Resistência dos Materiais II: Elementos de Fixação Rosqueados

Transcrição

1 Resistência dos Materiais II: Elementos de Fixação Rosqueados Prof. Jorge A. R. Durán Enga. Mecânica UFF Volta Redonda June 15 1

2 Objetivos Analise das tensões geradas por carregamentos estáticos em elementos de fixação rosqueados. Fundamentos da seleção dos elementos de fixação rosqueados e aplicações ao projeto de componentes mecânicos. Bibliografia Principal Juvinall RC, Marshek KM (2012), Fundamentals of Machine Component Design. John Wiley & Sons, Inc, fifth edition, USA. June 15 2

3 Elementos de Fixação Rosqueados. June 15 3

4 Padrões de Roscas A figura mostra o arranjo básico de uma rosca helicoidal enrolada em um cilindro. Estas roscas são utilizadas em elementos de fixação rosqueados, em parafusos de potência e em parafusos sem fim. June 15 4

5 Geometria Padronizada das Roscas Unificada (polegadas) e ISO (métricas) para elementos de fixação Calibre de Rosca -> June 15 5

6 June 15 6

7 June 15 7

8 Espanamento nas roscas Tensão Cisalhante nas Roscas: Espessura necessária na porca (t=0.47d): Se obtém igualando a resistência ao escoamento no corpo do parafuso (devido a s=f/a t =S y ) com a resistência das roscas ao cisalhamento (devida às tensões de cisalhamento direto t eq.acima =S ys ). Devido o escoamento da primeira rosca e visando facilitar a distribuição da carga entre as demais roscas utiliza-se: t June d t d F 0.75t

9 Tipos Básicos de Elementos de Fixação Rosqueados Parafuso Parafuso e porca Parafuso sem cabeça e porca Barra rosqueada e porca June 15 9

10 Processos de Fabricação As roscas podem ser cortadas (mediante machos e processos usinagem) ou laminadas. June 15 10

11 Laminação de Roscas

12 Vantagens das Roscas Laminadas O processo de laminado a frio provoca endurecimento por deformação, cria raios de adoçamento na raiz e na crista das roscas e introduz tensões residuais compressivas na superfície do material, mais precisamente na raiz do perfil. Ao mesmo tempo há uma re-orientação dos grãos do material em direção à rosca laminada, enquanto que nas roscas cortadas ocorre a interrupção dos grãos. Estes fatores contribuem para que as roscas laminadas sejam mais resistentes do que as cortadas. June 15 12

13 Materiais June 15 13

14 Materiais June 15 14

15 Pré-Carga em Parafusos A carga de aperto inicial se especifica próxima da carga de teste plena: F 0. 9 A i Vantagens de um valor alto de Fi: Para parafusos sujeitos a força externa de separação das superfícies F e, quanto maior a F i menor será a queda na força compressiva que mantém estas superfícies unidas F c. Em juntas de cisalhamento quanto maior a précarga maior a força de atrito que evita o deslocamento relativo das peças. Maior atrito na interface porca-parafuso para evitar o afrouxamento da junta. June t S p

16 Pré-Carga em Parafusos Cargas e tensões devidas ao aperto inicial da porca. T 0.2 F d June i

17 Parafusos Sujeitos a Força Externa de Separação da União As variações relativas da força no parafuso F p e da força que une as placas F c após a aplicação da carga de serviço F e dependem da rigidez relativa envolvida. June 15 17

18 Parafusos Sujeitos a Força Externa de Separação da União June 15 18

19 June Parafusos Sujeitos a Força Externa de Separação da União Da figura anterior sabe-se que: onde as rigidezes k p e k c são: e c p c i c e c p p i p F k k k F F F k k k F F g A E k g E A k c c c p p p

20 Procedimento para estimativa da área efetiva dos componentes a serem unidos (para o cálculo do k c ). Área efetiva A c para parafusos com cabeça hexagonal padrão e pequenas folgas: A c d d 0.065g g 2... June 15 20

21 Junções de Cisalhamento. Localização do centro de movimento relativo entre os dois membros. Considere A i as áreas de um grupo de pinos ou parafusos. O ponto de rotação do pivô situa-se no centróide da distribuição de área das seções transversais: x y x y i A i i A A i i A i June 15 21

22 Junções de Cisalhamento (Shigley 7ª ed. P. 421) June '' C B A n n r r r M r F C C B B A A C C B B A A r F r F r F r F r F r F M '' '' '' '' '' '' 1...

23 Exemplos de cálculo de Parafusos para Carregamento estático. Exemplo p. 249 Juvinall 4a ed. Sejam dois componentes unidos com um parafuso conforme mostrado na figura. A rigidez do componente a ser fixado é seis vezes maior do que a rigidez do parafuso. O parafuso é pré-carregado até F i =1100 lb, enquanto que a força externa flutua entre 0 e 6000 lb. Construa um gráfico da força em função do tempo mostrando três ou mais flutuações da carga externa e as correspondentes curvas indicando as flutuações na carga total do parafuso F p e na força de união da junta F c. June 15 23

24 Exemplos Prob p. 251 Juvinall: A figura mostra um vaso de pressão fechado através de uma placa de extremidade com gaxeta. A pressão interna é suficientemente uniforme, de modo que o carregamento nos parafusos pode ser considerado estático. A pressão mínima na gaxeta, já incluindo o FS é 13 MPa. Para o cálculo da área da gaxeta despreze a área dos furos. June 15 24

25 Exemplos June 15 25

26 Exemplos Considerando que devam ser utilizados parafusos de 12, 16 e 20 mm de rosca grossa e fabricados de um aço SAE classe 8.8 ou 9.8, determine o número de parafusos necessários. Considerando que a relação entre o espaçamento dos parafusos e o diâmetro dos parafusos não deve ser superior a 10 para manter uma pressão apropriada, e se essa relação não deve ser inferior a 5 para propiciar uma distância conveniente para as chaves de aperto padronizadas, quais das dimensões de parafusos fornecidas geram um esquema satisfatório? June 15 26

27 Exemplos Prob Shigley 7ª ed. A bolted lap joint using SAE grade 8 bolts and members made of cold-drawn SAE 1040 steel is shown in the figure. Find the tensile shear load F that can be applied to this connection if the following factors of safety are specified: shear of bolts 3, bearing on bolts 2, bearing on members 2.5 and tension on members 3. June 15 27

28 Exemplos June 15 28

29 Exemplos Prob p. 524 Shigley 6ª ed.: Find the total shear load on each of the three bolts for the connection shown in the figure and compute the significant bolt shear stress. Find the second moment of area of the 8-mm plate on a section through the three bolt holes and find the maximum bending stress in the plate. June 15 29

30 Exemplos June 15 30

31 Exercícios Estudar exemplos resolvidos das seções 10.9 e do Juvinall 5ª ed. Resolver os problemas propostos das mesmas seções e referência. June 15 31