Fixadores roscados: Causas e precauções para ligações soltas

Os elementos de fixação roscados são fáceis de montar e desmontar e podem ser utilizados repetidamente. No entanto, uma desvantagem é o facto de poderem soltar-se em determinadas condições de trabalho, nomeadamente quando sujeitos a vibrações, impactos, cargas variáveis e diferenças de temperatura excessivas. Isto pode provocar a queda das porcas, inutilizando o equipamento ou provocando mesmo avarias graves.

Por conseguinte, é crucial identificar as razões para as ligações frouxas dos parafusos roscados e implementar medidas preventivas eficazes aquando da sua conceção e seleção.

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1. Razões para a ligação frouxa de parafusos roscados

1.1 Folga causada pelo aperto inicial

Depois de apertar os parafusos roscados, a irregularidade e a micro-rugosidade de cada superfície de contacto, incluindo o perfil da rosca, a superfície de apoio e a superfície de contacto das peças ligadas, serão ainda mais reduzidas durante o processo de trabalho.

Esta redução ocorre quando a ligação é sujeita a condições como a vibração, e a superfície de contacto pode mesmo ficar parcialmente deprimida, causando uma alteração no estado de fixação da ligação roscada. Como resultado, a força de pré-aperto é perdida e a ligação roscada fica solta, um fenómeno conhecido como afrouxamento inicial.

Para resolver este problema, recomenda-se o reaperto dos parafusos roscados após um curto período de trabalho para repor a força de pré-aperto perdida devido ao afrouxamento inicial.

1.2 Folga causada pelo colapso da superfície de apoio

Quando os parafusos roscados são ligados, se a pressão de contacto da superfície de apoio do parafuso ou da porca for demasiado elevada, a superfície da peça ligada sofrerá uma deformação plástica sob a forma de uma depressão anular no ponto em que entra em contacto com a superfície de apoio do parafuso ou da porca.

Se ocorrer uma compressão severa ou uma deformação plástica contínua durante o processo de trabalho, pode reduzir ou mesmo eliminar a força de pré-aperto dos fixadores, levando a ligações soltas. Este tipo de afrouxamento é conhecido como afrouxamento por indentação e é uma forma inevitável de deformação.

Para evitar o colapso e o afrouxamento, é importante aumentar a área de contacto no parafuso ou na porca, criando uma flange, ou utilizar uma anilha endurecida com maior resistência e uma maior área de contacto sob a superfície do rolamento.

1.3 Auto-afrouxamento da ligação roscada

A experiência mostra que a causa mais comum de falha em ligações roscadas sujeitas a cargas dinâmicas é o auto-afrouxamento, tornando-o o tipo de falha mais frequente.

O mecanismo de auto-afrouxamento é o seguinte: numa ligação roscada, o atrito é gerado nas superfícies de contacto das roscas internas e externas, bem como nas superfícies de apoio dos fixadores roscados e das peças ligadas.

Quando a ligação roscada começa a soltar-se, o binário necessário para vencer o atrito na superfície de contacto da rosca é designado por M1:

Onde: Q é a força de pré-aperto que actua sobre a cavilha ou parafuso, também conhecida como força axial ou fixação força; d₂ é o diâmetro do passo da rosca; ρ é o ângulo de atrito.

Para fios triangulares,

μ1 representa o coeficiente de atrito entre as superfícies de contacto das roscas. β indica o meio ângulo da forma do dente, enquanto α indica o ângulo de subida da hélice da rosca. É importante notar que o ângulo de subida das hélices pode variar consoante o diâmetro e baseia-se normalmente no ângulo de subida das hélices de diâmetro de passo.

Quando o fixador roscado é apertado, o binário adicional resultante M2 produzido pela fricção na superfície de apoio da porca ou da cabeça do parafuso pode ser calculado da seguinte forma:

Em que μ2 representa o coeficiente de atrito entre a superfície de apoio da cabeça da porca ou do parafuso e a superfície de contacto da peça ligada, e D₂ é o diâmetro médio da superfície de apoio (superfície de contacto) da porca ou da cabeça do parafuso.

Quando a ligação roscada começa a soltar-se, o binário total necessário para vencer o atrito pode ser calculado da seguinte forma:

De acordo com a fórmula 3, um fixador roscado só se soltará automaticamente quando o binário total M for igual ou inferior a zero.

No caso de uma ligação roscada sujeita a uma carga estática, o ângulo de atrito p é sempre superior ao ângulo de elevação a, satisfazendo a condição de auto-bloqueio. Por conseguinte, o valor total entre parênteses na Fórmula 3 não será igual ou inferior a zero, e o fixador roscado não se soltará automaticamente.

No entanto, sob cargas dinâmicas, tais como vibração e impacto, a pressão normal na superfície de suporte da rosca pode ser instantaneamente reduzida ou mesmo igual a zero. Quando a restrição de fricção se perde, a porca pode deslizar para baixo ao longo da inclinação devido à vibração, fazendo com que a porca se solte gradualmente.

Isto é semelhante a um objeto pesado num plano inclinado, que não deslizará para baixo quando não estiver a vibrar. Mas quando vibra, pode deslizar para baixo quando o atrito diminui ou desaparece.

Este afrouxamento é designado por auto-afrouxamento das ligações roscadas. Após dezenas de milhares de ciclos de vibração, a resistência à fricção anti-afrouxamento da ligação roscada pode esgotar-se, levando a um afrouxamento ligeiro ou total.

2. Métodos de bloqueio comuns

2.1 Destruir a relação entre pares de movimentos de rosca

Uma forma fiável de evitar o afrouxamento é converter uma ligação roscada destacável numa não destacável, utilizando soldadura, colagem ou rebitagem por punção (ver Fig. 1). Isto elimina as características de movimento do par roscado.

No entanto, a desvantagem deste método é que torna os parafusos roscados inutilizáveis e o processo pode ser trabalhoso.

Esta técnica é frequentemente utilizada em cenários em que a desmontagem não é necessária, mas é fundamental para evitar folgas.

2.2 Bloqueio com fixadores mecânicos

Uma forma de evitar o afrouxamento é utilizar fixadores mecânicos para fixar e bloquear peças roscadas a peças ligadas, ou peças roscadas a outras peças roscadas. A eficácia deste método depende da resistência das fixações mecânicas.

No entanto, esta abordagem tem os seus inconvenientes. O peso da ligação de fixação aumenta e o processo de fabrico e instalação pode ser complicado. Além disso, a instalação mecânica pode nem sempre ser viável.

Consulte a Fig. 2 para ver os métodos comuns de bloqueio mecânico de fixadores.

2.3 Aumentar o atrito

O objetivo de evitar o afrouxamento é alcançado aumentando o atrito entre as roscas ou entre as superfícies de apoio dos parafusos e das porcas, ou ambos.

A maior vantagem deste método é o facto de não estar limitado pela utilização do espaço e poder ser montado e desmontado repetidamente muitas vezes, podendo também ser montado mecanicamente.

Por conseguinte, este método é o mais utilizado.

2.3.1 Porca dupla

Para evitar que se soltem, aperte duas porcas e parafusos da mesma altura, como mostra a Figura 3.

O método de montagem consiste em apertar primeiro a porca interior até 80% do binário de montagem e, em seguida, apertar a porca exterior até 100% do binário.

Esta técnica assegura um ajuste apertado entre a porca e a rosca do parafuso, aumentando significativamente a resistência ao atrito anti-afrouxamento.

O modelo de utilidade é caracterizado pela sua estrutura simples, montagem conveniente e excelente efeito anti-afrouxamento.

No entanto, a desvantagem é que o peso aumenta devido à presença de duas porcas e é necessário um espaço de instalação mais significativo.

2.3.2 Porca de bloqueio da face dentada e parafuso de bloqueio

As extremidades inferiores das cabeças das porcas e dos parafusos são serrilhadas ou recortadas. Isto é feito para inserir "serrilhas" na superfície das peças ligadas quando é aplicada uma força de pré-aperto (ver Fig. 4), o que aumenta a resistência à fricção entre contactos e tem um bom efeito anti-afrouxamento.

A premissa deste método é aplicar uma força de pré-aperto suficiente aos parafusos, uma vez que, sem uma grande força de pré-aperto, não haverá resistência à fricção anti-afrouxamento entre as faces das extremidades. No entanto, este método não pode ser utilizado com anilhas e requer atenção à correspondência razoável da dureza. Geralmente, a dureza das peças fixadas deve ser inferior à dos parafusos.

A desvantagem deste método é que o dente de serra sob a face final pode facilmente danificar a superfície da peça ligada.

2.3.3 Anilhas elásticas

Diversos tipos de anilhas são utilizadas em ligações roscadas, tais como anilhas de mola, anilhas elásticas em forma de sela ou de onda, anilhas de bloqueio em forma de dente, entre outras (ver Fig. 5).

O modelo de utilidade baseia-se na tensão da mola da anilha ou na resistência à fricção gerada pelo empeno do dente para proporcionar a função de bloqueio da ligação roscada.

Este modelo apresenta uma estrutura simples, baixo custo e fácil utilização. No entanto, tem um fraco efeito anti-afrouxamento e não é adequado para peças sujeitas a impactos e vibrações fortes.

2.3.4 Porcas e parafusos de bloqueio de binário efetivo

O termo "binário efetivo" refere-se à quantidade de binário que uma porca tem de aplicar antes de poder ser apertada e rodar sobre o parafuso. Ao contrário dos parafusos de rosca geral, que podem rodar livremente durante o repouso antes de serem apertados, as contraporcas de binário efetivo requerem um binário considerável para rodar sobre a cabeça.

Existem dois tipos de porcas de bloqueio de binário efetivo: as porcas de bloqueio totalmente metálicas e as porcas de bloqueio de binário efetivo. não metálico inserir porcas de segurança.

(1) Porca de bloqueio metálica de tipo binário efetivo

Este tipo de porca é criado através de um estrangulamento da extremidade superior da porca com uma forma não circular ou através de ranhurar a extremidade superior da porca para diminuir localmente o diâmetro do encaixe e criar deformação. Estas alterações aumentam a resistência à fricção entre as roscas correspondentes, resultando num bloqueio firme entre o parafuso e a porca (ver Fig. 6). Este tipo de porca proporciona um bom efeito de bloqueio.

(2) Tipo de binário efetivo não metálico porca de bloqueio de inserção

O tipo de porca referido como porca de bloqueio de anel de nylon é incorporado com um anel de nylon na sua extremidade superior (consulte a Fig. 7).

Quando o parafuso é aparafusado, a rosca interna faz com que o anel de nylon se comprima.

O material de nylon, com a sua elevada elasticidade e dureza, proporciona uma resistência de fricção substancial e estável contra o parafuso e tem excelentes capacidades de absorção de choques e de amortecimento de vibrações.

Consequentemente, esta porca apresenta um desempenho de bloqueio superior em comparação com as porcas de bloqueio totalmente metálicas e possui uma excelente fiabilidade anti-afrouxamento.

Além disso, o material de nylon é resiliente, tornando-o adequado para montagens e desmontagens repetidas. Pode ser utilizado com parafusos de precisão e resistência variáveis.

Uma desvantagem da porca de bloqueio com anel de nylon é que a sua temperatura de utilização é limitada pelo limite de temperatura do material de nylon, que se situa geralmente entre -50 e +100°C.

As temperaturas excessivas podem amolecer o material de nylon, enquanto as temperaturas excessivamente baixas podem torná-lo frágil e acelerar o envelhecimento, causando reduções significativas no desempenho mecânico e de funcionamento da contraporca.

(3) Porca de bloqueio da face da flange de inserção não metálica

A porca apresentada na Figura 8 é uma porca de flange com uma inserção não metálica, que proporciona uma maior área de contacto. Este desenho combina as vantagens de uma porca de bloqueio com inserto não metálico e de uma porca de flange, resultando num desempenho anti-afrouxamento superior.

É importante notar que a resistência da porca à temperatura é limitada pela tolerância do nylon à temperatura.

(4) Parafuso com camada de bloqueio pré-revestida

Foi efectuada uma revisão profissional do seguinte conteúdo:

A cavilha ou parafuso com uma camada de bloqueio pré-revestida refere-se a uma superfície roscada de uma cavilha ou haste de parafuso revestida com uma camada de nylon ou outros materiais macromoleculares.

O princípio de bloqueio da cavilha ou do parafuso é semelhante ao de uma porca de bloqueio com anel de nylon.

À medida que o parafuso é aparafusado na porca, a camada de nylon no perfil da rosca é espremida e o material extrudido preenche o espaço entre as roscas interna e externa. Isto aumenta o atrito e atinge o objetivo de bloqueio.

No entanto, é importante notar que não existe atualmente uma norma nacional para este produto.

3. Aplicação e revisão dos métodos anti-afrouxamento

Existem vários métodos para evitar que os parafusos roscados se soltem, que devem ser seleccionados com base na situação específica das aplicações práticas.

É importante notar que as anilhas de pressão e as anilhas planas (ver Fig. 5), habitualmente utilizadas na indústria mecânica, não são ideais.

As estatísticas e os testes anti-vibração de ligações roscadas mostraram que o desempenho anti-vibração e anti-afrouxamento mais eficaz e a vida anti-afrouxamento mais longa são obtidos com a utilização de porcas de bloqueio de inserção não metálicas de binário eficaz e porcas de bloqueio de face de flange não metálicas de binário eficaz.

Mesmo após uma exposição prolongada a impactos e vibrações intensas, estas porcas não mostram sinais de afrouxamento. Alguns especialistas estrangeiros referem-se a elas como "porcas de bloqueio que nunca se soltam".

Uma desvantagem destas porcas é que a sua temperatura de utilização é limitada pela resistência à temperatura do material de nylon.

Atualmente, estas porcas são largamente utilizadas em peças de automóveis que não são de alta temperatura.

Espera-se que, com os avanços tecnológicos, uma melhor compreensão e uma maior resistência do nylon à temperatura, estas porcas sejam utilizadas mais extensivamente.