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Edição 08
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Artigos: Conceitos gerais sobre Torque e Processos de Torque / Parte 2, por Dr. Roberto Garcia
28/02/2008 02h12

Na edição da Revista do Parafuso Dezembro07/Janeiro08 Ano 2 – No 7, foi apresentado alguns conceitos fundamentais para o entendimento sobre Torque. Junta, onde deve haver harmonia entre os elementos roscados (externa / interna) e as contra-peças; Classe de Resistência com a sua terminologia específica; Força Tensora que através da associação entre é possível determinar a capacidade de geração de Força, considerando o esforço combinado tração-torção e Torque, com a apresentação de sua equação básica

 
 
TORQUE
Relembrando, a equação básica para Torque, envolvendo Elementos de Fixação é a seguinte:
 
O que se espera de um Elemento de Fixação é que o mesmo gere uma Força Tensora suficiente para atender às necessidades do projeto, isto é, um parâmetro de Engenharia. Pela equação básica, Força é a variável independente e o Torque é a variável dependente, ou seja, o Torque aplicado, parâmetro de Manufatura, deve corresponder à Força requerida em projeto. Além do diâmetro nominal do Elemento de Fixação , a equação básica apresenta um fator constante (K), conhecido como “k factor ”, normalmente tabelado em função do material e do revestimento dos componentes da Junta.
A equação básica permite calcular o Torque, a partir da Força Tensora, porém não incorpora a capabilidade do equipamento a ser utilizado pela Manufatura. Convencionalmente atribui-se que a capabilidade para equipamentos pneumáticos é da ordem de ± 15 %, para eletro-eletrônicos ao redor de ± 5% e equipamentos por impacto em torno de ± 35%. Graficamente podemos expressar a variação do Torque em função da Força, tomando como eixo principal o ângulo de aperto, como mostra a figura 6
 
Na figura 6, são apresentados os conceitos de Força e Torque, ressaltando o Limite de Escoamento e a Força máxima, além da aplicação da equação básica, isto é, para uma dada Força Tensora FV1, consequentemente, temos um Torque MA1.
Como citado na Parte I, existe uma condição linear, denominada região elástica (até o Limite de Escoamento) e a partir deste limite, um comportamento não linear, que até a Força máxima denominado região elasto-plástica. A partir da Força máxima, adentramos na região de deformação permanente, até a condição de ruptura do Elemento de Fixação.
Para exemplificar o uso da equação básica, vamos utilizar um Parafuso M12x1,5, classe de resistência 10.9 e como Força Tensora necessária, 47,7 kN, isto é, 75 % da mínima capacidade de geração de Força do Elemento de Fixação, ou seja 63,6 kN multiplicado por 0,75. Também vamos assumir que o fator K varia de 0,10 a 0,20 (0,15 ± 0,05), valor arbitrário. Convém salientar que o “k factor ” depende principalmente do atrito das peças envolvidas na Junta, irregularidades dimensionais, empenamento do Parafuso, roscas deformadas e/ou com sujeiras, etc.
A seguir, algumas definições dos termos normalmente utilizados quando se aborda o tema Torque :
Torque Dinâmico : É o valor pico de Torque medido em tempo real em apertadeira (elétrica-eletrônica) com controle de torque durante a operação de aperto. Os valores de torque obtidos são registrados eletronicamente na apertadeira. Desta forma, o Torque Dinâmico não poderá ser checado após sua aplicação (apenas monitorado). Quando empregado em apertadeira sem controle de torque, é conhecido como o ‘Torque de “Set-Up” da apertadeira.
Torque Estático : É o valor de Torque medido em apertadeira sem controle de torque. O “set-up” da apertadeira corresponde ao valor do Torque Dinâmico, e na sua ausência, geralmente, ao valor médio do Torque Estático. O Torque Estático também é aplicado como ‘Torque de Verificação” quando da auditagem de Torques. Neste caso corresponde ao Torque de Aperto requerido para iniciar a quebra de uma fixação já efetuada. Outra denominação para o Torque Estático é “Torque Residual”.
Torque Falso: É quando o equipamento aplica um torque especificado, sem gerar a respectiva Força Tensora. Isto normalmente acontece quando há um fator agravante, como por exemplo, rosca extremamente deformada, na qual pode ocorrer um pico de Torque (nominal). Caso ocorra nos primórdios do aperto, quando não há um assentamento perfeito, esta condição pode ser perceptível visualmente. Caso ocorra na fase linear do aperto, sua detecção visual é impossível. Somente com os recursos da mecatrônica este fenômeno pode ser detectado e com possibilidade de rejeição e re-trabalho do processo de aperto propriamente dito.
EXPRESSÃO GERAL
Na equação básica, temos um fator constante, muito abrangente, denominado “k factor ”. Através da Norma DIN 946 - Determination of coefficient of friction of bolt/nut assemblies under specified conditions *), temos um melhor detalhamento de alguns dos aspectos mais relevantes do “k factor ”.
 
 
Hoje o coeficiente de atrito total (μGES) já é parte integrante das especificações de revestimentos, quer sejam eletrodepositados ou não, num mesmo nível de importância como aparência e resistência à corrosão.
EQUAÇÃO APERFEIÇOADA
Se considerarmos um aperto no regime elástico do Parafuso, é possível substituir a Força Tensora por uma expressão matemática que relaciona o ângulo de aperto e as resiliências dos componentes da Junta, expressão esta baseada na Lei de Hook. Como condição fundamental para utilização desta expressão é que no intervalo de trabalho considerado não ocorra qualquer deformação permanente, quer seja dos Elementos de Fixação, quer seja das contrapeças.
 
Desta expressão, podemos concluir que existe uma relação direta entre o ângulo de deslocamento que ocorre durante o aperto e a Força Tensora gerada neste mesmo intervalo de aperto. Consolidando o valor de FV da equação acima na expressão geral, temos uma nova expressão, que denominaremos como Equação Aperfeiçoada, porém com utilização limitada ao regime elástico dos componentes da Junta.
 
Aperto por Torque
Com os conceitos de Torque e Capacidade de Geração de Força do Elementos de Fixação já apresentados, é possível discorrer sobre processos de torque e a melhor maneira é fazendo uso de um exemplo específico. O primeiro processo a ser apresentado é Aperto por Torque, também conhecido como Torque Simples ou Torque ‘Seco’.
A partir de um Torque Alvo, o equipamento, pneumático ou eletroeletrônico é ajustado a este valor, também conhecido como Torque Dinâmico. Neste exemplo, a especificação de Torque solicita um Torque de 20 Nm e um intervalo de 18 a 22 Nm. De maneira geral, denominamos 20 Nm como o Torque Dinâmico, que será o Torque Alvo a ser consolidado no equipamento de aperto (Torque de “Set-Up”) e os limites serão 18 e 22 Nm. Estes limites balizarão a janela de Torque, tanto do equipamento, bem como, dos valores de Torque de Verificação (Torque Estático), quando das referidas atividades de auditoria. Esquematicamente, este processo pode ser representado pela figura 7.
 
Pela especificação, 20 ± 2 Nm, isto é, 20 Nm ± 10 %, obrigatoriamente o equipamento deve ser eletro-eletrônico, por razões de capabilidade. Neste exemplo, a partir de 12 Nm considera-se que a Junta está perfeitamente assentada. Definimos então Torque de Assentamento como sendo 12 Nm, máximo. Uma outra denominação é “Snug Torque”.
Fisicamente, admite-se que se gasta esta Energia para assentar os componentes da Junta e a partir deste valor, o aperto ocorre de forma linear, em relação ao de deslocamento angular do Elemento de Fixação. Na figura 7, também está assinalado que para o Torque de Assentamento, temos um valor de ângulo igual a α1. A partir deste assentamento (α1), até o Torque Alvo, no caso 20 Nm, teremos um ângulo de deslocamento até α2. Por se tratar de equipamento eletroeletrônico é possível registrar os valores de α1 e α2 e, desta forma, mapear Δα (intervalo de deslocamento angular). Como já mencionado, no equipamento será consolidado os limites de 18 e 22 Nm, como janela de torque. Para ilustrar este Processo, lanço mão de dados reais e a partir deles, tecer considerações sobre as vantagens e desvantagens deste Processo de Aperto.
Observa-se uma mínima dispersão. O desvio padrão é da ordem de 0,14 Nm. Por este Histograma, conclui-se que setrata de um Processo de Torque perfeitamente confiável.Na realidade, o que é confiável é o equipamento de aperto. Como também foi mapeado α1 e α2, torna-se possível construir um Histograma de Δα, para os 11.674 apertos, conforme mostrado na figura 9.
 
A figura 9 já nos revela uma maior e preocupante dispersão de Δα, principalmente porque o processo é considerado estável, em relação ao torque aplicado. Os seguintes valores foram observados: Ângulo Médio = 35º, Ângulo Máximo = 236º, Ângulo Mínimo = 2º, Desvio Padrão = 20,3º. Aproximadamente 1 % dos apertos (103 casos) geraram Torque Falso, com um Δα menor que 5º.
Numa análise mais detalhada do Histograma mostrado na figura 9, constatamos uma elevada freqüência de apertos com valores de Δα iguais a 15º, 28º, 40º e 52º. Considerado que o Ângulo Médio é 35º, temos uma grande população de apertos com Δα, aquém e além do Ângulo Médio, revelando que a Força Tensora aplicada, durante o Processo por Torque ‘Seco’, não está estável.
De maneira análoga, podemos salientar a existência d inúmeros apertos com Δα superior a 70º, ou seja, com dobro da Força Tensora média. A afirmação acima é baseada na expressão oriunda da L de Hook, na qual temos uma relação proporcional entre ângulo aplicado e Força Tensora gerada. Assim sendo, podemos sumarizar o Processo de Aperto por Torque ‘Seco’:
VANTAGENS
i) O equipamento é simples (pode ser pneumático ou eletroeletrônico);
ii) É de fácil entendimento.
DESVANTAGENS
a) Elevada dispersão do Torque, considerando a sofisticação (ou não) do equipamento de aperto;
b) Não é apropriado para aplicações consideradas críticas;
c) Elevado risco de ocorrência de Torque Falso;
d) Não garante uma Força Tensora constante (sequer é estável);
e) Risco de alongamento do Elemento de Fixação e/ou deformação permanente das contra-peças

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