Evite o afrouxamento com arruelas de pressão - elas funcionam?

Princípio de travamento da arruela de pressão

A função antiafrouxamento de uma arruela de pressão opera em um princípio de ação dupla, combinando força axial e resistência ao atrito para manter a integridade das conexões rosqueadas.

Principalmente, quando comprimida durante a montagem, a arruela de pressão gera uma força elástica sustentada. Essa força cria uma pré-carga axial que mantém a tensão no conjunto parafuso-porca, neutralizando efetivamente as cargas vibratórias e dinâmicas que, de outra forma, poderiam levar ao afrouxamento. A pressão elástica contínua exercida pela arruela serve para distribuir a força de fixação de forma mais uniforme na interface da junta.

Além disso, o design da arruela de pressão incorpora bordas afiadas em sua abertura dividida. Ao serem apertadas, essas bordas são pressionadas com força contra a parte inferior da cabeça do parafuso (ou porca) e a superfície do componente preso. Esse efeito de chaveamento mecânico aumenta significativamente a resistência de atrito contra a rotação, criando um ajuste de interferência localizado que inibe o movimento relativo entre o fixador e as peças unidas.

Além disso, o perfil helicoidal da arruela de pressão introduz um leve desalinhamento angular entre suas superfícies superior e inferior. Essa geometria cria uma distribuição de pressão variável em torno da circunferência da arruela, o que aumenta sua capacidade de manter uma pressão de contato consistente mesmo sob pequenas deformações ou assentamento da junta.

É importante observar que, embora as arruelas de pressão ofereçam esses benefícios de travamento, sua eficácia pode variar dependendo de fatores como propriedades do material, acabamento da superfície e condições específicas de carga da aplicação. Em juntas críticas, elas costumam ser usadas em conjunto com outros métodos de travamento para garantir a segurança ideal.

E quanto ao efeito antiafrouxamento da arruela de pressão?

As arruelas de pressão são comumente empregadas em vários conjuntos mecânicos devido ao seu custo-benefício e facilidade de instalação. Elas encontram aplicações tanto em componentes que suportam carga quanto em componentes que não suportam carga, especialmente em sistemas que exigem montagem e desmontagem frequentes.

No entanto, a eficácia antiafrouxamento das arruelas de pressão é limitada e tem sido objeto de debate nos círculos de engenharia. Estudos recentes e práticas industriais mostraram que seu desempenho na prevenção do afrouxamento sob cargas dinâmicas e vibrações não é tão confiável quanto se pensava. De fato, em aplicações de alta confiabilidade, especialmente aquelas que envolvem conexões críticas de suporte de carga, seu uso tem diminuído em regiões avançadas de fabricação, como a Europa e a América do Norte.

As limitações das arruelas de pressão levaram a uma mudança para soluções de fixação mais eficazes. Por exemplo, nos setores aeroespacial e militar, há uma tendência crescente de substituir as arruelas de pressão tradicionais por alternativas superiores. A Academia Chinesa de Tecnologia Espacial proibiu o uso de arruelas de pressão de aço em determinadas aplicações devido a preocupações com a segurança, incluindo os riscos de fragilização por hidrogênio e falha por fadiga sob carga cíclica.

Tecnologias avançadas de fixação, como arruelas de travamento em cunha, compostos químicos de travamento de rosca e porcas de travamento especializadas, estão sendo cada vez mais adotadas em aplicações críticas. Essas alternativas oferecem maior resistência ao afrouxamento induzido por vibração e maior confiabilidade a longo prazo, especialmente em ambientes de alta tensão.

É importante observar que, embora as arruelas de pressão ainda possam ter seu lugar em aplicações menos críticas, os engenheiros devem considerar cuidadosamente os requisitos específicos de cada montagem, inclusive as condições de carga, a exposição à vibração e as implicações de segurança, ao selecionar os métodos de travamento dos fixadores. Para aplicações que exigem alta confiabilidade e segurança, devem ser avaliadas e implementadas soluções antifrouxidão mais avançadas.

Arruela de pressão caixa de travamento

A conexão entre a transmissão final do eixo e a carcaça do eixo usa parafusos M16 x 100 de grau 10.9 com um torque de aperto de (280+20) N-m, apertados com uma máquina de aperto elétrica de alta precisão. A alteração no torque com o ângulo de rotação durante o processo de aperto do parafuso foi medida com e sem uma arruela de pressão.

A comparação das curvas de ângulo de torque mostrou que sempre houve um torque de pré-aperto de aproximadamente 10 N-m quando uma arruela de pressão foi usada, enquanto que, sem a arruela de pressão, o torque do parafuso permaneceu em 0 N-m antes de aumentar significativamente. Isso sugere que a arruela de pressão pode ser completamente achatada com um torque de pré-aperto do parafuso de cerca de 10 N-m. A confirmação dessa inferência foi obtida por meio de inspeção com uma chave de torque digital, que mostrou que o torque do parafuso não havia atingido 20 N-m e que a arruela de pressão havia sido completamente achatada.

Esses resultados indicam que a arruela de pressão fornece apenas uma força elástica de 10 N-m, que é insignificante em comparação com o torque de pré-aperto do parafuso de 280 N-m. Além disso, uma força tão pequena não é suficiente para embutir os cantos afiados no entalhe da arruela de pressão na superfície do parafuso e da peça conectada. Após a desmontagem, não foram observadas marcas óbvias de incorporação nas superfícies do parafuso e da peça conectada.

Como resultado, o efeito antiafrouxamento da arruela de pressão no parafuso pode ser desconsiderado.

A adição de uma arruela entre o parafuso e a peça conectada pode introduzir outro risco potencial à segurança se a arruela tiver problemas de qualidade. Quando o torque do parafuso é alto (maior que 200 N-m), o uso de uma arruela de pressão como mecanismo de travamento não é eficaz e pode até ser prejudicial. Sob a influência de impacto, vibração e cargas variáveis, a pré-carga pode desaparecer repentinamente, fazendo com que a conexão se solte.

A NASA também reconheceu as limitações das arruelas de pressão abertas. No capítulo sobre contraporca do padrão da NASA, afirma-se que "A arruela de pressão helicoidal típica... serve como uma mola enquanto o parafuso está sendo apertado. No entanto, a arruela normalmente está plana no momento em que o parafuso é totalmente apertado, momento em que ela é equivalente a uma arruela plana sólida, e sua capacidade de travamento é inexistente. Em resumo, esse tipo de arruela de pressão é inútil para travamento."

Veja na figura a seguir os trechos do texto original. Entretanto, alguns profissionais têm uma opinião diferente. Qual é a sua perspectiva sobre isso?