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União de Componentes Mecânicos

1. Introdução Em qualquer construção, por mais simples que esta seja, é necessário fazer a união de peças entre si. Para isso, em mecânica, há a exigência de elementos de fixação. Portanto, os elementos de fixação têm como objetivo principal unir duas ou mais peças de forma fixa ou móvel em projetos mecânicos. Esses fixadores possuem aplicações e funções diferenciadas, onde alguns visam à fixação permanente e outros e permitem até a rotação de peças com segurança.

De forma bem geral, os elementos de fixação mais comuns em mecânica são: rebites, pinos, cavilhas, parafusos, porcas, arruelas, chavetas, entre outros. Basicamente, existem dois tipos de união: a fixação móvel e a fixação permanente.

A fixação móvel permite que os elementos unidos sejam colocados ou retirados do conjunto sem causar nenhum dano às peças, ou seja, são desmontáveis. Como exemplo disso tem-se os parafusos, as porcas e arruelas.

Já a fixação permanente não permite essa flexibilidade, uma vez instalados, os elementos de fixação não podem ser reutilizados, pois ao serem retirados perdem a utilização. A desmontagem deste tipo de união só é possível através da ruptura da junta. Pode-se citar como exemplos a união por rebites e as juntas soldadas.

De qualquer forma, tanto os elementos de fixação móvel quanto permanente exigem um manuseio feito com muita habilidade, pois são considerados os componentes mais frágeis da máquina. Uma junta requer um projeto adequado 1

ao conjunto mecânico destinado, pois de nada adianta utilizar elementos de fixação fracos para peças robustas.

2. Tipos de elementos de fixação 2.1 Rebites Os rebites são formados por um corpo cilíndrico e uma cabeça. Eles podem ser fabricados em aço, alumínio, cobre ou latão. É usado para a fixação permanente de duas ou mais peças. Os rebites unem rigidamente peças ou chapas em estruturas metálicas de reservatórios, caldeiras, máquinas, navios, aviões, veículos de transporte e treliças. A fabricação de rebites é padronizada, ou seja, segue normas técnicas que indicam medidas da cabeça, do corpo e do comprimento útil dos rebites. Durante a montagem, os rebites são conformados à frio, ficando encruados, ou à quente. A figura 1 mostra alguns rebites. Na Tabela 1 estão listados vários tipos de rebites.

Fig.1: Rebites de cabeças redondas antes de serem utilizados

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Tab.1: Tipos de rebites

Em estruturas metálicas usam-se rebites de aço com cabeça arredonda, com diâmetros padronizados de 10 até 36 mm (d) e comprimentos úteis padronizados de 10 até 150 mm (L).

Na hora da seleção do rebite é necessário que se saiba: de que material é feito, qual o tipo de cabeça, qual o diâmetro do seu corpo e o seu comprimento útil. Para fazer a rebitagem, é necessário colocar o rebite em furos já feitos anteriormente nas peças a serem unidas. Esse processo de rebitagem pode ser feito manualmente ou de forma mecânica, através de martelo pneumático. O processo manual é utilizado quando em locais difíceis ou em peças pequenas. 3

Além disso, tanto de forma manual como a mecânica, é possível utilizar a rebitagem ou a quente ou a frio, sendo a rebitagem à quente indicada para rebites com diâmetro superior a 35 mm. A rebitagem a frio é realizada por martelamento simples, indicada para rebites de até 6,3 mm.

2.2 Pinos Os pinos são utilizados para permitir movimento de rotação em uma das peças, além de alinhar e fixar os elementos. Os pinos são usados em junções resistentes a vibrações. A Figura 2 mostra uma manilha com um pino. Os vários tipos de pinos estão listados na Tabela 2.

Fig.2: Pino montado em uma manilha

Tab.2: Tipos de pinos

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2.3 Cavilhas As cavilhas unem peças que não são articuladas entre si e, assim como os pinos, também servem para alinhas e fixar os elementos das máquinas. Podem ser chamadas de pinos estriados, pinos entalhados, pinos ranhurados e rebite entalhado. Entretanto, a diferença entre pinos e cavilhas leva em consideração o formato dos elementos e também as suas aplicações. Por exemplo, pinos são utilizados para a união de peças que se articulam entre si, já as cavilhas são usadas em conjuntos sem articulações, indicando pinos com entalhes externos. Esses entalhes é que fazem com que o conjunto não se movimente. Outros fatores pelos quais os pinos e cavilhas se diferenciam é quanto: a utilização, a forma, tolerâncias de medidas, acabamento superficial, material, tratamento térmico. A cavilha é uma peça cilíndrica, fabricada em aço, cuja superfície externa recebe três entalhes que formam ressaltos. É pela forma e pelo comprimento que se determina o tipo de cavilha (Figura 3).

Fig.3: Cavilhas

2.4 Contrapino ou cupilha Este elemento de fixação é uma haste ou arame com forma semelhante a um meio-cilindro, dobrado de modo a formar uma cabeça e duas pernas desiguais (Figura 4a e 4b). Devido ao formato das pernas, que são viradas para trás, a saída do pino ou da porca durante a vibração das partes é impedida. Sua principal função é travar outros elementos de máquinas como porcas. Na figura 4c está mostrado um pino de rosca e um contrapino montado para evitar o afrouxamento da porca.

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(a)

(b)

(c)

(a) Contrapino montado em um pino; (b) tipos de contrapinos; (c) Contrapino montado em um pino rosqueado Fig. 4: Cupilhas ou Contrapinos

2.5 Anel Elástico O anel elástico serve para limitar ou posicionar o movimento axial de uma peça que desliza sobre um eixo (Figura 5a). A montagem do anel elástico no eixo impede que o cubo (Fig 5b) ou a engrenagem (Fig 5c) tenham movimento axial.

(a)

(b)

(c)

Fig. 5: Anel elástico 3. Parafusos É uma peça formada por um corpo cilíndrico e uma cabeça, a qual pode ter várias formas. São utilizados na união não permanente das peças. Os parafusos se diferenciam pela forma de rosca, da cabeça, da haste e do tipo de acionamento.

As roscas encontradas nos parafusos permitem a união e a desmontagem das peças unidas sem danificá-las. Os filetes das roscas apresentam diversos perfis uniformes, que dão nome às roscas.

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O corpo do parafuso pode ser cilíndrico ou cônico, totalmente ou apenas parcialmente rosqueado (Figura 7). Essas diferenças permitem classificá-los em quatro categorias: parafusos passantes, parafusos não-passantes, parafusos de pressão, parafusos prisioneiros.

Fig. 7: Parafusos A porca é formada por um furo roscado, o qual serve para atarraxar o parafuso. A porca pode ter formato de prisma, de cilindro, etc ( Figura 8).

Fig. 8: Porcas

A arruela é um disco metálico com um furo no centro. Esse furo permite que o corpo do parafuso passe por dentro da arruela (Figura 9).

Fig. 9: Arruela 7

3.1 Nomenclatura das Roscas 10 eixo

eixo 10

Fig. 10: Nomenclaturas de roscas

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A tabela 3 será útil para

O cálculo das tensões em um parafuso é realizado usando-se a Área de resistência à tração (At). Um parafuso fabricado com aço com Limite de escoamento igual a 800 MPa, submetido a uma força de 21 kN e fator de Segurança de 1,3 terá a seguinte Área de resistência à tração:

 Atuante 

F  0, 2  At FS

 Atuante 

21000 800  At 1,3

At



34,13

mm

2

Usando a Tabela 3 com At 34,13 mm2: O parafuso M8x1,25 deve ser selecionado. Este parafuso tem um diâmetro maior ou diâmetro nominal de 8,0 mm.

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Tab. 3: Tabela para seleção de parafusos e roscas

Os parafusos também devem ser especificados de acordo com suas classes de resistências. Existem várias classificações. A seguir são mostrados alguns exemplos: 10

Sistema métrico (ISO): As classes são expressas no formato X.Y, onde: X = indica a resistência mínima de tração, em 100MPa. .Y = indica o limite de escoamento como Percentual (%) de X Exemplo: Classe 8.8 8  Resis. Mín. tração = 800MPa = 800 N/mm² = 80 Kgf/mm² .8  Lim. escoamento = 80% da tração = 640 MPa Classe 10.9 10 1000 N/mm² mínimo de resistência a tração .9  90% da tração = limite de escoamento de 900 N/ mm² Classe 12.9 12  1200 N/mm² mínimo de resistência a tração .9  90% da tração = limite de escoamento de 1080 N/ mm² Na Figura 11 está mostrada a cabeça de um parafuso onde está impresso sua classe (8.8)

Fig. 11: Cabeça do parafuso de classe 8.8

3.2 Juntas parafusadas O uso mais comum de parafusos é a união de dois ou mais corpos, formando as juntas parafusadas (ou aparafusadas). Na figura 12 estão mostrados exemplos de componentes mecânicos unidos por parafusos.

Fig. 12: Juntas parafusadas

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O objetivo destas juntas é manter os corpos unidos, sob compressão. Assim, as forças atuantes nos corpos (FC) devem ser sempre de compressão (negativa). Como consequência, os parafusos ficam tracionados, submetidos às forças de tração (FP). Durante a montagem da junta aplica-se uma pré-carga (Fi) para comprimir os corpos a serem unidos. Nesta fase inicial, antes de atuarem esforços externos (FEXT = 0), os corpos ficam comprimidos de -Fi (Força de união na Fig. 13) e os parafusos tracionados com +Fi (Carga de tensão na Fig. 13).

Fig. 13: Forças atuantes em juntas parafusadas As forças atuantes em cada parafuso (FP) e nos corpos (FC) podem ser calculadas usando-se as equações 1 e 2, respectivamente: Eq.(1) Eq. (2) KP é a constante de rigidez do parafuso. KC é a constante de rigidez equivalente dos corpos unidos. A constante da junta determina a parcela da força externa (FEXT) que é absorvida pelo parafuso e é definida pela equação 3. O projeto da junta deve preservar a união entre os corpos, assim a constante da junta deve ser a maior possível. Eq. (3) 12

Uma maneira de aumentar a constante da junta é a introdução de um terceiro corpo de baixa rigidez (borracha, asbesto, cobre) entre os corpos a serem unidos. Exemplo de seleção de parafusos: Dois corpos devem ser unidos por parafusos de classe 9.8. A força de montagem por parafuso é de 50 kN. A constante da junta é de 0,667 (KP=2KC). Selecione parafusos para duas situações distintas: a) A Força externa atuante é constante e igual a 90 kN por parafuso. Use Fator de segurança (FS) de 1,3 e fator de concentração de tensões (Kt) de 1,4. Solução: FP = 50+0,667*90 = 110 kN Com 0,2 = 720 MPa (parafuso classe 9.8), FS = 1,3 e Kt = 1,4: 𝜎0,2 𝐹𝑆

=

𝐹𝑃.𝐾𝑡 𝐴𝑡

Assim, a área de resistência à tração do parafuso

deve ser At ≥ 278,1 mm2. Consultando a Tab. 3, pág. 10, o parafuso selecionado é M24x3 (série grossa). Poderia ser também o M24x2 (série fina).

b) A Força externa atuante varia de zero a 90 kN por parafuso. Use Fator de segurança (FS) de 1,3 e fator de concentração de tensões de fadiga (Kf) de 1,2. Limite de resistência à fadiga SeR95 = 200 MPa. Limite de resistência à tração R = 900 MPa (parafuso classe 9.8). Solução: Como as forças são cíclicas, deve-se evitar falhas por fadiga. Usando a equação de Goodman (texto 4A-Fadiga), At ≥ 372,67 mm2. Consultando a Tab. 3, pág. 10, o parafuso selecionado é M30x3,5 (série grossa). Poderia ser também o M24x2 (série fina). Observação: A força no parafuso varia de um mínimo igual à Fi e máximo igual à FP.

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