Métodos para melhorar a resistência das conexões aparafusadas

Nas ligações aparafusadas do tipo tensão, a resistência total da junta é determinada principalmente pela capacidade de carga do próprio parafuso. A resistência do parafuso é afetada por vários fatores, incluindo propriedades do material, forma estrutural, parâmetros dimensionais, processos de fabricação e técnicas de montagem. Para melhorar efetivamente a capacidade de suporte, a resistência à fadiga e a confiabilidade geral das conexões aparafusadas, o aumento da resistência pode ser alcançado através da otimização estrutural, melhoria de processos e padronização de montagem. Este artigo apresenta sistematicamente as principais medidas técnicas para melhorar a resistência das ligações aparafusadas.

01 Melhorando a distribuição de carga entre os dentes da rosca

Quando são usadas porcas comuns padrão, a carga axial é distribuída de forma desigual entre cada volta de rosca engatada. Começando pela superfície de apoio da porca, a primeira rosca suporta a maior parte da carga e a carga diminui gradualmente nas roscas subsequentes. A análise teórica e a verificação experimental mostram que um maior número de voltas de rosca engatadas leva a irregularidades de carga mais severas. As roscas além da 8ª a 10ª voltas quase não suportam qualquer carga. Portanto, simplesmente aumentar a espessura da porca e as voltas de engate da rosca não pode melhorar a resistência das conexões aparafusadas.

As porcas de tensão suspensas podem melhorar significativamente a distribuição da carga da linha. A seção suspensa cônica da porca e a haste do parafuso sofrem deformação por tração síncrona, reduzindo a diferença de deformação de passo entre aporca e parafuso, conseguindo assim uma distribuição uniforme de carga em todas as roscas engajadas. As porcas com ranhuras em anel operam com um princípio semelhante, equalizando efetivamente a tensão da rosca, melhorando a eficiência do engate da rosca e aumentando a resistência geral da conexão.

02 Evitando e Reduzindo Tensão de Flexão Adicional

Nos processos de projeto, usinagem e montagem, os parafusos estão sujeitos a tensões adicionais de flexão causadas por erros estruturais, desvios de usinagem e instalação fora do padrão. A tensão de flexão adicional deteriora grandemente a resistência à fadiga do parafuso e serve como uma das principais causas de fratura do parafuso, que deve ser eliminada nas práticas de projeto e montagem.

Quando os parafusos são instalados em superfícies ásperas não usinadas de peças fundidas ou forjadas, superfícies de contato irregulares facilmente causam carga excêntrica e flexão do parafuso. Em aplicações de engenharia, ressaltos e assentos rebaixados são comumente adotados com corte de precisão para formar superfícies de rolamento planas. Isto garante o ajuste completo da superfície, elimina a excentricidade da montagem e evita a geração de tensões de flexão adicionais.

03 Reduzindo a concentração de tensão estrutural

As raízes da rosca e a zona de transição entre a cabeça do parafuso e a haste são regiões típicas de concentração de tensão e posições críticas propensas a falhas. Entre estas áreas, a concentração de tensão nas raízes da rosca tem o impacto mais significativo na resistência à fadiga do parafuso. Otimizar a geometria estrutural para aliviar a concentração de tensões é essencial para estenderparafusovida de fadiga.

As medidas comuns de otimização incluem aumentar o raio do filete das raízes da rosca para mitigar os picos de tensão locais, ampliar o filete de transição entre a cabeça do parafuso e a haste e projetar ranhuras de alívio de tensão e entalhes de alívio em posições de alta tensão. Esses métodos dispersam a tensão concentrada, reduzem os valores de tensão de pico e melhoram a resistência à fratura do parafuso.

04 Reduzindo a amplitude do estresse para melhorar o desempenho da fadiga

Sob uma tensão de trabalho máxima constante, uma amplitude de tensão menor resulta em melhor desempenho em fadiga e maior vida útil em fadiga. Com carga de trabalho constante e pré-carga residual, reduzir a rigidez do parafuso ou aumentar a rigidez dos componentes conectados pode efetivamente reduzir a amplitude da tensão e aumentar a resistência à fadiga. Nesses casos, a pré-carga deve ser aumentada adequadamente para garantir a confiabilidade da conexão.

Os métodos comuns para reduzir a rigidez do parafuso incluem aumentar o comprimento efetivo do parafuso, reduzir moderadamente o diâmetro da haste lisa, adotar estruturas de parafuso flexíveis ocas e instalar elementos elásticos sob a porca para obter um efeito de parafuso flexível. Os parafusos flexíveis apresentam grande capacidade de deformação e excelente absorção de energia, tornando-os adequados para condições de trabalho com cargas de impacto e vibração.

Para melhorar a rigidez dos componentes conectados, juntas deformáveis ​​de baixa rigidez devem ser evitadas, pois a compressão da junta aumenta a disparidade de rigidez e aumenta a amplitude de tensão do parafuso. Para conexões de vedação, anéis de vedação de alta estabilidade são preferidos para manter a rigidez geral da conexão e otimizar a distribuição de tensão.

05 Otimizando Processos de Fabricação de Parafusos

Os processos de fabricação determinam diretamente a microestrutura superficial, o estado de tensão residual e o desempenho à fadiga dos parafusos, especialmente paraparafusos de aço de alta resistência. A laminação de roscas introduz o endurecimento da superfície, forma linhas de fluxo de metal contínuas e intactas e gera uma tensão residual compressiva benéfica na superfície da rosca. As roscas laminadas apresentam resistência à fadiga substancialmente maior em comparação com as roscas torneadas convencionalmente.

Além disso, tratamentos de reforço de superfície, como carbonitretação, nitretação e shot peening, podem refinar microestruturas superficiais, eliminar microdefeitos superficiais e introduzir tensão de compressão residual uniforme. Esses tratamentos inibem o início e a propagação de trincas por fadiga e melhoram significativamente a resistência à fadiga e o desempenho geral de suporte de carga dos parafusos.