma, mais o peso da poltrona de 506,26 N multiplicada por 3,3
e acrescido de 15%, totalizando os 10546,76N. Este aumento de 15% é um coeficiente
de segurança padrão utilizado na engenharia experimental da Marcopolo. A carga foi
aumentando com o tempo, conforme pode ser visualizado na figura 25.
Figura 25 – Gráfico da carga em função do tempo
Fonte: O Autor (2015)
Figura 24 – Fixação da poltrona no teste experimental
Fonte: O Autor (2015)
58
Fonte: O Autor (2015)
Este gráfico da Carga em função do tempo mostra que as forças aplicadas
nos dois cintos foram praticamente iguais, com pequenas variações nos momentos
de aumento da carga. No início do ensaio a carga foi aumentando rapidamente,
chegou a cerca de 900KgF (8829N) em 16 segundos. Após, por um período de quase
60 segundos ficou estável para depois chegar ao seu pico de 1076,2KgF (10546,76N)
nos 120 segundos de realização do teste. A carga próxima da máxima ficou aplicada
nos cintos por cerca de 40 segundos.
Junto ao teste de ancoragem de cinto de segurança foi verificado qual a força
registrada em virtude da deformação medida por um extensômetro do tipo roseta. Na
fixação da poltrona foi feito um suporte especial em chapa de Aço 1008 com
dimensões de 31 x 4,5mm elaborado pela Engenharia Experimental da Marcopolo.
Este suporte foi montado abaixo do parafuso da parte de trás do pé da poltrona, o qual
é o que sofre maior carga. O suporte foi elaborado para ser possível a colagem do
extensômetro roseta conforme figura 26, e assim se ter medidas de deformação, já
que não seria possível colocá-lo no parafuso.
Para registrar os valores de deformações que o extensômetro sofreu durante
a realização do teste de ancoragem de cinto a Engenharia experimental utilizou o
software Aqdados, conforme figura 27. Conforme Steffens (2006), este software usa
Figura 26 – Posição do extensômetro
59
Fonte: O Autor (2015)
Fonte: O Autor (2015)
a linguagem Delphi e coleta dados através de portas analógias e digitais, salvando
todos valores em arquivo "dados.dat" podendo ser aberto, posteriormente, numa
planilha eletrônica do tipo Excel.
Após, com estas deformações foi calculado a tensão normal que o suporte do
extensômetro sofreu, para assim calcular as forças de tração. Pode-se obter somente
as forças de tração, pois os equipamentos e métodos disponíveis para o teste não
possibilitam medir as forças de cisalhamento. Sabendo as forças, foi verificado qual a
máxima registrada, que foi utilizada para realizar os cálculos analíticos de
dimensionamento, considerando como sendo de tração na junta parafusada. O valor
máximo encontrado foi de 80178,35 N, o qual pode ser visualizado na figura 28.
Figura 28 – Gráfico da força em função do tempo
Figura 27 – Equipamentos para coleta de dados
60
Este gráfico da Força em função do tempo, mostra a força resultante na
chapinha aonde estava colado o extensômetro. Como a carga foi aumentando com o
tempo, a força se comportou da mesma maneira. No início do teste subiu rapidamente,
em 20 segundos já se mostrava com valor de 70000N. Por um período de tempo de
60 segundos ficou estável em aproximadamente 72000N, para depois atingir o valor
máximo de 80178,35 quando se passaram 120 segundos de teste. Após a carga
aplicada nos cintos foi sendo liberada e a força foi caindo juntamente.
O valor máximo foi calculado a partir da maior deformação(𝜀) medida pelo
extensômetro no sentido longitudinal, o qual é o mesmo sentido da tração no suporte,
que foi de 0,00287378 m/m. Calculando a tensão (𝜎) de acordo com a equação 31,
sendo 𝐸 o módulo de elasticidade do material da chapa aonde estava colado o
extensômetro, calcula-se a força na mesma.
𝜎 = 𝐸 . 𝜀 (31)
𝜎 = 200000 . 0,00287378 𝜎 = 574,756 𝑀𝑃𝑎
𝐹 = 𝜎 . 𝐴𝑡 = 574,756 . 31.4,5 𝐹 = 80178,35𝑁
Para aprovação do teste, o sistema de fixação da poltrona e do cinto de 2
pontos devem resistir a carga aplicada. As ancoragens testadas suportaram a carga
solicitada pela norma com o acréscimo de 15% referente ao coeficiente de segurança
especificado pela Marcopolo para testes sem apresentar danos. Entretanto, vale
ressaltar que foram solicitados por pouco tempo e somente uma vez.
4.4 VERIFICAÇÃO DIMENSIONAL
Primeiramente foi realizado os cálculos considerando os componentes de
fixação da junta parafusada atual, com o valor de força de tração medido no suporte.
Com os parafusos que são utilizados nos dois sistemas, descritos
anteriormente podemos calcular a força de pré-carga(𝐹𝑖), em virtude do Torque de
46Nm que é solicitado na montagem dos dois sistemas de fixação. Utilizando K para
tratamento superficial zincado conforme tabela 2 e de acordo com a equação 11.
𝑇 = 𝐾𝐹𝑖𝑑 (11)
46 = 0,20 𝐹𝑖 0,01
61
𝐹𝑖 = 23000𝑁
Calculando a força da pré-carga é possível verificar qual porcentagem(𝑆𝑖) da
resistência mínima de prova(𝑆𝑝) dos parafusos está sendo utilizada como parâmetro
de montagem. Conforme equações 32 e 33.
𝐹𝑖 = 𝑆𝑖 𝐴𝑡 (32)
23000 = 𝑆𝑖 57,99
𝑆𝑖 = 396,62 𝑀𝑃𝑎
𝑆𝑖 = % 𝑆𝑝 (33)
396,62 = % 600
% = 0,661 𝑥 100 = 66,1
Este cálculo mostra que está sendo utilizado uma porcentagem baixa da
resistência mínima de prova nos dois sistemas de fixação, visto que o recomendado
por Norton(2013) para carregamento estático é de 90% e para carregamento dinâmico
75%. Para aumentar essa porcentagem poderia ser elevado o valor do torque na
montagem dos parafusos na poltrona.
Devido a presença da pré-carga e do torque é gerado nos parafusos dos dois
sistemas uma tensão torcional de cisalhamento que é calculada pela equação 10.
𝜏 =16𝑇
𝜋 (𝑑𝑟)3 (10)
𝜏 =16.23000
𝜋 (8,16)3= 215,58 𝑀𝑃𝑎
4.4.1 Junta parafusada sistema de fixação 1
Para calcular o fator de rigidez do parafuso(𝑘𝑏) do sistema 1 utiliza-se a
equação 12. O parafuso utilizado no sistema 1 não possui parte sem rosca (𝐿𝑠), foi
considerado como 𝐿𝑡 a parte do parafuso que está passando pelo pé da poltrona, pelo
assoalho de madeira, pelo perfil “C” da base, e pela arruela lisa, o que resulta em 20,5
mm.
1
𝑘𝑏=
𝐿𝑡
𝐴𝑡𝐸𝑏+
𝐿𝑠
𝐴𝑠𝑟𝐸𝑏 (12)
62
1
𝑘𝑏=
20,5
57,99 . 200000 𝐾𝑏 = 565756,09 𝑁/𝑚𝑚
Na sequência deve ser calculado o fator de rigidez dos membros da junta (𝑘𝑚)
através da equações 13, 14 e 15.
1
𝑘𝑚=
𝐿1
𝐴𝑚1𝐸𝑚+
𝐿2
𝐴𝑚2𝐸𝑚 (13)
𝐴𝑚 = 𝜋
4 [(
𝑑2+ 𝑑3
2)
2
− 𝑑2] (14)
𝑑3 = 1.5𝑑 + 𝑙𝑚 tan 30° 𝑑2 = 1,5𝑑 (15)
Para a junta do sistema de fixação 1, deve ser considerado a presença do pé
da poltrona (2,25mm), da madeira do assoalho (12mm), do perfil da base (4,25mm) e
também a arruela lisa (2mm). Então 𝑙𝑚, a espessura total da junta, é 20,5mm.
𝑑3 = 1,5 . 10 + 20,5. tan 30° 𝑑2 = 1,5 . 10
𝑑3 = 26,836 𝑚𝑚 𝑑2 = 15𝑚𝑚
𝐴𝑚 = 𝜋
4 [(
15+ 26,836
2)
2
− 102] 𝐴𝑚 = 265,121 𝑚𝑚²
1
𝑘𝑚=
𝐿1
𝐴𝑚1𝐸𝑚+
𝐿2
𝐴𝑚2𝐸𝑚2+
𝐿3
𝐴𝑚3𝐸𝑚3
1
𝑘𝑚=
4,25
265,121.200000+
12
265,121.15000+
2,25
265,121.200000+
2𝜋
4(28−12,7)2. 200000
𝑘𝑚 = 2479608,546 𝑁/𝑚𝑚
Com o fator de rigidez do parafuso e com o fator de rigidez dos membros da
junta calculado, calcula-se a constante de rigidez da junta(𝐶) de acordo com a
equação 18.
𝐶 =𝐾𝑏
𝐾𝑚+𝐾𝑏 (18)
𝐶 =565756,09
2479608,546+565756,09 𝐶 = 0,185
63
Sabendo-se a constante de rigidez(𝐶) da junta calcula-se a força que seria
necessária para separa a junta(𝑃𝑜), em função da pré-carga(𝐹𝑖), que é a mesma nos
dois sistemas, com a equação 23.
𝑃𝑜 = 𝐹𝑖
1−𝐶 (23)
𝑃𝑜 = 23000
1−0,185 𝑃𝑜 = 28220,86𝑁
O próximo cálculo é para encontrar a força total no parafuso (𝐹𝑏), utilizando o
valor de carga máxima(𝑃) medido experimentalmente, de acordo com a equação 21.
𝐹𝑏 = 𝐹𝑖 + 𝐶 . 𝑃 (21)
𝐹𝑏 = 23000 + 0,185. 80178,35 𝐹𝑏 = 37832,995𝑁
O cálculo seguinte é para encontrar a força total que é suportada pelos
membros da junta (𝐹𝑚), utilizando o valor de carga máximo medido no teste
experimental, de acordo com a equação 22.
𝐹𝑚 = 𝐹𝑖 − (1 − 𝐶). 𝑃 (22)
𝐹𝑚 = 23000 − (1 − 0,185). 80178,35 𝐹𝑚 = 42345,35𝑁
Calcula-se então o coeficiente de segurança a falha por separação de junta
(𝑁𝑠), utilizando a equação 24 com o valor de (𝑃𝑜) calculado anteriormente e com a
carga a ser suportada.
𝑁𝑠 = 𝑃𝑜
𝑃=
𝐹𝑖
𝑃(1−𝐶)
𝑁𝑠 = 28220,86
80178,35= 0,352
(24)
64
Tendo a força total que o parafuso suporta na junta parafusada(𝐹𝑏), calcula-se
então a tensão incidente sobre o mesmo parafuso(𝜎𝑡) de acordo com a equação 4, e
deve ser substituído o valor de 𝐹𝑒 pelo valor encontrado para 𝐹𝑏 nos cálculos
anteriores.
𝜎𝑡 = 𝐹𝑒
𝐴𝑡 (4)
𝜎𝑡 = 37832,995
57,99= 652,41 𝑀𝑃𝐴
Com a tensão incidente sobre o parafuso calcula-se o fator de segurança do
sistema de fixação em relação ao escoamento(𝐹𝑆), conforme equação 34.
𝐹𝑆 = 𝑆𝑦
𝜎𝑡 (34)
𝐹𝑆 = 660
652,41= 1,01
4.4.2 Junta parafusada sistema de fixação 2
Para calcular o fator de rigidez do parafuso(𝑘𝑏) do sistema 2 utiliza-se a
equação 12. No caso do parafuso do sistema 2, há parte sob tração sem rosca de(𝐿𝑠)
10mm, e a parte com rosca é 2,25mm da espessura da chapa do pé mais a parte que
passa pela arruela de 2mm, assim o 𝐿𝑡 é considerado 4,25 mm.
1
𝑘𝑏=
4,25
57,99 . 200000+
10
(𝜋
4.102)200000
𝐾𝑏 = 996948,57 𝑁/𝑚𝑚
Na sequência deve ser calculado o fator de rigidez dos membros da junta (𝑘𝑚)
através da equações 13, 14 e 15. Para a junta do sistema de fixação 2, deve ser
considerado o pé da poltrona (2,25mm), a parte do trilho aonde o parafuso fica apoiado
(7,3mm) e a arruela lisa (2mm). Então 𝑙𝑚 é 11,55mm.
𝑑3 = 1,5 . 10 + 11,55. tan 30° 𝑑2 = 1,5 . 10
65
𝑑3 = 21,67𝑚𝑚 𝑑2 = 15𝑚𝑚
𝐴𝑚 = 𝜋
4 [(
15+21,67
2)
2
− 102] 𝐴𝑚 = 185,489 𝑚𝑚²
1
𝑘𝑚=
𝐿1
𝐴𝑚1𝐸𝑚+
𝐿2
𝐴𝑚2𝐸𝑚2
1
𝑘𝑚=
2,25
185,489.200000+
7,3
185,489.200000+
2𝜋
4(28−12,7)2. 200000
𝑘𝑚 = 3206975,35 𝑁/𝑚𝑚
Com o fator de rigidez do parafuso e com o fator de rigidez dos membros da
junta calculados, calcula-se a constante de rigidez da junta (𝐶) de acordo com a
equação 18.
𝐶 =996948,57
3206975,35 +996948,57 𝐶 = 0, 237
Sabendo-se a constante de rigidez(𝐶) da junta calcula-se a força que seria
necessária para separa a junta(𝑃𝑜), em função da pré-carga(𝐹𝑖), que é a mesma nos
dois sistemas, com a equação 23.
𝑃𝑜 = 23000
1 − 0,237 𝑃𝑜 = 30144,17𝑁
O próximo cálculo é para encontrar a força total no parafuso (𝐹𝑏), utilizando o
valor de carga máxima(𝑃) medido experimentalmente, de acordo com a equação 21.
𝐹𝑏 = 23000 + 0,237. 80178,35 𝐹𝑏 = 42002,26𝑁
O cálculo seguinte é para encontrar a força total que é suportada pelos
membros da junta (𝐹𝑚), utilizando o valor de carga máximo medido no teste
experimental, de acordo com a equação 22.
𝐹𝑚 = 23000 − (1 − 0,237). 80178,35 𝐹𝑚 = 38176,08𝑁
66
Calcula-se então o coeficiente de segurança a falha por separação de junta
(𝑁𝑠), utilizando a equação 24 com o valor de (𝑃𝑜) calculado anteriormente e com a
carga a ser suportada.
𝑁𝑠 = 30144,17
80178,35= 0,376
Tendo a força total que o parafuso suporta na junta parafusada(𝐹𝑏), calcula-se
então a tensão incidente sobre o mesmo parafuso (𝜎𝑡) de acordo com a equação 4, e
deve ser substituído o valor de 𝐹𝑒 pelo valor encontrado para 𝐹𝑏 nos cálculos
anteriores.
𝜎𝑡 = 42002,26
57,99= 724,30 𝑀𝑃𝐴
Com a tensão incidente sobre o parafuso calcula-se o fator de segurança do
sistema de fixação em relação ao escoamento (𝐹𝑆), conforme equação 41.
𝐹𝑆 = 660
724,30= 0,911
4.4.3 Comparativo do Sistema 1 e 2
Cálculo Sist. 1 Sist. 2 Dif. %
Força para separar a junta (N) 28200,86 30144,17 6,89
Força suportada pelo parafuso (N) 37832,99 42002,26 11,02
Força suportada pelos membros da junta (N) 42345,35 38176,08 10,92
Coef. de segurança a falha por separação de junta 0,352 0,376 6,82
Tensão no parafuso (MPa) 652,41 724,3 11,02
Coef. de segurança a falha por escoamento 1,01 0,911 10,87
Tabela 5 – Resultados cálculos analíticos sistema 1 e 2
Fonte: O autor (2015)
67
Analisando os valores encontrados nos cálculos, mostrados na tabela 5, foi
constatado que o sistema de fixação 2 necessita sofrer uma força maior para separar
sua junta em relação ao sistema de fixação 1. Assim o coeficiente de segurança a
falha por separação de junta do sistema 2 é 6,82% maior, mas ambos estão com este
coeficiente abaixo de 1.
No sistema de fixação 1, os membros da junta suportam mais a força aplicada,
já no sistema 2, o parafuso é que suporta a maior parte da carga. O que resulta em
uma maior tensão no parafuso e assim o sistema 2 falharia antes por escoamento no
parafuso, já que o coeficiente de segurança ao escoamento do sistema 1 é 10,87%
maior.
Utilizando os dados específicos dos parafusos M10 classe 8.8 nos cálculos,
verificou-se no sistema de fixação 2 que ambos coeficientes ficam abaixo de 1. No
sistema de fixação 1 apenas o de escoamento fica acima de 1, o que significa que
mesmo assim falharia por falha na separação da junta.
Uma questão a ser discutida é que o torque denominado pela empresa para
montagem dos parafusos é de 67% da carga de prova, uma porcentagem abaixo do
recomendado, que é de 75% a 90%. O que acaba ocasionando pouca força de pré-
carga para segurar a junta parafusada.
4.5 JUNTA PARAFUSADA REDIMENSIONADA
Foram verificados e calculado de forma analítica algumas mudanças nas
características dos elementos de fixação das juntas parafusadas estudadas, afim de
propor uma melhoria em virtude de os dois sistemas de fixação apresentarem
coeficientes de segurança abaixo de 1.
A maneira mais usual e fácil para adequar as juntas parafusadas e que foi
desenvolvida é trabalhar em cima das características do parafuso, como diâmetro e
classe. Assim como aumentar o torque de montagem do parafuso.
Inicialmente foi verificado um diâmetro mínimo para o parafuso a ser usado em
virtude da tensão admissível e da carga máxima que ele sofre conforme a equação 4.
Tendo como base o valor de resistência mínima ao escoamento para um parafuso de
classe 9.8, maior do que é a atualmente utilizada.
68
𝜎𝑡 = 𝐹𝑒
𝐴𝑡 (4)
𝜎𝑡 = 𝐹𝑒
𝜋 𝑑𝑟²
4
𝑑𝑟 = √4.𝐹
𝜋.𝑆𝑦
𝑑𝑟 = √4.80178,35
𝜋.720 = 11,90𝑚𝑚
𝑑𝑟 = 𝑑 − 1,226869𝑝
11,90 = 𝑑 − 1,226869.1,5 𝑑 = 13,75𝑚𝑚
O diâmetro encontrado foi de 13,75 mm para suportar uma força máxima de
80178,35N de tração, normalizando para os tamanhos de parafusos disponíveis no
mercado, seria usado então parafusos M14 x 1,5 com os mesmos comprimentos dos
atuais.
Como o coeficiente de segurança a falha por separação de junta dos dois
sistemas de fixação estudados foi o que se mostrou mais longe do necessário para
atender a carga máxima que é submetido, as características de um novo parafuso
para as juntas foram dimensionadas para este coeficiente.
Assim é necessário recalcular todos os parâmetros das juntas de cada sistema
de fixação para o novo diâmetro de 14 mm. Será aumentado para 73% da carga de
prova o torque no parafuso do sistema 1 para melhorar o coeficiente de segurança
por separação da junta, e no sistema 2 para 70% pois se for muito aumentado fará o
parafuso escoar.
4.5.1 Junta parafusada redimensionada do sistema 1
Primeiramente calcula-se a força de pré-carga em virtude do uso de um
percentual maior da carga de prova.
𝑆𝑖 = 0,73.720 𝑆𝑖 = 525,6𝑀𝑃𝑎
𝐹𝑖 = 525,6 . 115,44 𝐹𝑖 = 60675,26𝑁
Em seguida há o cálculo do 𝐾𝑏 e 𝐾𝑚.
1
𝑘𝑏=
20,5
115,44 . 200000 𝐾𝑏 = 1126243,902𝑁/𝑚𝑚
69
𝑑3 = 32,83 𝑚𝑚 𝑑2 = 21𝑚𝑚
𝐴𝑚 = 490,42 𝑚𝑚²
1
𝑘𝑚=
4,25
490,42.200000+
12
490,42.15000+
2,25
490,42.200000+
2𝜋
4(28−16,7)2. 200000
𝑘𝑚 = 3468282,18 𝑁/𝑚𝑚
Cálculo da Constante de rigidez da junta (𝐶).
𝐶 =1126243,902
3468282,18+1126243,902 𝐶 = 0,245
Cálculo da força necessária para separar a junta parafusada (𝑃𝑜).
𝑃𝑜 = 60675,26
1−0,245 𝑃𝑜 = 80364,58𝑁
Verificando agora o coeficiente de segurança a falha pela separação da junta.
𝑁𝑠 = 80364,58
80178,35= 1,002
Como neste coeficiente de segurança o parafuso M14x1,5 agora está
atendendo, foi verificado se o parafuso não irá falhar devido ao escoamento pela
tração que sofre.
𝐹𝑏 = 60675,26 + 0,245. 80178,35 𝐹𝑏 = 80318,95𝑁
𝜎𝑡 = 80318,95
115,44= 695,76 𝑀𝑃𝐴
𝐹𝑆 = 720
695,76= 1,03
4.5.2 Junta parafusada redimensionada do sistema 2
Primeiramente calcula-se a força de pré-carga em virtude do uso de um
percentual maior da carga de prova, neste sistema 70%.
70
𝑆𝑖 = 0,70.720 𝑆𝑖 = 504𝑀𝑃𝑎
𝐹𝑖 = 504. 115,44 𝐹𝑖 = 58181,76𝑁
Em seguida há o cálculo do 𝐾𝑏 e 𝐾𝑚.
1
𝑘𝑏=
4,25
115,44 . 200000+
10
(𝜋
4.142)200000
𝐾𝑏 = 1965082,902𝑁/𝑚𝑚
𝑑3 = 27,67𝑚𝑚 𝑑2 = 21𝑚𝑚
𝐴𝑚 = 386,57 𝑚𝑚²
1
𝑘𝑚=
2,25
386,57.200000+
7,3
386,57.200000+
2𝜋
4(28−16,7)2. 200000
𝑘𝑚 = 4479572,405 𝑁/𝑚𝑚
Cálculo da Constante de rigidez da junta (𝐶).
𝐶 =1965082,902
4479572,405 +1965082,902 𝐶 = 0,305
Cálculo da força necessária para separar a junta parafusada (𝑃𝑜).
𝑃𝑜 = 58181,76
1−0,305 𝑃𝑜 = 83714,76𝑁
Verificando agora o coeficiente de segurança a falha pela separação da junta.
𝑁𝑠 = 83714,76
80178,35= 1,044
Como neste coeficiente de segurança o parafuso M14x1,5 agora está
atendendo, foi verificado se o parafuso não irá falhar devido ao escoamento pela
tração que sofre.
𝐹𝑏 = 58181,76 + 0,305. 80178,35 𝐹𝑏 = 82636,15𝑁
𝜎𝑡 = 82636,16
115,44= 715,83 𝑀𝑃𝐴
71
𝐹𝑆 = 720
715,83= 1,006
4.5.3 Comparativo do redimensionamento do Sistema 1 e 2
Com a configuração de parafuso com diâmetro de 14 mm, passo 1,5mm e
classe 9.8 os dois sistemas de fixação analiticamente podem suportar a carga máxima
de 80178,35N de tração.
Afim de se chegar aos coeficientes de segurança que satisfaçam a condição
mínima, de ser maior que 1, o que comprova analiticamente que os parafusos não
falharão, foi proposta a utilização de um novo modelo de parafuso. Optou-se por
mudar a classe do parafuso e aumentar o diâmetro, assim o escolhido foi o M14X1,5
classe 9.8. E também aumentar a pré-carga para 73% da carga de prova no sistema
1 e 70% no sistema 2. Foi percebido que aumentando muito o torque, há mais chances
de os parafusos escoarem, pois recebem uma força maior.
Refazendo os cálculos com o novo modelo de parafuso selecionado obteve-se
coeficientes de segurança maiores que 1 para ambos sistemas de fixação. Garantindo
que as juntas parafusadas resistiriam a uma força de tração de 80178N. Nesta
configuração as resistências dos dois sistemas de fixação ficaram ainda mais
próximas, pois os coeficientes de segurança não apresentaram diferença maior que
5%.
Cálculo Sist. 1 Sist. 2 Dif. %
Força para separar a junta (N) 80364,58 83714,76 4,17
Força suportada pelo parafuso (N) 80318,95 82636,15 2,88
Coef. de segurança a falha por separação de junta 1,002 1,044 4,19
Tensão no parafuso (MPa) 695 715,83 3,00
Coef. de segurança a falha por escoamento 1,03 1,006 2,39
Tabela 6 – Resultados cálculos analíticos redimensionamento sistema 1 e 2
Fonte: O autor (2015)
72
5 CONCLUSÃO
Ao final da elaboração do presente trabalho, verificou-se que os objetivos
inicialmente estabelecidos foram alcançados de forma limitada, ou seja, algumas
observações devem ser registradas.
Com o estudo sobre juntas aparafusadas e com o detalhamento de cada
sistema de fixação utilizado, pôde-se conhecer as características de cada um, e
quantifica-los através do ensaio realizado em laboratório e dos cálculos feitos. E desta
forma foi possível compará-los e entende-los melhor.
Com base na Norma CONTRAN 445/13, foi realizado o ensaio no laboratório
da empresa, e verificado os esforços sofridos pela junta aparafusada. A força
encontrada de 80178N foi considerada elevada de mais, comprometendo os cálculos
e o resultado final da análise. Entendeu-se que, além da força de tração esperada, o
ensaio conteve também esforços de flexão. Constatou-se desta forma, que deveria
ser reavaliado a metodologia de ensaio, visando torná-lo mais confiável.
Dentre as principais observações para melhorar a metodologia, pode-se citar a
fixação do extensômetro diretamente no parafuso, evitando-se utilizar uma placa
metálica intermediária, que possivelmente influenciou no resultado do teste. Este novo
teste não foi realizado, em virtude da indisponibilidade do laboratório experimental da
empresa que estava com demanda elevada de testes em sua programação.
Para os cálculos, utilizou-se a força de tração encontrada no ensaio realizado,
mesmo sendo um valor elevado, poderíamos comparar os dois sistemas quanto ao
esforço sofrido. Nesta comparação, chegou-se a um redimensionamento dos
parafusos utilizados. Para aumentar a resistência mecânica da junta aparafusada,
precisaríamos utilizar parafusos M14 classe 9.8. Pelo fato das fixações terem resistido
ao ensaio, onde se utiliza força 15% a maior que a norma, e também não ter
apresentado rompimento em sua aplicação prática, considerou-se que o
dimensionamento atual dos parafusos é seguro para ambos os sistemas.
No momento onde comparou-se, o tempo e a precisão dos processos de
montagem dos dois sistemas, pode-se constatar que o sistema dois é o melhor e mais
indicado para uma padronização, pois é feito em menor tempo, com menos pessoas,
garante a possibilidade de fixação da porca e permite ajuste posterior da poltrona.
É possível afirmar que, o objetivo geral foi parcialmente atingido, visto que o
resultado do ensaio de laboratório comprometeu os cálculos de esforços sofridos e a
73
avaliação do dimensionamento atual. Também pode-se afirmar que, os demais
objetivos foram alcançados e finalmente permitiu entender a diferença entre os dois
sistemas de fixação, assim como propor a melhor solução.
74
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Desenvolvimento de um método experimental para verificação das forças de
flexão e cisalhamento nas juntas parafusadas e posterior dimensionamento
analítico.
Levantamento dos custos de cada sistema de fixação para comparação.
Análise das juntas parafusadas das poltronas em carregamento dinâmico.
Realizar ensaio experimental com célula de carga para comprovação das
forças de tração na junta parafusada da poltrona.
75
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABRÃO, A.; PERTENCE, A.; DE LIMA, R. Desenvolvimento de um sistema mecanizado contínuo de uniões parafusadas. In: 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO, 2011, Caxias do Sul. Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas. ANDOLFATO, R. B.; CAMACHO, J. S.; BRITO, G. A. Extensometria Básica. Universidade Estadual Paulista – UNESP. Ilha Solteira – SP, p. 45. 2004.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Veículos rodoviários automotores – Ancoragens de cintos de segurança – Localização e resistência a tração: NBR 6091:2009. Rio de Janeiro, 2009. BARBOSA, J. P. Elementos de Máquinas. São Mateus: IFES, 2011. BARRETO JÚNIOR, E. Extensometria. Universidade Estadual Paulista - UNESP. Ilha Solteira - SP, p. 79. 2009. BEHROUZI, F.; WONG, K. Lean performance evaluation of manufacturing systems: a dynamic and innovati approach. Procedia Computer Science, v. 3, n. 1, p.388-395, out. 2011. CONSELHO NACIONAL DE TRÂNSITO. Requisitos de segurança para veículos de transporte público coletivo de passageiros e transporte de passageiros tipos micro-ônibus e ônibus, categoria M3 de fabricação nacional e importado. Resoluções do Conselho Nacional de Trânsito, Resolução 445/13, 2013. CUNHA, L. B. Elementos de Máquinas. Rio de Janeiro: Ltc, 2005. FERRARI JÚNIOR, A. Prática em processos de aperto de juntas aparafusadas. Revista do Parafuso, São Bernado do Campo, v. 29, 28 set. 2011. FRISCHMANN, A.; BITTENCOURT, H. Procedimento para avaliação de ferramentas pneumáticas de parafusamento baseado na norma ISO 5393. P&D em Engenharia de Produção, Itajubá, v. 11, n. 1, p. 12-28, 2013. GALLINA, R. Os Extensômetros Elétricos Resistivos: Evolução, Aplicações e Tendência. Universidade São Judas Tadeu. São Paulo, p. 84. 2003. GARCIA, R. A que se propõem os Elementos de Fixação? Revista do Parafuso, São Bernado do Campo, v. 41, 19 set. 2013. GHANBARI, E.; SAYMAN O.; OZEN M.; ARMAN Y.. Failure Load of Composite Single-Lap Bolting Joint Under Traction Force and Bending Moment. Australian Journal Of Basic And Applied Sciences, Izmir, Turquia, v. 9, n. 6, p.683-692, set. 2012.
76
GRANTE. Apostila de extensometria. Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 48p. 2004. GRIZA, S. Efeito do torque na vida em fadiga de uniões parafusadas. 2000. 94 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia de Minas, Metalurgia e Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2000. JUVINALL, R.C.; MARSHEK, K.M.. Fundamentals of Machine Component Design. 2. ed. United States Of America: Wiley, 1991. MUNIZ, J. M. Fenômenos Tribológicos intrínsecos ao travamento de juntas de engenharia aparafusadas. 67f. Dissertação (Mestrado) – Curso de Engenharia Automotiva, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007. NASCIMENTO, H. J. Estudo da relação Torque x Força tensora e do coeficiente de atrito em parafusos revestidos isentos de cromo hexavalente. 2003. 212f. Dissetação (Mestrado) – Curso de Engenharia Automotiva, Pontifica Universidade Católica de Minas Gerais, 2003 NORTON, R.L. Projeto de Máquinas: uma abordagem integrada. Porto Alegre: Bookman, 2013. NTU. Mobilidade urbana: dados do transporte público por ônibus. Disponível em: <https://www.ntu.org.br/novo/AreasInternas.aspx?idArea=7&idSegundoNivel=107>. Acesso em: 30 mar. 2015. SHIGLEY, J.E.; MISCHKE, C.R.; BUDYNAS, R.G. Projeto de Engenharia Mecânica. Porto Alegre: Bookman, 2005. SHINGO, S. O sistema Toyota de produção do ponto de vista da engenharia de produção. Porto Alegre: Bookman, 1996. STEFFENS, C. A. O funcionamento e uso de alguns sensores, usando a placa de som de um pc. Mestrado profissionalizante – Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2006 VOLARE. A Volare. Disponível em: <http://www.volare.com.br/a-volare>. Acesso em: 30 mar. 2015. WEBER, A. L. Extensometria. UCS - Universidade de Caxias do Sul. Caxias do Sul, p. 16. 2009.
77
ANEXO A
Diâmetros e áreas de roscas de parafusos unificados (UNS)
Diâmetros e áreas de parafusos métricos (ISO)
Fonte: Norton (2004).
Fonte: Norton (2004)
78
ANEXO B
Especificações da SAE para parafusos de aço (de porca)
Fonte: Norton (2004)
Especificações da ASTM para parafusos de aço (de porca)
Fonte: Shigley (2005)
79
Categorias métricas de propriedades mecânicas para parafusos de aço (de porca)
Fonte: Norton (2004)
80
ANEXO C
Composição química e propriedades mecânicas do aço LNE 38
Fonte: Catálogo aços Benafer (2015)
81
Composição química e propriedades mecânicas do aço ZAR 230
Fonte: Catálogo aços Lacorte (2015)