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Time for Learning - Bielas: A Importância dos Parafusos
Time for Learning - Bielas: A Importância dos Parafusos
05/07/2023
Inicialmente é necessário compreender do que se trata uma junta aparafusada e qual a sua função nas suas diversas aplicações. Uma junta aparafusada ou uma junta rigidamente fixada são uniões desmontáveis compostas pela junção de duas ou mais placas de materiais de resistência mecânica elevada, através de elementos roscados, onde exista uma interface de contato entre essas placas, como mostra a imagem abaixo:
 
Figura 1 - Junta Aparafusada (Clique aqui para visualizar)

Uma das aplicações feitas com as juntas aparafusadas que podemos citar é na biela (conforme mostrado na imagem acima). Resumidamente, a biela é um dos componentes cruciais para o funcionamento de um motor, tem a função de unir os pistões ao virabrequim e transformar um movimento retilíneo alternado em um movimento circular contínuo, ou de forma simplificada, converte um movimento de "sobe e desce" em um movimento rotativo (Figura 2).
  
Figura 2 - Princípio de funcionamento da Biela (Clique aqui para visualizar)

Os fixadores utilizados em bielas desempenham uma função extremamente importante (união da capa com a haste da biela) e devem ser muito bem dimensionados e fabricados, uma vez que são altamente solicitados em carregamentos cíclicos, ou seja, estão suscetíveis a falhas por fadiga.  Especialmente para parafusos críticos, diversos fatores são considerados, porém alguns pontos devem ter maior enfoque, pensando nos carregamentos da aplicação final.
Quando dimensionamos um aperto para juntas carregadas axialmente, nosso principal objetivo é evitar que a junta se abra. Quando há uma excentricidade do carregamento, essa abertura se inicia de forma unilateral e quando isso ocorre toda a força de trabalho é absorvida pelo parafuso, sobrecarregando o mesmo e o levando à falha. 
A abertura unilateral da interface causa um substancial aumento de tensões no parafuso em função da força axial e da flexão. Os requisitos necessários para evitar a abertura unilateral da interface, que afetaria a segurança da junta, passam por uma decisiva determinação da grandeza da força tensora de montagem aplicada.
Mal dimensionamento das forças atuantes no fixador: A fim de analisar o comportamento do fixador, quando submetido à esforços excessivos, uma biela foi simulada com a soltura inicial de um fixador, sendo o segundo parafuso responsável pela união da junta.
 
Figura 3 - Forças atuantes na biela (Clique aqui para visualizar)

A partir da simulação, pode-se notar o início da abertura unilateral da junta com o carregamento da aplicação e posterior falha do fixador por sobrecarga. Nessa simulação, é possível notar que o local da falha é próximo ao primeiro filete de rosca engajada, onde há a maior concentração de tensão, como mostra a animação abaixo:

Figura 4 - Ruptura do parafuso de Biela (Clique aqui para visualizar)

Com a simulação, é possível verificar a importância do dimensionamento correto do parafuso, pois uma vez que a força de união gerada da montagem não é suficiente para manter a junta unida, inicia-se uma abertura unilateral e, consequentemente, a falha do parafuso ocorre na sequência.

Controle de Qualidade no Processo:

Defeitos Superficiais: Dificilmente encontraremos algum material isento de defeitos superficiais, porém, é necessário realizar o controle de certos defeitos superficiais em fixadores, o que garante a qualidade e a segurança da aplicação. Algumas normas de propriedades mecânicas determinam os limites aceitáveis das descontinuidades superficiais, como por exemplo a ISO898-1 que referencia as normas ISO6157-1 e ISO6157-3, essas variam os níveis de descontinuidades que podem ser encontrados, dependendo da aplicação do parafuso e sua classe de resistência; abaixo é possível visualizar um parafuso com dobras na rosca.
Para aplicações suscetíveis a falhas por fadiga, é importante a realização de um controle adequado do processo, especialmente em defeitos na rosca do parafuso, como as dobras de laminação, que podem ser pontos de nucleação e propagação de trincas por fadiga. 
 
Figura 5 - Dobras na rosca de um fixador (Clique aqui para visualizar)

Laminação de Rosca:  O aumento direto da resistência à fadiga de um parafuso é somente possível num campo muito limitado, devido à influência do efeito do fator de entalhe devido ao formato da região roscada. A opção mais viável e eficaz para possibilitar o aumento da resistência à fadiga de um parafuso é realizando a laminação de rosca após o tratamento térmico, desta forma, através da tensão compressiva induzida nos filetes de rosca durante o processo de fabricação, há um incremento da resistência a cargas alternados no fixador de pelo menos 40%.
  
Figura 6 - Comparativo entre rosca rolada antes e após tratamento térmico. (Clique aqui para visualizar)

Referências:
Marcelo, (Portal Auto). O que é Biela, 2016. Disponível em: https://portalauto.com.br/manutencao/biela/. Acesso em: 30/05/2023 
Reunidas Motores. Motor, [s.d.]. Disponível em: https://www.reunidasmotores.com.br/dicas.php/. Acesso em: 30/05/2023
Metalac SPS, Curso Avançado de fixadores roscados e juntas aparafusadas. 2016.
Metalac SPS, Relatório 1647_2009_GMB - Dobras na Rosca. 2009.