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Jan 31, 2024

Análise de juntas aparafusadas para carga de fixação e tensão na junta

Figura 1. Esta captura de tela mostra a análise FEA de um diferencial automotivo

Figura 1. Esta captura de tela mostra a análise FEA de uma carcaça de diferencial automotivo sob carga esperada. Como costuma acontecer, a maior tensão é devida à tensão do parafuso (neste caso, atuando nos dois orifícios roscados). Foto cortesia do Centro de Pesquisa Keweenaw

Este gráfico compara a pressão de contato versus resistência à compressão para um parafuso de cabeça hexagonal e um parafuso de cabeça flangeada. As regiões de pressão de contato são baseadas na suposição de carga uniforme de 75 por cento da carga mínima de prova em áreas de contato de 0,18 e 0,52 polegada quadrada. A borda superior e inferior de cada região é a pressão exercida por um parafuso de Grau 8 e Grau 5, respectivamente. Fonte: Engenharia da Peak Innovations

Essas varreduras de filme sensível à pressão mostram a distribuição de pressão sob a cabeça de um parafuso de ½ polegada tensionado a 5.000 libras. Foto cedida pela Peak Innovations Engineering

Estas fotos do filme sensível à pressão mostram a distribuição de pressão na superfície do rolamento de uma porca de flange hexagonal (superior) e parafusos de flange hexagonal de dois fornecedores diferentes (meio e inferior). Este estudo foi realizado quando o parafuso de flange hexagonal usado na Figura 3 inesperadamente mostrou pressão concentrada na borda do orifício de folga em vez do diâmetro externo do flange. Foto cedida pela Peak Innovations Engineering

Este gráfico ilustra o problema da carga de fixação desigual, mostrando a distribuição de pressão em dois cilindros (2,25 polegadas de diâmetro e 2 polegadas de comprimento) presos por um parafuso e porca de ½ polegada-13. Mesmo com essa espessura, o pico de pressão ainda é 40% maior do que seria previsto dividindo a tensão do parafuso pela área de contato nas faces da junta. Gráfico cortesia da Peak Innovations Engineering

Esta análise FEA mostra a tensão nas roscas dos parafusos correspondentes. Fonte: "Análise de tensão de juntas parafusadas", László Molnár, et. al.

Figura 7. Este gráfico resume o engate de rosca estimado em relação ao diâmetro nominal do fixador para vários materiais de membros de porca comuns. Foto cedida pela Peak Innovations Engineering

Muitas considerações importantes no desenvolvimento de juntas aparafusadas são frequentemente negligenciadas. Embora estimar a tensão do parafuso alcançada para uma determinada estratégia de aperto seja certamente um foco comum, o efeito da carga nos componentes da junta é menos discutido e compreendido.

Uma das razões pelas quais os fixadores roscados são tão amplamente utilizados é que eles podem gerar uma quantidade enorme de carga de fixação em uma pequena área. A carga de fixação é central porque é o mecanismo pelo qual os componentes da junta são mantidos juntos sem se moverem um em relação ao outro - sem dúvida o principal requisito de uma junta estrutural. No entanto, colocar uma grande carga em uma pequena área cria um alto nível de estresse, o que, por sua vez, pode levar a problemas. Por exemplo, um parafuso ½ - 20 Grau 8 pode fornecer quase 20.000 libras de carga de fixação. Um rolamento de cabeça hexagonal padrão em um orifício de folga padrão de 9/16 polegadas significa que toda essa carga atuaria em uma área com apenas metade do tamanho de uma moeda de dez centavos. A tensão resultante excede o limite de escoamento da maioria dos materiais. Uma analogia é o efeito que os saltos altos podem ter em pisos de madeira.

Este artigo examinará o impacto da tensão do parafuso nas duas áreas opostas sobre as quais essa carga é distribuída - sob a cabeça ou porca e nas roscas correspondentes. Por exemplo, a Figura 1 mostra uma análise de elementos finitos (FEA) de uma carcaça de diferencial automotivo. Como costuma acontecer, as maiores tensões atuam nos furos roscados.

Com exceção de não testar para determinar a tensão do parafuso e a carga de fixação resultante, exceder a resistência à compressão do material sob a cabeça do parafuso ou porca é o desvio mais comum da prática de projeto recomendada. O objetivo mais comum para o aperto do parafuso é atingir 75 por cento da carga de prova do parafuso. Usando um parafuso de cabeça hexagonal de ½-13 para ilustração, a Figura 2 resume a pressão que seria gerada pela tensão do parafuso no material correspondente, assumindo um orifício de folga padrão de 9/16 pol. Em seguida, ele compara essa pressão com a resistência à compressão estimada de membros de fixação de aço comum com uma faixa de dureza.