Notas de Aula:
Prof. Gilfran Milfont
As anotações, ábacos, tabelas, fotos e gráficos
contidas neste texto, foram retiradas dos seguintes
livros:
-PROJETOS de MÁQUINAS-Robert L. Norton-
Ed. BOOKMAN-2ª edição-2004
-PROJETO de ENG. MECÂNICA-Joseph E.
Shigley-Ed. BOOKMAN -7ª edição-2005
-FUNDAMENTOS do PROJETO de COMP de
MÁQUINAS-Robert C. Juvinall-Ed.LTC -1ª
edição-2008
-PROJETO MECÂNICO de ELEMENTOS de
MÁQUINAS-Jack A. Collins-Ed. LTC-1ª edição-
2006
8 União
Por
Parafusos
ELEMENTOS DE MÁQUINAS AULAS PROF. GILFRAN MILFONT
8.1- INTRODUÇÃO
Existe uma variedade de fixadores disponíveis comercialmente, entre as quais, uma
das mais importantes utilizadas nas construções de máquinas estão o conjunto
parafuso-porca.
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 de fixação. Estes
parafusos são normalmente
submetidos a cargas de
tração, de cisalhamento ou
ambas, podendo estas
cargas serem estáticas ou
de fadiga.
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8.2- EMPREGO DOS PARAFUSOS
• como parafusos de fixação, para junções desmontáveis;
• como parafusos de protensão, para se aplicar pré-tensão (tensores);
• como parafusos obturadores, para tampar orifícios;
• como parafusos de ajustagem, para ajustes iniciais ou ajustes de eliminação de
folgas ou compensação de desgastes;
• como parafusos micrométricos, para obter deslocamentos mínimos;
• como parafusos transmissores de forças, para obter grandes forças axiais através
da aplicação de pequenas forças tangenciais (prensa de parafuso, morsa);
• como parafusos de movimento, para a transformação de movimentos rotativos
em movimentos retilíneos (morsa, fuso), ou de movimentos retilíneos em
rotativos (pua);
• como parafusos diferenciais, para a obtenção de pequenos deslocamentos por
meio de roscas grossas.
Os parafusos podem ser de rosca simples ou roscas múltiplas. Os de filetes
múltiplos apresentam como vantagem o fato de o avanço ser proporcional ao
número de entradas, ou seja:
a = nº entradas x passo.
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8.6- FORMAS PADRONIZADAS DE ROSCA
Após a 2ª Guerra mundial, as formas de rosca foram padronizadas na Inglaterra, no
Canadá e EUA e são conhecidas como Unified National Standard (UNS). O padrão
europeu é definido pela ISO e tem essencialmente a mesma forma de seção
transversal da UNS, porém utilizando dimensões métricas.
Área sob tração: Onde, para roscas UNS:
e para roscas ISO:
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8.6a- FORMAS PADRONIZADAS DE ROSCA
O padrão UNS apresenta três famílias de rosca:
• Rosca Grossa (UNC): é mais comum e recomendada onde se requerem repetidas
inserções e remoções do parafuso ou para inserção em materiais moles;
• Rosca Fina (UNF): são mais resistentes ao afrouxamento decorrente de vibrações.
Tem uma vasta aplicação na indústria automobilística e aeronáutica;
• Rosca Ultrafina (UNEF): são utilizadas onde a espessura de parede é limitada.
Os padrões UNS e ISO definem intervalos de tolerância de maneira a controlar o
seu ajuste. A UNS define três tipos de classe: 1 (uso comum), 2 (projeto de
máquinas em geral) e 3 (uso em projetos de maior precisão). Uma letra é utilizada
para diferenciar roscas A (externas) e B (internas).
Exemplo de especificação de rosca UNS: ¼-20 UNC-2A
Que define: rosca externa de 0,250in de diâmetro, com 20 filetes por polegada, série
grossa, classe 2 de ajuste.
Exemplo de especificação de rosca ISOS: M8 x 1,25
Que define: rosca comum de 8mm de diâmetro por 1,25mm de passo de hélice.
As roscas-padrão são direitas (RH), a menos que haja especificação em contrário,
por adição das letras (LH).
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8.6b- ROSCA WHITWORTH
Este padrão de rosca tem sido usado
na Inglaterra e tem um ângulo de
filete de 55º e, por apresentar o
fundo arredondado, tem uma boa
resistência à fadiga
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8.9- PARAFUSOS DE ALTA RESISTÊNCIA – SAE
Parafusos estruturais ou para cargas pesadas, devem ser escolhidos
de acordo com a SAE, ASTM e ISO, que estabelecem critérios de
material, tratamentos térmicos e resistência mínima de prova.
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8.9- PARAFUSOS DE ALTA RESISTÊNCIA – ISO
Equivalências entre normas: SAE 1 ISO 4.6 ASTM A 307
SAE 5 ISO 8.8 ASTM A 325
SAE 8.2 ISO 10.9 ASTM A 490
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8.11- PRÉ-CARGA DE JUNÇÕES EM TRAÇÃO
E a constante de mola:
A deformação total do parafuso é :
Para o material de geometria
cilíndrica da fig. acima:
Onde: Se os materiais forem idênticos:
Se a área puder ser definida como um
cilindro sólido com um Deff:
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8.12- PARAFUSOS PRÉ-CARREGADOS (C. ESTÁTICA)
Diz-se que se o parafuso não falha na pré-carga, então provavelmente não falhará
em serviço, o que é justificado pelas expressões acima.
A deflexão comum devido à carga aplicada P é: ou
Substituindo na eq. p/ P: ou onde
C é chamado de constante de rigidez de junta ou simplesmente constante de junta.
De modo semelhante: Força p/separar a junta:
Coef. Seg. à separação:
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8.13- PARAFUSOS PRÉ-CARREGADOS (C. DINÂMICA)
A importância de aplicação de pré-carga em uniões sob carregamento dinâmico é
maior que nos carregamentos estáticos .
Força alternada e média no parafuso:
Coeficiente de Segurança à fadiga:
Tensão alternada e média no parafuso:
Tensão resultante da pré-carga:
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8.14- FATOR DE RIGIDEZ DA JUNTA
Área efetiva da
seção cônica do
barril:
ϕ≈30º
Anteriormente, por simplicidade,
assumimos que a seção transversal do
material sendo sujeitado era um cilindro de
pequeno diâmetro. A figura ao lado, mostra
uma situação mais realista, mostrando uma
seção em forma de barril, como área de
influência do parafuso sobre o material.
Abaixo, a figura mostra uma análise por
elementos finitos de uma união por
parafusos.
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8.14a- FATOR DE RIGIDEZ DA JUNTA
Rigidez do material:
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8.14b- FATOR DE RIGIDEZ DA JUNTA
As gaxetas ou juntas, apresentam rigidez tão baixas que dominam
a equação:
Isto significa que Km (rigidez do material sujeitado) deve ser
substituído por Kg (rigidez da gaxeta), com exceção das gaxetas
metálicas (cobre) ou mistas (cobre asbesto) que apresentam alta
rigidez.
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8.15- CONTROLE DA PRÉ-CARGA
A pré-carga, como fator
importante no projeto de
parafusos, precisa ser controlada.
Os métodos mais precisos
requerem a medição da elongação
do parafuso, porém métodos mais
práticos podem ser utilizados,
como é o caso do torquímetro,
onde o torque necessário é
encontrado através da expressão:
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8.16- CISALHAMENTO EM PARAFUSOS
A utilização de parafusos para resistir ao cisalhamento em máquinas não é uma boa
prática. Se necessário, é melhor a utilização mista de parafusos e pinos passantes.
Porém em projetos estruturais é muito comum a utilização de parafusos de alta
resistência, pré-carregados, para resistir a esforços de cisalhamento.
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8.16a- CISALHAMENTO EM PARAFUSOS
No caso de carga excêntrica, o parafuso está submetido a uma tensão de
cisalhamento devido ao esforço cortante e outra devido ao momento M.
Centróide do grupo de fixadores:
Força cortante em cada fixador,
devido à carga P:
Força cortante em cada fixador,
devido ao momento M:
A força cortante resultante em cada
fixador é a soma vetorial dessas
duas componentes de força.
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EXEMPLO 14-6 (NORTON)-MODIFICADO Alterando o posicionamento dos pinos do problema anterior, teríamos :
ksi 103
psi
P 1200 lbf
l 5 in
a 1.5 in
n 4
r a2
a2
r 2.121 in
M P l M 6000 lbf in
FM
M r
n r2
FM 707 lbf
FP
P
n FP 300 lbf
FB FP2
FM2
FB 768 lbf
d 0.375in Sy 117 ksi FB
A
4 FB
d2
4 FB
d2
6954.62psi Ns
Sy
Ns 16.823
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