Quase todos os produtos de engenharia de complexidade variada usamfixadores. Em comparação com a maioria dos outros métodos de conexão, uma vantagem importante dos fixadores roscados é que eles podem ser desmontados e reutilizados.
Esta característica é normalmente a razão pela qual os fixadores roscados são preferidos a outros métodos de ligação, e muitas vezes desempenham um papel crucial na manutenção da integridade estrutural dos produtos.
No entanto, eles também são uma fonte significativa de problemas em máquinas e outros componentes. A causa desses problemas está no mecanismo-de auto-afrouxamento. Esse mecanismo-de auto-afrouxamento tem sido um problema há muito tempo e, nos últimos 150 anos, os designers vêm desenvolvendo métodos para evitar essa ocorrência.
Muitos tipos comuns de métodos de travamento para fixadores roscados foram inventados há mais de 100 anos, mas somente nos últimos anos é que os principais mecanismos que levam ao auto-afrouxamento foram compreendidos. Existem muitos mecanismos que podem causar o afrouxamento dos fixadores roscados, que podem ser divididos em afrouxamento rotacional e afrouxamento não{3}}rotacional.
Afrouxamento rotacional e não{0}}rotacional
Na grande maioria das aplicações, os fixadores roscados são apertados e a pré-carga é aplicada à conexão. O afrouxamento pode ser entendido como a subsequente perda de pré-carga após a conclusão do processo de aperto. Isso pode ocorrer de duas maneiras:
O afrouxamento rotacional, comumente chamado de auto-afrouxamento, refere-se à rotação do fixador sob a ação de cargas externas.
O afrouxamento não{0}rotacional refere-se à perda de pré-carga sem movimento relativo entre os encadeamentos internos e externos.
Afrouxamento do fixador causado por afrouxamento não{0}rotacional
O afrouxamento-não rotacional pode ocorrer devido à deformação do próprio fixador ou dos componentes conectados após a montagem. Este é o resultado do colapso plástico parcial destas interfaces.
Visão ampliada do contato de superfície áspera
Quando duas superfícies estão em contato uma com a outra, cada superfície suporta a carga da superfície de apoio. Como a área de contato real é muito menor que a área superficial, mesmo sob cargas moderadas, tensões locais muito altas são suportadas continuamente, excedendo o limite de escoamento do material.
Isto pode levar ao colapso parcial da superfície após a conclusão da operação de aperto; esse colapso é geralmente chamado de incorporação.
A quantidade de força de fixação perdida devido ao embutimento depende da rigidez do parafuso e dos componentes conectados, do número de superfícies de contato presentes na conexão, da rugosidade da superfície e da tensão aplicada na superfície do rolamento.
Sob condições de tensão superficial moderada, o embutimento geralmente causa uma perda de força de fixação de aproximadamente 1% a 5% nos primeiros segundos após o aperto da junta. Quando a junta é posteriormente submetida a cargas dinâmicas aplicadas, a força de fixação pode diminuir ainda mais devido a alterações na pressão que ocorrem na superfície de contato da junta.
Se a tensão de apoio superficial for mantida abaixo da resistência ao escoamento à compressão do material do componente conectado, a quantidade de perda de embutimento pode ser calculada e compensada no projeto da conexão.
Teoria do auto-afrouxamento do fixador de Junker-
Em 1969, Gerhard Junker utilizou os resultados de testes de engenharia para apoiar a sua teoria sobre a razão pela qual os fixadores roscados se soltam automaticamente. Sua principal descoberta foi que, uma vez que ocorre movimento relativo entre as roscas correspondentes e entre a superfície de apoio do fixador e o material de fixação, o fixador pré-carregado se soltará devido à rotação.
Verificou-se também que as cargas dinâmicas transversais causam afrouxamentos mais severos do que as cargas dinâmicas axiais. A razão é que o movimento radial sob cargas axiais é significativamente menor do que sob cargas transversais.
Movimento transversal de conexões aparafusadas
Junker mostrou que um fixador pré-carregado se soltará-quando ocorrer movimento relativo entre as roscas correspondentes e a superfície de apoio do fixador. Isto acontece quando a força transversal que atua na junta é maior que a força de atrito gerada pela pré-carga do parafuso.
Para pequenos deslocamentos transversais, pode ocorrer movimento relativo entre os flancos da rosca e as superfícies de contato do rolamento. Uma vez superada a folga da rosca, o parafuso estará sujeito a forças de flexão e, se o deslizamento transversal persistir, ocorrerá deslizamento na superfície de apoio sob a cabeça do parafuso.
Uma vez iniciado, não haverá atrito temporário nas roscas e sob a cabeça do parafuso. O torque de auto-afrouxamento gerado pela pré-carga atuando no ângulo da hélice da rosca causa rotação correspondente entre a porca e o parafuso. Sob repetidos movimentos transversais, este mecanismo pode causar o afrouxamento completo do fixador.
Para estudar as causas do afrouxamento, Junker desenvolveu uma máquina de testes, conforme mostrado na figura abaixo, que quantifica a eficácia anti-de afrouxamento dos designs de fixadores.
Máquina de teste de fixadores Junker
Rolamentos de esferas são usados para eliminar o efeito de atrito entre as placas móveis e fixas. Quando o movimento transversal é aplicado a partir da placa móvel que fixa a porca, a célula de carga monitora continuamente a carga do parafuso.
Em comparação com os padrões comuns de teste de vibração, a perda de pré-carga pode ser medida durante o teste e um gráfico de pré-carga versus número de ciclo pode ser traçado.
O princípio da máquina Junker é que o deslocamento transversal gerado pelo came faz com que o fixador oscile, superando a força de atrito do fixador para produzir o afrouxamento.
Captura de tela da máquina de teste Junker
Curva de afrouxamento do teste de vibração Junker
Por meio de testes Junker, o desempenho de vários designs de fixadores anti-afrouxamento pode ser comparado. Nas últimas duas décadas, um grande número de estudos sobre projetos anti{2}}de fixadores existentes foi concluído para comparar suas propriedades anti{3}}de afrouxamento.
Para uma comparação eficaz, é crucial utilizar a mesma amplitude de vibração, pois isto tem um impacto significativo nos resultados. A figura abaixo mostra um resultado de teste típico de uma arruela de pressão.
O teste mostrou que colocar uma arruela de pressão helicoidal sob a cabeça do parafuso acelerou o afrouxamento. Outros também provaram que o uso de tais arruelas tem desempenho semelhante ao uso de parafusos sem quaisquer dispositivos de travamento.
Muitos grandes OEMs, cientes dessas descobertas, não especificam mais essas arruelas em seus padrões internos.
Muitos dispositivos de travamento usados para fixadores roscados baseiam-se na prevenção do movimento relativo entre as roscas (por exemplo, contraporcas de náilon) ou do movimento relativo entre a superfície do rolamento e os componentes conectados (por exemplo, vários tipos de arruelas de "travamento").
No entanto, tanto Junker como outros investigadores subsequentes salientaram a importância de evitar o movimento transversal da junta: um desenho de ligação aparafusada adequado garante que a força de fixação do parafuso é suficiente para evitar o movimento transversal através do atrito das placas de ligação, evitando assim o afrouxamento.
Durante a fase de projeto, isso pode ser conseguido selecionando o tamanho e a resistência apropriados do fixador, de modo que a pré-carga possa gerar atrito suficiente para resistir ao movimento da junta causado por cargas externas.
Dane-se a conclusão de Jun
A causa fundamental do afrouxamento do fixador roscado é o movimento da junta, especialmente o deslizamento transversal doroscas de parafusoe superfícies de rolamento. Se for possível obter pré-carga suficiente do parafuso para evitar o movimento da junta, nenhum dispositivo de travamento será necessário, pois o atrito manterá as peças unidas.
O principal problema no projeto de fixadores roscados é garantir que a pré-carga seja suficiente para manter as peças firmemente unidas quando são incluídas alterações nas condições de atrito.
Este gráfico mostra o efeito das alterações de atrito na pré-carga do parafuso.
A chave para evitar o afrouxamento é fornecer pré-carga suficiente ao parafuso
Geralmente, as juntas devem ser dimensionadas com base na pré-carga mínima gerada no coeficiente de atrito máximo; projetar usando o valor médio de pré-carga levará ao afrouxamento de muitosparafusos.
Ao mesmo tempo, também é necessário considerar a perda de pré-carga causada pelo embutimento. Para limitar a quantidade de embutimento, é necessário garantir a faixa máxima de tensão que o material fixado pode suportar.
Nos casos em que o movimento da junta não possa ser evitado, por exemplo, na presença de expansão térmica, deverá ser especificado um dispositivo de travamento com capacidade comprovada.
