Os fixadores roscados são fáceis de montar e desmontar e podem ser usados repetidamente. Contudo, uma desvantagem é que eles podem se soltar sob certas condições de trabalho, particularmente quando sujeitos a vibrações, impactos, cargas variáveis e diferenças excessivas de temperatura. Isso pode fazer com que as porcas caiam, inutilizando o equipamento ou até mesmo causando mau funcionamento grave.
Portanto, é crucial identificar as razões para conexões soltas de fixadores roscados e implementar medidas preventivas eficazes ao projetá-los e selecioná-los.
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1. Razões para conexão solta de fixadores roscados
1.1 Frouxidão causada pelo aperto inicial
Depois de apertar os fixadores roscados, a irregularidade e microrrugosidade de cada superfície de contato, incluindo o perfil da rosca, a superfície de apoio e a superfície de contato das peças conectadas, serão ainda mais reduzidas durante o processo de trabalho.
Esta redução ocorre quando a conexão é submetida a condições como vibração, e a superfície de contato pode até ficar parcialmente deprimida, causando uma alteração no estado de fixação da conexão roscada. Como resultado, a força de pré-aperto é perdida e a conexão roscada fica frouxa, fenômeno conhecido como afrouxamento inicial.
Para resolver este problema, recomenda-se reapertar os fixadores roscados após um curto período de trabalho para restaurar a força de pré-aperto perdida devido ao afrouxamento inicial.
1.2 Frouxidão causada pelo colapso da superfície de apoio
Quando fixadores roscados são conectados, se a pressão de contato da superfície de apoio do parafuso ou da porca for muito alta, a superfície da peça conectada sofrerá deformação plástica na forma de uma depressão anular no ponto onde faz contato com o parafuso ou porca superfície de rolamento.
Se ocorrer compressão severa ou deformação plástica contínua durante o processo de trabalho, isso pode reduzir ou até eliminar a força de pré-aperto dos fixadores, levando a conexões soltas. Esse tipo de afrouxamento é conhecido como frouxidão por indentação e é uma forma inevitável de deformação.
Para evitar colapso e afrouxamento, é importante aumentar a área de contato no parafuso ou porca criando um flange, ou usar uma arruela endurecida com maior resistência e uma área de contato maior abaixo da superfície do rolamento.
1.3 Auto-afrouxamento da conexão roscada
A experiência mostra que a causa mais comum de falha em ligações roscadas sujeitas a cargas dinâmicas é o auto-afrouxamento, tornando-o o tipo de falha mais frequente.
O mecanismo de autoafrouxamento é o seguinte: em uma conexão roscada, o atrito é gerado nas superfícies de contato das roscas internas e externas, bem como nas superfícies de apoio dos fixadores roscados e das peças conectadas.
Quando a conexão roscada começa a se soltar, o torque necessário para superar o atrito na superfície de contato da rosca é indicado como M1:
Onde: Q é a força de pré-aperto atuante no parafuso ou parafuso, também conhecida como força axial ou força de fixação; d2 é o diâmetro primitivo da rosca; ρ é o ângulo de atrito.
Para roscas triangulares,
μ1 representa o coeficiente de atrito entre as superfícies de contato das roscas. β denota o meio ângulo da forma do dente, enquanto α indica o ângulo ascendente da hélice da rosca. É importante observar que o ângulo de subida das hélices pode variar dependendo do diâmetro e normalmente é baseado no ângulo de subida das hélices com diâmetro primitivo.
Uma vez apertado o fixador roscado, o torque adicional resultante M2 produzido pelo atrito na superfície de apoio da porca ou da cabeça do parafuso pode ser calculado da seguinte forma:
Onde μ2 representa o coeficiente de atrito entre a superfície de apoio da porca ou cabeça do parafuso e a superfície de contato da peça conectada, e D2 é o diâmetro médio da superfície de apoio (superfície de contato) da porca ou cabeça do parafuso.
Quando a conexão roscada começa a se soltar, o torque total necessário para superar o atrito pode ser calculado da seguinte forma:
De acordo com a fórmula 3, um fixador roscado só irá afrouxar automaticamente quando o torque total M for igual ou menor que zero.
No caso de uma ligação roscada submetida a uma carga estática, o ângulo de atrito p é sempre maior que o ângulo de levantamento a, satisfazendo a condição de autotravamento. Portanto, o valor total entre colchetes na Fórmula 3 não será igual ou menor que zero e o fixador rosqueado não se soltará automaticamente.
No entanto, sob cargas dinâmicas, como vibração e impacto, a pressão normal na superfície do rolamento da rosca pode ser instantaneamente reduzida ou até igual a zero. Quando a restrição de atrito é perdida, a porca pode deslizar para baixo ao longo do declive devido à vibração, fazendo com que a porca se solte gradualmente.
Isto é semelhante a um objeto pesado em um plano inclinado, que não deslizará para baixo quando não estiver vibrando. Mas quando vibra, pode deslizar para baixo quando o atrito diminui ou desaparece.
Esse afrouxamento é chamado de autoafrouxamento de conexões roscadas. Após dezenas de milhares de ciclos de vibração, a resistência ao atrito anti-afrouxamento da conexão roscada pode se esgotar, levando a um afrouxamento leve ou completo.
2. Métodos de bloqueio comuns
2.1 Destruir o relacionamento entre pares de movimentos de thread
Uma maneira confiável de evitar o afrouxamento é converter uma conexão roscada destacável em uma não destacável usando soldagem, colagem ou rebitagem por punção (ver Fig. 1). Isto elimina as características de movimento do par roscado.
No entanto, uma desvantagem deste método é que ele inutiliza os fixadores roscados e o processo pode ser trabalhoso.
Esta técnica é frequentemente utilizada em cenários onde a desmontagem não é necessária, mas é fundamental para evitar folgas.
2.2 Travamento com fixadores mecânicos
Uma maneira de evitar o afrouxamento é usar fixadores mecânicos para fixar e travar peças rosqueadas em peças conectadas, ou peças rosqueadas em outras peças rosqueadas. A eficácia deste método depende da resistência das fixações mecânicas.
No entanto, esta abordagem tem suas desvantagens. O peso da conexão de fixação aumenta e o processo de fabricação e instalação pode ser complicado. Além disso, a instalação mecânica nem sempre é viável.
Consulte a Fig. 2 para métodos comuns de travamento de fixadores mecânicos.
2.3 Aumentar o atrito
O objetivo de evitar folgas é alcançado aumentando o atrito entre as roscas ou entre as superfícies de apoio dos parafusos (parafusos) e porcas, ou ambos.
A maior vantagem deste método é que ele não é limitado pelo uso de espaço, podendo ser repetidamente montado e desmontado diversas vezes, podendo também ser montado mecanicamente.
Portanto, este método é o mais utilizado.
2.3.1 Porca dupla
Para evitar o afrouxamento, aperte duas porcas e parafusos da mesma altura, conforme mostrado na Figura 3.
O método de montagem consiste em primeiro apertar a porca interna a 80% do torque de montagem e depois apertar a porca externa a 100% do torque.
Esta técnica garante um ajuste confortável entre a porca e a rosca do parafuso, aumentando significativamente a resistência ao atrito anti-afrouxamento.
O modelo de utilidade é caracterizado por sua estrutura simples, montagem conveniente e excelente efeito anti-afrouxamento.
Porém, a desvantagem é que o peso aumenta devido à presença de duas porcas, sendo necessário um espaço de instalação mais significativo.
2.3.2 Porca de fixação e parafuso de fixação com extremidade dentada
As extremidades inferiores das cabeças das porcas e dos parafusos são serrilhadas ou serrilhadas. Isso é feito para incorporar “serrilhas” na superfície das peças conectadas quando a força de pré-aperto é aplicada (ver Fig. 4), o que aumenta a resistência ao atrito entre os contatos e tem um bom efeito anti-frouxidade.
A premissa deste método é aplicar força de pré-aperto suficiente aos fixadores, pois sem uma grande força de pré-aperto não haverá resistência ao atrito anti-afrouxamento entre as faces das extremidades. No entanto, este método não pode ser usado com arruelas e requer atenção à correspondência razoável de dureza. Geralmente, a dureza das peças fixadas deve ser inferior à dos fixadores.
A desvantagem deste método é que o dente de serra sob a face final pode facilmente danificar a superfície da peça conectada.
2.3.3 Arruelas elásticas
Vários tipos de arruelas são utilizados nas conexões roscadas, como arruelas de pressão, arruelas elásticas em forma de sela ou onduladas, arruelas de pressão em forma de dente, entre outras (ver Fig. 5).
O modelo de utilidade depende da tensão da mola da arruela ou da resistência ao atrito gerada pelo empenamento do dente para fornecer a função de travamento para a conexão roscada.
Este modelo possui estrutura simples, baixo custo e fácil usabilidade. No entanto, tem um efeito anti-afrouxamento fraco e é inadequado para peças sujeitas a impactos e vibrações severos.
2.3.4 Porcas e parafusos com torque efetivo
O termo “torque efetivo” refere-se à quantidade de torque que uma porca precisa aplicar antes de poder apertar e girar no parafuso. Em contraste com os fixadores roscados gerais, que podem girar livremente durante a marcha lenta antes de serem apertados, as contraporcas do tipo torque eficaz requerem um torque considerável para girar acima da cabeça.
Existem dois tipos de porcas de fixação com torque eficaz: porcas de fixação totalmente metálicas e porcas de fixação de inserção não metálicas.
(1) Torque efetivo tipo porca de fixação totalmente metálica
Este tipo de porca é criado estrangulando a extremidade superior da porca em um formato não circular ou ranhurando a extremidade superior da porca para diminuir localmente o diâmetro do encaixe e criar deformação. Essas alterações aumentam a resistência ao atrito entre as roscas correspondentes, resultando em um travamento firme do parafuso e da porca (consulte a Fig. 6). Este tipo de porca proporciona um bom efeito de travamento.
(2) Porca de fixação de inserção não metálica do tipo torque efetivo
O tipo de porca conhecido como contraporca com anel de náilon é embutido com um anel de náilon em sua extremidade superior (consulte a Fig. 7).
À medida que o parafuso é aparafusado, a rosca interna faz com que o anel de náilon se comprima.
O material de náilon, com sua alta elasticidade e resistência, oferece resistência ao atrito substancial e estável contra o parafuso e possui excelente capacidade de absorção de choque e amortecimento de vibrações.
Consequentemente, esta porca apresenta desempenho de travamento superior em comparação com porcas de travamento totalmente metálicas e possui excelente confiabilidade anti-afrouxamento.
Além disso, o material de náilon é resiliente, tornando-o adequado para montagens e desmontagens repetidas. Pode ser usado com parafusos de precisão e resistência variadas.
Uma desvantagem da contraporca com anel de náilon é que sua temperatura de uso é restrita pelo limite de temperatura do material de náilon, que geralmente está entre -50 e +100°C.
Temperaturas excessivas podem amolecer o material de náilon, enquanto temperaturas excessivamente baixas podem torná-lo quebradiço e acelerar o envelhecimento, causando reduções significativas no desempenho mecânico e de trabalho da contraporca.
(3) Porca de travamento frontal do flange de inserção não metálica
A porca mostrada na Figura 8 é uma porca flangeada com inserto não metálico, que proporciona uma área de contato aumentada. Este projeto combina os benefícios de uma contraporca de inserção não metálica e uma porca flangeada, resultando em desempenho anti-afrouxamento superior.
É importante notar que a resistência à temperatura da porca é limitada pela tolerância à temperatura do náilon.
(4) Parafuso com camada de travamento pré-revestida
Uma revisão profissional do seguinte conteúdo foi realizada:
O parafuso ou parafuso com uma camada de travamento pré-revestida refere-se a uma superfície roscada de um parafuso ou haste de parafuso revestida com uma camada de náilon ou outros materiais macromoleculares.
O princípio de travamento do parafuso ou parafuso é semelhante ao de uma contraporca com anel de náilon.
À medida que o parafuso é aparafusado na porca, a camada de náilon no perfil da rosca é comprimida e o material extrudado preenche a lacuna entre as roscas interna e externa. Isso aumenta o atrito e atinge o objetivo de travamento.
No entanto, é importante notar que atualmente não existe uma norma nacional para este produto.
3. Aplicação e revisão de métodos anti-afrouxamento
Existem vários métodos para evitar o afrouxamento dos fixadores roscados, que devem ser selecionados com base na situação específica em aplicações práticas.
É importante observar que arruelas de pressão e arruelas planas (consulte a Fig. 5), comumente usadas na indústria mecânica, não são ideais.
Estatísticas e testes antivibração de conexões roscadas mostraram que o desempenho antivibração e antiafrouxamento mais eficaz, e a maior vida útil antiafrouxamento, são alcançados com o uso de porcas de fixação de inserção não metálicas do tipo torque eficaz e tipo de torque eficaz porcas de fixação com flange de inserção não metálicas.
Mesmo após exposição prolongada a impactos e vibrações intensos, essas porcas não apresentam sinais de afrouxamento. Alguns especialistas estrangeiros referem-se a eles como “porcas de fixação que nunca se soltam”.
Uma desvantagem destas porcas é que a sua temperatura de utilização é limitada pela resistência à temperatura do material de nylon.
Atualmente, essas porcas são amplamente utilizadas em peças de automóveis que não suportam altas temperaturas.
Espera-se que, com os avanços tecnológicos, melhor compreensão e maior resistência à temperatura do náilon, essas nozes sejam utilizadas mais extensivamente.
