Elementos de fixação desmontáveis

Parafusos

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

2

As uniões desmontáveis são aquelas em que quando é feita a desmontagem,as partes unidas e os elementos de união não sofrem nenhum dano, e essaspartes assim como os elementos de fixação podem ser reaproveitados paranova montagem.

Podemos definir as uniões em dois tipos:

• as desmontáveis

• as não desmontáveis.

Exemplos de elementos para uniões desmontáveis:

• Parafusos/ porcas/ arruelas

• Grampos

• Pinos

• Chavetas

• Estrias

Elementos para uniões não desmontáveis:

• Soldagem

• Rebite

• Prensagens elevadas

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

3

Os parafusos são utilizados tanto para fixação de peças como para

mover cargas, os chamados parafusos de potência ou de avanço

Aqui, iremos nos ater aos parafusos defixação. Estes parafusos são normalmentesubmetidos a cargas de TRAÇÃO, deCISALHAMENTO ou ambas, podendo estascargas serem ESTÁTICAS ou de FADIGA.

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

4

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

5

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

6

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

7

Os três tipos

principais de

roscas de

fixação são:

Métrica

Withworth

Americana unificada

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

8

Os três tipos

principais de

roscas de

fixação são:

Métrica

Withworth

Americana unificada

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

9

Parafuso sem porca ou não passante

•Nos casos onde não há espaço para acomodar uma porca, esta podeser substituída por um furo com rosca em uma das peças. A uniãodá-se através da passagem do parafuso por um furo passante naprimeira peça e rosqueamento no furo com rosca da segunda peça.

Parafuso com porca

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

Parafuso prisioneiro

• O parafuso prisioneiro é empregado quando se necessitamontar e desmontar parafuso sem porca a intervalosfrequentes. Consiste numa barra de seção circular com roscasnas duas extremidades. Essas roscas podem ter sentido oposto

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

10

•O parafuso Allen é fabricado com aço de altaresistência à tração e submetido a um tratamentotérmico após a conformação. Possui um furohexagonal de aperto na cabeça, que é geralmentecilíndrica e recartilhada.

Parafuso Allen

• O parafuso auto-atarraxante tem rosca de passo largo emum corpo cônico e é fabricado em aço temperado. Pode terponta ou não e, às vezes, possui entalhes longitudinais coma função de cortar a rosca à maneira de um macho. Ascabeças têm formato redondo ou chanfradas e apresentamfendas simples ou em cruz (tipo Phillips).

Parafuso auto-atarraxante

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

11

Parafuso para pequenas montagens

• Parafusos para pequenas montagensapresentam vários tipos de roscas ecabeças e são utilizados para metal,madeira e plásticos.

Parafusos para madeiraP

rofe

ss

or

No

rim

ar

de

Me

lo V

ert

icc

hio

12

Porca castelo

• A porca castelo é uma porca hexagonalcom seis entalhes radiais, coincidentesdois a dois, que se alinham com umfuro no parafuso, de modo que umacupilha possa ser passada para travar aporca.

Porca cega (ou remate)

• Nesse tipo de porca, uma dasextremidades do furo rosqueado éencoberta, ocultando a ponta doparafuso. A porca cega pode ser feitade aço ou latão, é geralmente cromadae possibilita um acabamento de boaaparência.

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

13

Porca borboleta

• A porca borboleta tem saliências parecidascom asas para proporcionar o apertomanual. Geralmente fabricada em aço oulatão, esse tipo de porca é empregadoquando a montagem e a desmontagem daspeças são necessárias e frequentes.

Contraporcas

• As porcas sujeitas a cargas de impacto evibração apresentam tendência a afrouxar, oque pode causar danos às máquinas. Umdos meios de travar uma porca é através doaperto de outra porca contra a primeira. Pormedida de economia utiliza-se uma porcamais fina, e para sua travação sãonecessárias duas chaves de boca

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

14

São peças cilíndricas, de pouca espessura, com um furo no centro, pelo qual passa ocorpo do parafuso.

As arruelas servem basicamente para:

Proteger a superfície das peças;

Evitar deformações nas superfícies de contato;

Evitar que a porca afrouxe;

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

Evitar desgaste da cabeça do parafuso ou da porca.

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

15

Arruela lisa

•A arruela lisa (ou plana)geralmente é feita de aço e éusada sob uma porca paraevitar danos à superfície edistribuir a força do aperto.

Arruela de pressão

•A arruela de pressão consisteem uma ou mais espiras demola helicoidal, feita de açode mola de seção retangular.Quando a porca é apertada,a arruela se comprime,gerando uma grande forçade atrito entre a porca e asuperfície.

Arruela estrelada

•A arruela estrelada (ouarruela de pressãoserrilhada) é de dentes deaço de molas e consiste emum disco anular provido dedentes ao longo do diâmetrointerno ou diâmetro externo.

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

16

Rigidez de fixadores (kb)

Para determinar as tensões envolvidas é necessário obter o coeficiente de rigidez

do parafuso e dos membros:

dtb kkk

111+=

A rigidez do parafuso de porca é equivalente a duas molas em série (parte rosqueada e não rosqueada):

Parte rosqueada Parte não rosqueada

t

tt

l

EAk =

d

dd

l

EAk =

dttd

tdb

lAlA

EAAk

+=

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

17

l’ = L’G

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

18

Rigidez de fixadores (kb)

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

19

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

20

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

21

Rigidez dos membros (km)

Cada membro atua como uma mola compressiva em série, logo: ...1111

321

+++=kkkkm

Através do método do cone de pressão de Rotscher, utilizado por Ito( Interfaxe PressureDistribuition in a Bolt-Flange Assembly), temos que:

Razão de mola de cada elemento:

Para um ângulo de 30º e dw = 1,5d, tem-se que:

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

22

Rigidez dos membros (km)

( )lBd

m eAdEk ⋅⋅⋅=

Para arruelas padronizadas e membros do mesmo material:

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

23

Resistência de parafuso de porca

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

24

Resistência de parafuso de porca

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

25

Resistência de parafuso de porca

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

26

Parafusos em Tração

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

• Evitar que a união se separe por aplicação de uma força normal exterior, P.

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

O objetivo da pré-tensão é:

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

27

Parafusos em Tração

A carga P é tração e faz a conexão estirar por uma distância δ

b

b

k

P=δ

m

m

k

P=δ

parafuso pelo absorvida P carga da Parte =bP

membros pelos absorvida P carga da Parte =mP

m

m

b

b

k

P

k

P=

e

Como mb PPP += , temos que PCkk

PkP

mb

bb ⋅=

+= e ( )PCPPP bm −=−= 1

Constante de rigidez da junção

mb

b

kk

kC

+=

Carga no parafuso: iibb FPCFPF +⋅=+=

Carga nos membros conectados: ( ) iimm FPCFPF −−=−= 1

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

28

Determinação do torque de parafuso de porca

A aplicação da pré-carga elevada é muito desejável nas conexões parafusadas

com porcas.

dKFT i= K = coeficiente de torque

Outros casos: K = 0,2

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

29

Exercício

Um parafuso ¾ in-16 x 2 ½ de porca de grau 5 é submetido a uma carga P de 6 kip em uma

junção de tração. A tração inicial do parafuso de porca é Fi = 25 kip. As rigidezes do parafuso

de porca e da junção são kb = 6,50 e km = 13,8, respectivamente.

(a) Determine as tensões da pré-carga e da carga de serviço no parafuso de porca. Compare

essas com as resistências mínimas SAE de prova do parafuso de porca.

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

30

Exercício

Um parafuso ¾”- 16 x 2 ½” de porca de grau 5 é submetido a uma carga P de 6 kip em uma

junção de tração. A tração inicial do parafuso de porca é Fi = 25 kip. As rigidezes do parafuso

de porca e da junção são kb = 6,50 e km = 13,8, respectivamente.

(b) Especifique o torque necessário para desenvolver a pré-carga,

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

31

Junção de Tração Carregada Estaticamente com Pré-Carga

Tensão de tração no parafuso

t

i

t

bA

F

A

CP+=σ

O valor limitante de σb é a resistência à prova Sp . Assim, com a introdução de um fator de carga n.

t

i

t

p

A

F

A

CP

n

S+≥

CP

FASn

itp −=

Fator de carga:

Outra maneira assegurar uma junção segura é requerer que a carga externa seja menor que aquela necessária para

fazer a junção se separar.

Considere P0 o valor da carga externa que

causaria a separação

0)1( 0 =−− iFPC

PnP 00 =

Fator de segurança (n0), logo

( )PC

Fn i

−=

10

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

32

Determinação da pré-carga (Fi)

= spermanente conexões para90,0

spermanente-não conexões para75,0

p

p

iF

FF

A tensão de pré-carga é o "músculo" da junção, e sua magnitude é determinada

pela resistência do parafuso. Se a resistência total deste não for usada aodesenvolver a pré-tração, a junção será mais fraca, o que será um desperdício,inclusive de dinheiro.

em que Fp é a carga de prova, obtida da equação:

ptp SAF =

Aqui, Sp é a resistência à prova obtida em tabelas. Para outros materiais,

um valor aproximado é:

yp SS 85,0=

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

33

Exercício

A Figura 8-19 é uma secção transversal de um

vaso de pressão de ferro fundido de grau 25. Um

total de N parafusos de porca é usado para resistir

a uma força de separação de 36 kip.

(a) Determine kb, km e C.

1º Determinar o tamanho do parafuso:

O agarramento é LG= 1,50 in. A partir da Tabela A-31, a espessura da porca é de

35/64”. Adicionar duas roscas além da porca de 2/11” produz um comprimento de parafuso de

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

34

A partir da Tabela A-17, o parafuso seguinte de tamanho fracionário é L = 2 ¼” = 2,25”.

Determinação do tamanho da rosca:

Logo, o comprimento da porção não-rosqueada (ld) no agarramento é

O comprimento rosqueado no agarramento é

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

35

A partir da Tabela 8-2:

A área do diâmetro maior:

( )2

2

3068,0

4/625,0

inA

A

d

d

=

= π

A rigidez do parafuso de porca é, então:

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

36

A partir da Tabela A-24, para ferro fundido n°25, usaremos E = 14 Mpsi. A rigidez

dos membros, a partir da Equação (8-22), é

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

37

Se você estiver utilizando a Equação (8-23), a partir da Tabela 8-8, A = 0,77871 e

B = 0,61616, de modo que

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

38

A partir do primeiro cálculo para km, a constante de rigidez C é

(b) Encontre o número de parafusos requerido para um fator de carga de 2 em que os

parafusos podem ser reutilizados quando a junção é desmontada.

A partir da Tabela 8-9, Sp = 85 kpsi. Assim, utilizando as Equações (8-30) e (8-31),

descobrimos que a pré-carga recomendada é:

= spermanente conexões para90,0

permanente-não conexões para75,0

p

p

i F

FF

ptp SAF =

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

39

Para N parafusos, a Equação (8-28) pode ser escrita como:

→−

=CP

FASn

itp logo ,

−=

N

PC

FASn

itp

itp FAS

CPnN

−=

Utiliza-se então 6 parafusos para garantir o fator de carga

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

40

8.12 - Uma junção parafusada com porca deve ter um agarramento consistindo em

duas placas de aço de 14 mm e uma arruela plana métrica de 14R para caber soba cabeça do parafuso de porca de cabeça hexagonal M14 x 2, com comprimento de50 mm.

(a) Qual é o comprimento de rosca LT para esse parafuso de porca de série depasso grosseiro diâmetro métrico?

(b) Qual é o comprimento do agarramento LG?(c) Qual é a altura H da porca?(d) O parafuso de porca é longo o suficiente? Se não o for, arredonde-o para opróximo maior comprimento preferível (Tabela A-17).

(e) Qual é o comprimento da haste e das porções rosqueadas do parafuso de porcadentro do agarramento? Esses comprimentos são necessários a fim de estimar arazão de mola kb do parafuso de porca.

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

41

(a)

L = 50mm e d = 14mm

(b)A espessura mínima da

arruela é 3,5mm, cada chapatem 14mm, logo:

Tabela A.33

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

42

(c) (d)Tabela A.31

mmL

L

pHLL G

3,48

)2(28,125,31

2

=

++=

++=(e)

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

43

8.20 - A figura ilustra a conexão de uma cabeça de cilindro a um vaso de pressão

usando 10 parafusos de porca e uma vedação (lacre) de gaxeta confinada. Odiâmetro efetivo de vedação é de 150 mm. Outras dimensões são as seguintes:A = 100, B = 200, C = 300, D = 20 e E = 20, todas em milímetros. O cilindro é

usado para armazenar gás a uma pressão estática de 6 MPa. Parafusos de porcada classe ISO 8.8, com um diâmetro de 12 mm, foram selecionados. Isso permiteum espaçamento aceitável dos parafusos. Que fator de carga n resulta dessa

seleção?

CP

FASn

itp −=

1º - Determinação da carga externa:

kNAP 1064

)10150()106(

236 =

××××=⋅=

−πσ

2º - Determinação da carga externa para cada parafuso:

kNN

PP t 6,10==

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

44

3º - Determinação da pré-carga:

= spermanente conexões para90,0

spermanente-não conexões para75,0

p

p

i F

FF

ptp SAF =

( )( )kNF

F

i

i

9,37

10600103,8475,0 66

=

××⋅= −

Tabela 8.11 – pág. 446

Tabela 8.1 – pág. 424

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

45

3º - Determinação da rigidez:

mb

b

kk

kC

+=

dttd

tdb

lAlA

EAAk

+=

( )lBd

m eAdEk ⋅⋅⋅=

Através do desenho e da tabela A.31:

Tabela A.31

mmLG 40=

Comprimento da rosca

Comprimento de agarre:

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

46

mmL

L

pHLL G

3,54

)75,1(28,1040

2

=

++=

++=

Comprimento do parafuso

Comprimento da parte sem rosca:

Comprimento da rosca solicitada:

Tabela 8.1 – pág. 424

mmlt 103040 =−=

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

47

Área da parte não rosqueada:

Área de tração:dttd

tdb

lAlA

EAAk

+=

( )lBd

m eAdEk ⋅⋅⋅=

Aço:

Ferro fundido:

( )( )( ) ( )

MN/m 91,538303,8410113

2073,84113=

+=bk

Pro

fes

so

r N

ori

ma

r d

e M

elo

Ve

rtic

ch

io

48

⇒+=⇒2248

1

4722

11

mkMN/m 91,538=bk

Constante de rigidez da junção:

Logo:

2613,0152391,538

91,538=

+=C

( )( )

57,4106,102613,0

109,37103,84106003

366

=×

×−××=

−=

−

CP

FASn

itp

Fazer os exercícios: 8-11, 8-29 e 8-30

Pro

fesso

r N

orim

ar

de

Me

lo V

ert

icch

io

49