As notas a seguir são fornecidas somente como um guia. Recomenda-se que os valores de torque derivados de fórmulas não sejam usados sem comparação com os algarismos obtidos com o uso de testes práticos. Em geral, na maioria das aplicações, a confiabilidade da junta depende da capacidade do parafuso de fixar as peças. A fixação adequada previne o movimento relativo entre as peças da junta e o vazamento em juntas que contenham vedações. Medir a capacidade de fixação de um parafuso é difícil, especialmente sob condições de montagem de produção. A força de fixação gerada por um parafuso pode ser controlada indiretamente regulando-se o torque aplicado. Este método conhecido como controle de torque, é de longe o método mais popular de controle da força de fixação de um parafuso. A força de fixação inicial gerada pelo parafuso é com freqüência chamado de pré-carga. Existe uma ligação entre o torque aplicado a um parafuso e a pré-carga resultante. Há um problema no sentido de que a fricção tem uma grande influência sobre a quantidade de torque que é convertida em pré-carga. Além do torque necessário para tracionar o parafuso, o torque também é necessário para superar a fricção nas roscas e sob a face da porca. Normalmente, apenas de 10% a 15% do torque é utilizado para tracionar o parafuso. Do torque restante, 30% se dissipa nas roscas, e de 50% a 55% sob a face da porca. Devido ao fato de a fricção ser um fator tão importante na relação entre o torque e a pré-carga, as variações na fricção têm uma influência significativa na pré-carga do parafuso. Diferentes acabamentos de superfície do parafusos em geral te, diferentes valores de fricção. O torque necessário para um parafuso com encaixe sextavado externo não será o mesmo que aquele necessário para um parafuso hexagonal interno da mesma medida de rosca. A face de contato maior do parafuso de encaixe sextavado externo resultará que um torque maior será necessário, em comparação com um parafuso com encaixe hexagonal interno. Isto se deve ao fato de que mais torque está sendo dissipado entre a face da porca e a superfície da junta.

Tensões induzidas em um parafuso

Quando um parafuso é apertado a haste e a rosca sustentam uma tensão direta (tração) devido ao fato de este estar sendo esticado. Além disto, uma tensão torsional é induzida devido à ação do torque nas roscas. Estas duas tensões são combinadas em uma única tensão equivalente para permitir que possa ser feita uma comparação com a força de estiramento do parafuso.
Para utilizar efetivamente a força do parafuso, e ainda deixar alguma margem para qualquer carga que o parafuso pudesse sustentar em serviço, uma tensão equivalente a 90% do estiramento é geralmente usada. É esta abordagem que usamos neste guia. Esta abordagem tem várias vantagens sobre o método onde se presume um valor de tensão de tensão direta, e portanto também um valor de pré-carga no parafuso. Para valores elevados de fricção da rosca, resulta uma elevada tensão torsional no parafuso. Menos do que a força disponível do parafuso está sendo utilizada em tal caso para gerar pré-carga. No caso extremo quando uma porca tiver emperrada na rosca do parafuso, todo o torque aplicado é sustentado como tensão torsional com nenhuma pré-carga disponível. No outro extremo, uma baixa fricção na rosca resulta em pré-cargas mais elevadas.

Histórico

As informações a seguir são fornecidas para ajudar a estabelecer o valor teórico do torque para um fixador em particular. Deve-se ter muito cuidado ao usar valores teóricos porque a pré-carga e o torque são dependentes dos valores de fricção selecionados.

Terminologia

Obs.: Deve-se ter o cuidado de usar unidades consistentes até o fim.

Procedimento de Cálculo

As fórmulas usadas se aplicam as formas de rosca métricas e unificadas, que têm um ângulo de flanco de rosca de 60º. O procedimento de cálculo distingue entre a fricção da rosca e a fricção sob a cabeça, bem como as diferenças que podem ser causadas pelas variações de diâmetro da face de contato. O procedimento compreende os passos a seguir:

Passo 1

Detalhes do fixador. As dimensões e os graus de força são especificados em vários padrões. A Tabela 1 apresenta informações sobre resistência de parafusos; A classe mais comum para fixadores métricos é a classe 8.8. Estimar o coeficiente de fricção apropriado pode ser problemático. As Tabelas 2 e 3 podem ser usadas como um guia quando não houver outras informações disponíveis. As Tabelas 4 e 5 fornecem informações relevantes com relação às dimensões das roscas.

Passo 2

Determinações da tensão de tração na seção rosqueada. Para determinar a tensão de tração no fixador, primeiro estabeleça que proporção da força de estiramento que você deseja que o processo de aperto utilize. Normalmente um algarismo de 90% é aceitável, mas pode ser variado para corresponder à aplicação. Devido ao torque que está sendo aplicado às roscas, a torção reduz a tensão de tração disponível para gerar pré-carga. A fórmula a seguir pode ser usada para determinar a tensão de tração disponível para gerar pré carga. A fórmula a seguir pode ser usada para determinar a tensão de tração na rosca.

Passo 3

Estabeleça a pré-carga. A pré carga F está relacionada à tensão de tração direta por:

A área de tensão da rosca AS representa a efetiva seção da rosca. Ela está baseada na média do diâmetro primitivo (d2) e o menor (d3). Pode ser obtida a partir de tabelas ou calculada usando-se a fórmula:

Passo 4

Como pode ser visto nas tabelas 2 e 3, os limites superior e inferior para os valores de fricção são mencionados. Tradicionalmente, um valor de fricção médio é usado ao calcular o torque de aperto e o valor da pré-carga. Esteja ciente, no entanto, que para outras condições permanecerem constantes, quanto maior o valor da fricção, maior é o torque de aperto necessário e menor é a pré-carga resultante.
Determine o torque de aperto. A relação entre o torque de aperto T e a pré-carga do parafuso F é:

Se estiverem sendo usadas unidades de newtons e milímetro, T será em Nmm. Para converter a Nm, divida o valor por 1000. O diâmetro de fricção efetivo Df pode ser determinado usando-se a seguinte fórmula:

Para uma porca hexagonal padrão, Do é geralmente tomado como a dimensão do sextavado e Di* como o diâmetro do furo de passagem do parafuso (*Conforme DIN ISSO 273 nível médio).
Exemplo de Cálculo.
Como exemplo, as fórmulas acima serão usadas para determinar a pré-carga e o torque de aperto para um parafuso de cabeça hexagonal de grau 8.8 M16.

Passo 1

Estabelecer as dimensões e as condições de fricção. Os dados abaixo devem ser usados.
d2 = 14.701 mm d3 = 13.546 mm P = 2 mm T Tomado como 0,11 H Tomado como 0,16

Passo 2

Calcular a tensão de tração no fixador. Usar 90% de 640N.mm2 resulta em E = 576N/mm2, substituindo os valores na fórmula resulta em: T = 436,21 N/mm2.

Passo 3

Tomar a área de tensão As como 157 mm2, dá a pré-carga do parafuso F como sendo 68305 N.

Passo 4

Determinação do torque de aperto T
A) O diâmetro de fricção efetivo. Tomar Do = 24 mm e Di = 17.5 mm é igual a Df = 20.64 mm.
B) Usar os valores calculados dá um torque de aperto T de 198213 Nmm, que é 198,2 Nm.
Propriedade mecânicas dos fixadores.

O sistema de designação das propriedades das classes (graus de força) de fixadores métricos, consiste em um símbolo que compreende dois algarismos. O primeiro algarismo indica 1/100 do limite de ruptura por tração em Newton por milímetro quadrado. O segundo algarismo indica 10 vezes a razão entre a tensão de escoamento e a tensão de ruptura. A multiplicação dos dois algarismos dará 1/10 da tensão de escoamento em newtons por milímetro quadrado. Portanto um fixador de classe 10,9 tem uma tensão de ruptura de 1000N/mm. (o primeiro algarismo multiplicado por 100) e uma tensão de escoamento de 900 N/mm2 (ambos os algarismo multiplicados um pelo outro e por 10). A tensão de escoamento e a tensão de ruptura deverão ser iguais a ou maiores do que os valores calculados.

Coeficiente de fricção da rosca.
Nesta tabela são apresentados valores orientados para o coeficiente de fricção nas roscas para várias condições de acabamento de superfícies. Os limites normais superior e inferior estão mostrados na tabela. Deve-se tomar cuidado para garantir que os valores sejam válidos a sua aplicação. Há uma quantidade de efeitos (tais como graxa nas roscas) que podem resultar em que o verdadeiro coeficiente de rosca esteja fora dos limites cotados.

• Certas travas químicas para roscas podem gerar valore de fricção de rosca muito elevados. Verifique os dados do fabricante. Os valores são somente para orientação, para aplicações críticas a dispersão no coeficiente de fricção deve ser determinada experimentalmente.

Lubrificantes especialistas para roscas, tais como dissulfeto de molibdênio podem reduzir a fricção da rosca e também a dispersão friccional. Deve-se buscar orientação do fabricante por exemplo a Molykote. Com alguns materiais, tais como certos tipos de aço inoxidável, pode ocorrer a solda a frio, resultando em valores de fricção muito elevados. Em tais circunstâncias, os lubrificantes específicos para roscas podem ser essenciais.

Coeficiente de fricção sob a cabeça

Assim como com a fricção da rosca os valores são somente orientados e deve-se exercer cuidado no seu uso. Há uma quantidade de efeitos (tais como graxa ou óleo na superfície) que podem fazer com que o valor verdadeiro da fricção sob a cabeça esteja fora dos limites cotados.

Intervalos na tabela indicam a não disponibilidade de dados publicados. Existem poucas informações publicadas sobre o coeficiente de fricção sob a cabeça nos fixadores usados em superfícies cobertas. Um estudo relatou que o valor médio de fricção sob a cabeça em uma superfície cobertas era de 0,21 com um limite extremo de 0,10 a 0,32.