Introdução ao estudo do torque:
Considerando-se
a questão da segurança, confiabilidade em fim, a qualidade na indústria de máquinas
e equipamentos, desencadeou-se nos últimos anos um interesse muito grande no estudo
sobre juntas aparafusadas.
A
montagem de um conjunto mecânico sempre depende da qualidade de fixação dos componentes
que resultam em juntas, que intrinsecamente depende de seus elementos de ligação,
como os parafusos na maioria dos casos e das juntas, para garantir o sucesso
desta união é necessário que se tenha uma força de fixação adequada.
Se
tivermos erros nos procedimentos teremos certamente problemas com nosso
conjunto mecânico.
No
procedimento de montagem de um conjunto mecânico é necessário ter-se bem claro
a reposta de três perguntas básicas:
1. Qual é a força?
2. Como obter a força?
3. Como manter a força?
A
tentativa de domínio sobre essas três variáveis tem sido uma constante, pois
somente a partir dos anos 60 é que ocorreram evoluções consideráveis nessa
tecnologia.
Os
maiores avanços teóricos no campo da análise da deflexão de cargas em juntas aparafusadas
complexas, puderam ser vistos na Europa mais precisamente na Alemanha.
Considerando
que o nível de exigência dos consumidores é cada vez maior, o desenvolvimento e
avanço tecnológico continuam crescendo cada vez mais nessa área.
Objetivo da Força de Fixação
Numa
junta rigidamente fixada por parafusos é preciso aplicar e manter-se uma força
tensora prévia, suficientemente grande, para assegurar as partes do conjunto
sem que ocorram deslocamentos axiais, transversais ou unilaterais, quando em
serviço.
A
força tensora prévia deve ser mantida sob quaisquer condições de trabalho, para
garantir que tensões de fadiga axial e de flexão fiquem dentro dos parâmetros
definidos por projetos, não ultrapassando os níveis de resistência do fixador.
As
perdas de pré-carga podem ocorrer por:
1. Deformação plástica
da superfície de apoio da cabeça do parafuso (porca) contra a superfície de
assentamento.
2. Auto
desaparafusamento do fixador.
A
deformação do parafuso ocorre por causa da ação de forças transversais.
Motivos pelos quais pode ocorrer
afrouxamento:
- Perda
da rigidez da estrutura do conjunto;
- Relaxamento
da junta;
- Torque
baixo;
- Dilatação
térmica;
- Trepidação
(vibrações).
Juntas
Em uma
montagem entende-se por junta, a união desmontável de dois ou mais componentes,
por um elemento de fixação, geralmente parafusos.
De
acordo com o elemento de ligação utilizado para fixação da junta elas podem
ser:
- Soldadas;
- Coladas;
- Rebitadas;
- Encaixadas;
- Aparafusadas.
Os tipos de
juntas são Indicados pelos ângulos de rotação do fixador; classificados em:
A (30º), a chamada junta rígida;
B
(180º), denominada de junta semi-rígida;
C (350º), conhecida com junta
semi-flexível;
D (720º), a junta flexível.
Junta Rígida -
É aquela na qual o ângulo entre o início e o final do aperto é < 30°,
(fixador solto a fixador com Torque final) < 30º.
Junta Flexível -
É a junta na qual o ângulo de giro do fixador é > 720º entre a posição solta
e a de Torque final.
Juntas aparafusadas –
algumas vantagens das juntas unidas por parafuso:
1. Facilidade de montagem;
2. Rapidez na montagem;
3. Acesso fácil e rápido
para manutenção;
4. Métodos melhores para
controlar a qualidade da união;
5. Menor custo;
6. Rápida troca de
componentes, quando um problema é identificado.
Os
parafusos e suas forças tensoras pré-calculadas têm por objetivo manter a peça
montada, atendendo funções a ela determinadas.
Torque
Definição - é a força
de rotação. Expresso em Lbf. Pé, Lbf.pol, N.m, kgf.m ou ainda Kgf.cm, significa
que, com uma chave de 1 metro de comprimento aplicando-se uma força de 27 newton
teremos um torque de 27 N.m num fixador.
Teremos
o mesmo torque se aplicarmos 20 libras com uma chave de 1 pé de comprimento, uma
vez que 20 Lb.pé equivale a 27 N.m.
Quando
se aplica um torque sobre um fixador na montagem, ele aperta as peças do conjunto,
e as comprime.
O torque é o resultado da energia
aplicada, considerando: o atrito, alongamento do parafuso e a
resistência de montagem.
T =
K.D.P
T = torque
(Nm; Lb.pé; Lb.pol.)
K = Fator
de atrito
D = Diâmetro
nominal (mm, pol.)
P = Tensão
(N.Lbs)
Força de Aperto – é a compressão. É
expressa em newtons (N), quilogrametros (kgm) ou libras (lb). Alguns Nxm de
torque se transformam em um montão de newtons de força de aperto. Nem todo o
torque, entretanto, se transforma em força de aperto.
Atrito - é para onde
vai parte do torque aplicado. Existe atrito entre o fixador e as superfícies da
cabeça ou porca, e as peças que estão sendo apertadas. O atrito é necessário
para que o conjunto montado não se desaperte.
Se o
conjunto for submetido a cargas de choques altos ou vibrações, pode ser que a
força de aperto ceda momentaneamente, diminuindo também o atrito e permitindo
assim que se solte a fixação. Para prevenir tal ocorrência, os fixadores e
porcas são seguros com algum tipo de trava, após o ajuste.
Outro modo de preservar a força de
atrito é aumentar a interferência entre as partes rosqueadas, usando breu ou
colocando materiais elásticos, tais como nylon e teflon, entre as superfícies
rosqueadas.
Tudo
isso aumenta o torque durante o uso, e no aperto final, exceção feitas aos
anaeróbicos, que são líquidos que endurecem depressa na ausência de ar na
condição de montagem.
Torque
Primário/Dominante – é este aumento de torque durante o uso que interfere no aperto
final. Os fixadores auto-atarrachantes necessitam um torque extra durante o
uso, para manter o atrito depois que as roscas são formadas.
Se o
atrito varia de uma aplicação à outra, não poderemos saber quanta força de
aperto será gerada por um determinado torque. Para controlá-la, temos que
controlar o torque e o atrito.
Quando
as peças estão unidas com um fixador rosqueado, elas estão comprimidas, e
o fixador tencionado.
Tensão
- Também se mede em newtons ou libras, sendo igual à força de aperto numa dada montagem.
Tendo em mãos a relação torque-tensão, dizemos que é a relação entre a força de
rotação e a de aperto.
Um
fixador de dado tamanho tem uma seção transversal de área expressa em
centímetros quadrados (cm²) ou polegadas quadradas (pol²). Quando o fixador
está tencionado, está sujeito a uma quantidade de newtons por metro quadrado
(N/m²) ou libras por polegada quadrada (PSI); estando sob tensão, o fixador se
alonga. Livre da tensão, ele retorna ao comprimento original (elasticidade).
Pré-carga - é o
estiramento do fixador tencionado. Quando um conjunto está sujeito a cargas de
alto choque ou vibrações, um fixador pré-carregado (estirado) pode acompanhar a
mudança momentânea na dimensão das peças apertadas, mantendo a força de atrito
nas dimensões das peças apertadas, mantendo a força de atrito nas superfícies e
roscas, evitando assim que o fixador se solte.
A
pré-carga não é eficaz em fixadores muito curtos, pois esses não se estiram
tanto quanto os de maiores comprimento. Pode ocorrer que um fixador seja
estirado além do seu limite de elasticidade.
Alongamento ou Limite –
é como se denomina esta condição. Quando se tenciona o fixador até o seu limite
elástico, liberando-se a tensão em seguida, ele acaba ficando mais comprido que
de início. Estirando-se ainda mais, além do limite elástico, ele se rompe.
Cada
tipo de material - aço, aço temperado, bronze, alumínio, ferro fundido, etc.
possuem um limite elástico próprio, expresso em N/m² ou PSI. O limite de
resistência à tensão também é dado em N/m² ou PSI.
Torque Dinâmico -
é o torque medido quando o fixador ainda está girando. Também conhecido por
torque aplicado.
Quando
se aplica um torque a um fixador rotativo, a tensão aumenta no fixador, assim
como a força de aperto; as roscas deslizam uma pela outra e a face do fixador,
abaixo da cabeça do parafuso ou porca, desliza contra a área de aperto.
Torque
Dinâmico ou Aplicado de Pico - é o torque dinâmico máximo aplicado a um
fixador.
Torque Estático -
é o torque necessário para que se reinicie o giro de um fixador no sentido do
aperto. Para tanto, é preciso vencer o atrito estático que acaba sendo mais
alto que o dinâmico.
Por
outro lado, as experiências têm mostrado que a relação torque-tensão fica mais
confiável quando se usam medidas de torque dinâmico que com torque estático,
pois o atrito de deslizamento é mais uniforme de uma aplicação à outra que o
atrito estático.
Valor do Torque - é a quantidade de newton
x metro (ou libra x pé) em que aumenta o torque por rotação. Um parafuso de
giro livre não tem valor de torque.
Quando
a cabeça do parafuso está sob trabalho, o torque pode aumentar em 30 Nxm, por exemplo,
num giro de 90º ou 1/4 de volta. O valor do torque, neste caso, será de 120 Nxm
por rotação.
Na
prática, o valor do torque raramente é constante, principalmente no início de
um aperto, quando as peças ou componentes estão sendo apertadas pela primeira
vez.
No
exemplo anterior, pode ser que o torque tenha alcançado uns 5 Nxm nos primeiros
30º, 15 nos 30º seguintes, talvez 30 nos últimos 30º. O valor do torque seria,
nos primeiros 30º, 60 Nxm por rotação; nos seguintes 30º, nos quais o torque aumentou
de 5 a 15 Nxm, o valor do torque seria 120 Nxm por rotação; e nos últimos 30º,
com aumento de 15 a 30 Nxm, o valor do torque seria de 180 Nxm por rotação.
Uma
forma de classificar o valor do torque numa operação é a de ignorar o valor
alternante de torque, como fizemos no 1º exemplo, no qual o torque foi de 0 a
30 Nxm no aperto em 90º, e considerá-lo como valor médio de torque de 120 Nxm.
Outra
forma de classificar o valor do torque é a de ignorar o ângulo de giro até que
tenha sido alcançada a metade do torque final, medindo então o valor do torque
partindo do ponto médio até o final.
Este
método elimina a parte mais variável do ciclo de aperto, mas pode ser enganosa
quando da aplicação de ferramentas a trabalhos reais. Alguns apertos vão de
solto a apertado muito depressa.
Aperto Pesado -
define-se como aperto pesado àquele que passa de solto apertado em 60º ou
menos.
Aperto Leve -
é o definido como o que passa de solto a apertado em uma rotação ou mais.
Uma
forma simples de medir-se o ângulo de giro é uma aparelhagem de transporte.
Para medir eletronicamente o torque, é preciso um transdutor e um medidor.
Transdutor de Torque -
O transdutor mais comum é um medidor de deformações. É um fio fino, rigidamente
ligado a uma superfície; há uma corrente passando através do fio.
Ao
deformar-se a superfície, o fio também se deforma, aumentando sua resistência
elétrica e a voltagem que passa por ele. Esta diferença de voltagem é aplicada
e medida com um medidor conveniente.
Transdutor Rotativo de Torque -
possui um medidor de deformações ligado a um eixo rotativo, suportado por anéis
flutuantes e munido de carvões que captam o sinal elétrico quando o eixo está
sob tensão, estendendo a área e transmitindo torque a um fixador.
A resistência
do medidor de deformações muda proporcionalmente ao torque, ajustado para medições
em Nxm ou Lbxpé. É comum que os medidores tenham circuitos para mostrar o torque
de pico e mantê-lo até o próximo aperto.
Transdutor de Reação de Torque - nele,
o medidor de deformações está ligado a uma caixa estacionária que conduz a
reação ao torque proporcional ao torque no eixo rotativo, aplicado torque ao
fixador.
Codificador
Angular - é um aparelho elétrico para medir o ângulo de giro (rotação)
quando um fixador está sendo apertado.
Há
modelos com engrenagens providas de microfones captadores magnéticos, que
sentem a passagem de cada dente.
Outros
usam um diodo com luz que atravessa um disco ranhurado rotativo, com uma fotocélula
de captação oposta ao diodo, para sentir a interrupção da luz.
As
pulsações do codificador são lidas em graus de rotação num medidor apropriadamente
ajustado, ou podem ser combinadas com as informações de torque a partir do
transdutor de torque, num display de microcomputador que mostra o valor do
torque.
Ferramentas Mecânicas -
são usadas para firmar os fixadores, em produções de grandes quantidades. As
ferramentas pneumáticas são comumente usadas em virtude da sua alta potência,
fazendo com que sejam mais úteis.
Chave de Impacto -
é uma ferramenta muito eficaz para prender fixadores, porém o torque não é
muito preciso.
As chaves de impacto apertam fixadores com
grande velocidade, até que se encontre uma pequena resistência.
Um
mecanismo de escape, na embreagem da chave de impacto, libera o eixo propulsor
[com seu próprio impulsor] do motor pneumático rotativo.
O eixo
e o fixador deixam totalmente de girar, enquanto o motor acelera, geralmente
num giro completo, enviando ar ao eixo e fixador parados.
O eixo e o fixador movem-se para frente,
contra a resistência (torque), até consumir toda a energia do ar.
Aí, o
eixo e o fixador param de novos; o motor e a embreagem fazem um novo escape, o
motor se acelera livre da carga de torque por mais um giro, e manda mais um
golpe de impacto.
Cada
golpe contém a energia da massa efetiva do motor e das peças da embreagem, multiplicada
pelo quadrado da velocidade no impacto. Este é um valor constante para cada golpe.
Ao começar o aperto, o avanço do fixador a
cada golpe é maior, enquanto a força é menor. À medida que prossegue o aperto,
o avanço do fixador vai ficando cada vez menor, enquanto o torque vai
aumentando cada vez mais.
Se a
chave estiver bem fixa, no fim o fixador deixa de girar, e a energia de cada um
dos golpes é absorvida pela torção das peças e da chave, sendo convertida em
calor.
Esta é
a função cabal da chave. Na vida prática, o operador deixa que a chave golpeie
umas poucas vezes somente e, pensando que o fixador já esteja suficientemente
apertado, passa ao trabalho seguinte. Assim é que, na prática, o torque do
fixador é determinado pelo operador.
Até
mesmo o operador mais experiente possui pouco controle sobre o torque, só que
há um problema crucial no aperto de fixadores com chaves de impacto: não existe
uma boa forma de se medir o torque.
Como o
fixador para entre os golpes, e tem que reiniciar o avanço a cada golpe,
qualquer medição de torque durante o aperto é medida de torque estático e, como
já vimos antes, a medição do torque estático entrega uma indicação imprecisa da
força de aperto.
Dispersão - para se
obter leituras de torque dinâmico com uniformidade numa operação média, a
dispersão deve estar dentro dos 10% da média de torques da ferramenta.
Torque Médio -
a dispersão segue uma distribuição normal em torno da média, numa curva normal
em forma de sino. A partir de um nº de medidas de torque numa ferramenta,
pode-se fazer uma medição do total da dispersão.
Momento Torsional de Torque -
é como se chama o torque médio de uma ferramenta num trabalho suave; é
especificado para as condições normais de pressão atmosférica, numa rede com
6,2 bares (90 PSI) ou, algumas vezes, de 5,8 bares (85 PSI).
As
medidas de torque, da mesma ferramenta em trabalhos suaves e pesados,
geralmente mostram que o momento torsional de torque é mais alto em trabalhos
pesados que nos leves.
Mudança
Média - é o nome dado a esta variação de torque entre um trabalho leve e um pesado.
A mudança média pode ser um grande responsável pela dispersão do torque num aperto,
respondendo por 100% ou até mais, a não ser se modifiquem os projetos das ferramentas
para minimizá-lo. Quando uma ferramenta encontra um trabalho pesado, menos de
60º de solto a apertado, os elementos que estão girando a grandes rotações
dentro da ferramenta deve se livrar de sua energia cinética muito depressa.
Porque controlar o torque (os 10 mandamentos)
1. Melhorar a
integridade da união;
2. Eliminar falhas de
montagem;
3. Reduzir influência do
operador;
4. Diminuir dimensões do
fixador;
5. Melhorar qualidade na
montagem;
6. Diminuir inspeções manuais;
7. Imprimir dados e
documentá-los
8. Reduzir queixas de
clientes;
9. Diminuir custos de
retrabalhos;
10. Aumentar a duração
do produto;