Você já pensou no papel fundamental da humilde arruela de pressão no maquinário? Esses componentes pequenos e despretensiosos desempenham um papel fundamental para manter as máquinas funcionando de forma suave e segura. Neste artigo, exploraremos o fascinante mundo das arruelas de pressão, seus tipos e suas diversas aplicações na engenharia mecânica. Descubra como esses elementos, muitas vezes esquecidos, fazem uma grande diferença na confiabilidade e no desempenho de inúmeras máquinas e dispositivos.
No setor de fixadores, as arruelas de pressão, também conhecidas como "arruelas elásticas" ou "arruelas de pressão", desempenham um papel fundamental na manutenção da integridade das juntas. Esses componentes são fabricados principalmente em aço inoxidável austenítico (como os graus 304 ou 316) ou em aço carbono médio (normalmente SAE 1060 a 1075), sendo que o último geralmente recebe um acabamento protetor, como zincagem, para aumentar a resistência à corrosão.
Os tamanhos métricos mais comumente utilizados para arruelas de pressão incluem M3, M4, M5, M6, M8, M10, M12, M14 e M16. Essas dimensões são amplamente adotadas em várias aplicações industriais devido à sua compatibilidade com os tamanhos padrão de parafusos e porcas. A norma nacional chinesa GB/T 94.1-87 rege as especificações para arruelas de pressão, abrangendo uma ampla gama de tamanhos de 2 mm a 48 mm de diâmetro interno.
As arruelas de pressão são projetadas para fornecer uma superfície de suporte de carga para a cabeça do parafuso ou porca, além de oferecer funcionalidade adicional. Seu design de anel dividido cria tensão quando comprimido, o que ajuda a:
É importante observar que, embora as arruelas de pressão sejam amplamente utilizadas, sua eficácia na prevenção do afrouxamento automático tem sido debatida em estudos recentes de engenharia. Para aplicações críticas, os engenheiros geralmente consideram métodos de travamento alternativos, como as arruelas Nord-Lock ou adesivos de travamento de rosca.
As arruelas de pressão são fabricadas principalmente com ligas de alto desempenho projetadas para proporcionar elasticidade e durabilidade ideais. Os materiais mais comuns incluem:
A seleção do material depende dos requisitos específicos da aplicação, incluindo temperatura de operação, condições de carga, necessidades de resistência à corrosão e considerações de custo. Cada material oferece propriedades exclusivas que podem ser aproveitadas para otimizar o desempenho das arruelas de pressão em diversos ambientes industriais.
As arruelas de pressão são utilizadas principalmente para evitar que as porcas se soltem, conforme especificado nas normas nacionais. Sua aplicação é crucial em várias montagens mecânicas, especialmente aquelas sujeitas a cargas dinâmicas.
As porcas hexagonais com fenda são projetadas especificamente para uso com parafusos com furos nas extremidades. Esse projeto permite a inserção de um contrapino através da fenda da porca no orifício do parafuso, impedindo efetivamente o afrouxamento automático. Essas porcas são predominantemente empregadas em ambientes caracterizados por cargas vibratórias ou alternadas, garantindo uma fixação segura em condições desafiadoras.
No projeto mecânico e na fabricação, vários métodos são empregados para evitar o afrouxamento automático de porcas ou parafusos:
As arruelas de pressão são amplamente adotadas por sua eficácia e facilidade de instalação. Por exemplo, os parafusos que conectam os motores às bases das máquinas normalmente requerem arruelas de pressão para neutralizar o afrouxamento causado pelas vibrações do motor. Essa aplicação destaca a capacidade da arruela de manter a integridade do fixador em ambientes de alta vibração.
Em geral, os fixadores de equipamentos sujeitos a vibração são equipados com arruelas de pressão. Entretanto, seu uso em flanges é mais seletivo. A decisão de empregar arruelas de pressão em flanges depende do meio fluido específico e das condições de operação. As arruelas de pressão são recomendadas para conexões de flange quando:
É importante observar que essas diretrizes podem não ser universalmente aplicáveis. Alguns componentes especializados, como certas válvulas e flanges da tampa de pressão da caixa de enchimento, podem exigir arruelas de pressão, independentemente das recomendações gerais.
Para uma seleção eficiente das arruelas de pressão adequadas, os engenheiros e técnicos podem utilizar o sistema automatizado Fastener Expert. Essa ferramenta agiliza o processo de escolha da arruela correta com base nos requisitos específicos da aplicação, garantindo desempenho e confiabilidade ideais em montagens mecânicas.
As arruelas de pressão e as arruelas planas têm finalidades distintas em aplicações de fixação, cada uma com seu próprio conjunto de vantagens e limitações. As arruelas de pressão, projetadas com um anel dividido ou uma estrutura ondulada, funcionam principalmente para evitar o afrouxamento e manter a força de pré-carga em ambientes dinâmicos. Isso é obtido por meio de sua capacidade de armazenar e liberar energia sob compressão, neutralizando efetivamente o afrouxamento induzido por vibração. Por outro lado, as arruelas planas não possuem essa capacidade antifrouxidão.
As arruelas planas, caracterizadas por seu formato de disco simples, têm várias funções essenciais:
Em conexões críticas de suporte de carga em que a rigidez da junta é fundamental, como em estruturas de aço estrutural ou motores de alto desempenho, as arruelas de pressão geralmente são evitadas. Sua natureza compressível pode introduzir elasticidade na junta, reduzindo potencialmente sua rigidez geral e capacidade de carga. Nesses casos, é preferível usar arruelas planas ou fixadores flangeados para maximizar a área de contato e manter a rigidez da junta.
Entretanto, em aplicações sujeitas a vibração significativa, carga cíclica ou expansão e contração térmica, as arruelas de pressão se tornam indispensáveis. Sua capacidade de manter a tensão no fixador sob condições dinâmicas ajuda a evitar falhas por fadiga e garante a longevidade da conexão. Exemplos comuns incluem suspensões automotivas, fixações de trilhos de trem e maquinário industrial.
É fundamental observar que a seleção entre arruelas planas e de pressão deve se basear em uma análise completa dos requisitos da aplicação, incluindo características de carga, fatores ambientais e considerações de segurança. Em alguns casos, uma combinação dos dois tipos de arruela pode ser empregada para obter o desempenho e a confiabilidade ideais na junta fixada.
O "inchaço" da arruela de pressão geralmente não é um defeito inerente às próprias arruelas, mas sim um resultado de forças externas e condições de montagem.
O fenômeno do inchamento da arruela de pressão ocorre quando a arruela é submetida a forças radiais externas excessivas. Essas forças se originam principalmente da força de fixação axial gerada pelo torque de aperto aplicado durante a montagem. A magnitude dessa força é fundamental para determinar a probabilidade e a extensão do inchamento.
Um fator fundamental que contribui para o inchaço da arruela de pressão é a geometria dos componentes correspondentes, especialmente a superfície de suporte da porca. O chanfro externo na superfície de apoio da porca produz uma força de divisão radial, que pode fazer com que a abertura da arruela de pressão aumente. A relação entre o diâmetro do chanfro e a propensão ao inchaço é inversa; um diâmetro menor do chanfro concentra a força em uma área menor, aumentando a probabilidade e a gravidade do inchaço.
Para reduzir o inchaço, os engenheiros geralmente empregam uma arruela plana entre a porca e a arruela de pressão. Esse componente adicional ajuda a distribuir a carga de forma mais uniforme, reduzindo as forças radiais concentradas. Entretanto, a eficácia dessa solução depende das propriedades da arruela plana. Se a arruela plana for muito fina ou feita de um material com dureza insuficiente, ela poderá se deformar sob carga, não conseguindo evitar o inchaço da arruela de pressão de forma eficaz.
Outro problema crítico que afeta as arruelas de pressão é a fratura por fragilização por hidrogênio. Esse tipo de falha é normalmente atribuído a dois fatores principais no processo de fabricação:
Essas conclusões não são meramente teóricas, mas foram comprovadas por meio de extensos testes de laboratório e corroboradas pela experiência prática de longo prazo em várias aplicações industriais. A interação entre as propriedades do material, os processos de fabricação e as condições de montagem ressalta a complexidade de garantir um desempenho confiável das arruelas de pressão em aplicações críticas de fixação.
Arruela elástica dentada interna, arruela elástica dentada externa
Há muitos dentes elásticos afiados na circunferência, que perfuram a superfície de apoio e evitam que o fixador se solte. A arruela elástica dentada interna é usada sob a cabeça de tamanho menor do parafuso; a arruela elástica dentada externa é usada principalmente sob a cabeça do parafuso e a porca.
A arruela elástica dentada tem um volume menor do que a arruela de pressão comum, e o fixador é submetido a uma força uniforme, o que pode evitar o afrouxamento de forma confiável, mas não é adequado para desmontagens frequentes.
Arruela de pressão ondulada
Norma nacional: GB/T 7246-1987
As arruelas de pressão onduladas são divididas nos tipos WG, WL e WN.
Arruela de pressão ondulada tipo WG
A arruela de pressão ondulada do tipo WG é uma arruela elástica do tipo aberto, que geralmente pode ser instalada em um espaço pequeno, como a aplicação de pré-carga nos rolamentos, reduzindo o ruído da operação do rolamento, melhorando a precisão do funcionamento e a estabilidade dos rolamentos. Além disso, ela é amplamente utilizada em aparelhos eletrônicos e elétricos, com materiais como aço carbono, aço inoxidável e liga de cobre.
Arruela de pressão ondulada tipo WL
A arruela de pressão ondulada do tipo WL é uma arruela elástica de junta sobreposta, que geralmente pode ser instalada em um espaço pequeno, como a aplicação de pré-carga nos rolamentos, reduzindo o ruído da operação do rolamento, melhorando a precisão de funcionamento e a estabilidade dos rolamentos. Além disso, ela é amplamente utilizada em aparelhos eletrônicos e elétricos, com materiais como aço carbono, aço inoxidável e liga de cobre.
Arruela de pressão ondulada tipo WN
A arruela de mola ondulada tipo WN é uma arruela elástica de sobreposição de pico de onda de várias camadas. Em comparação com o tipo WL, essa série é composta de várias camadas de material, de modo que a curva do valor K sob o mesmo curso de compressão é mais plana do que a do tipo WL, o que é adequado para situações em que a elasticidade é maior e todo o curso de trabalho exige uma liberação uniforme da elasticidade. Os materiais usados incluem aço carbono, aço inoxidável e liga de cobre.
Arruela de pressão do disco
A arruela de pressão a disco, também conhecida como arruela de pressão Belleville, foi inventada pelo francês Belleville. A arruela de pressão de disco DIN6796 (série HDS) foi projetada para arruelas antiafrouxamento para conexões de parafusos e roscas.
Ele foi projetado e fabricado de acordo com a norma DIN 6796 e é usado para conectar parafusos e porcas de média ou alta resistência. A grande carga de suporte e a recuperação elástica tornam a série HDS muito eficaz. A tensão do parafuso pode suportar o relaxamento causado pelo desgaste das peças vulneráveis, fluência, relaxamento, expansão térmica, encolhimento ou aperto das peças de vedação.
A série HDS aumenta várias vezes o efeito elástico dos parafusos e pode substituir com eficácia as arruelas de pressão comuns, mas não é adequada para uso como arruela de pressão ou combinação de arruelas planas.
Como a série HDS é uma mola de disco que pode ser combinada ou sobreposta, a combinação pode aumentar a deformação do grupo de molas de disco, e a sobreposição pode aumentar a força da mola do grupo de molas de disco.
O método de instalação ideal é pressioná-lo da forma mais plana possível. Quanto mais próximo estiver do estado plano, mais rápido será o aumento do torque de aperto. É possível obter uma tensão adequada nos parafusos sem um torquímetro.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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