Suspensys encontra solução em parceria com a Spiralock / Parte 1

Determinação de parâmetros de aperto por torque ângulo para fixação de rolamento unitizado

Resumo

Este trabalho surgiu da necessidade de se aplicar o novo conceito de rolamento utilizado pela Suspensys. O sistema de fixação usado atualmente, com porca e arruela de travamento não garantia o aperto e nem a repetibilidade para o novo conceito, sendo assim, a Suspensys deu início a um trabalho, em parceria com a Spiralock, a fi m de determinar um novo sistema de fixação que atendesse às especificações do fabricante do rolamento e que garantisse uma força de aperto de 95 a 110 KN, condição de melhor vida útil do rolamento. A solução apontada pela Spiralock foi uma porca flangeada M90 x 2, com um perfil de filete patenteado e a aplicação de torque-ângulo no lugar de torque puro, pois o último apresenta muita dispersão e não garantiria a força de aperto necessária.

Inicialmente, foi confeccionada uma célula de carga de corpo único, com dimensões externas bem próximas as do anel interno do rolamento unitizado, facilitando a montagem e permitindo uma região nesta célula de carga que proporcionasse deformação suficientemente considerável para uma melhor leitura dos sensores. Assim, foi feita uma análise por elementos finitos da célula de carga em questão, para a melhor decisão do local de colagem dos extensômetros. Com a realização dos ensaios, foram obtidas as curvas de força e torque para cada ângulo aplicado. Nesta primeira bateria de ensaios, foi concluído que o torque x ângulo recomendado para se obter a força de aperto de 95 a 110KN era de 30Kgf.m + 22,5º.

Para um melhor comportamento em termos de rigidez, foi fabricada uma segunda versão da célula de carga, utilizando-se o próprio anel interno do rolamento unitizado. Os ensaios foram refeitos com o rolamento montado no cubo, apresentando uma condição mais real da rigidez do sistema. Assim foi possível uma melhor análise do conjunto e, acompanhando as leituras de torque, registrou-se uma variação de 150 a 250 Kgf.m, que também nos levou a concluir que o torque puro apresenta muita dispersão para a aplicação em questão.

Introdução

Com as atuais tendências de um mercado altamente competitivo e globalizado, principalmente no setor de transportes, faz-se necessário um elevado desempenho e eficiência das equipes de engenharia, visando atender as expectativas e necessidades dos mais exigentes clientes. Com a finalidade de agregar tecnologia e melhor desempenho na sua linha de eixos, a Suspensys desenvolveu um novo sistema (cubo e rolamento) em substituição ao sistema atual de rolamentos cônicos (80x90).

De acordo com as especificações do fabricante, o rolamento em estudo deve ser montado com uma força de aperto de 95 a 110 K, para uma melhor condição de vida útil, sendo que nos levou a modificar o sistema de fixação atual, pois os rolamentos aplicados atualmente operam com folga. A solução apontada pela Spiralock foi uma porca flangeada (M90 x 2) com um perfil de filete patenteado e aplicação de torque + ângulo no lugar de torque puro, pois o último apresenta uma dispersão muito grande e não garantiria a força de aperto necessária.

A partir desse novo conceito de fixação, foi iniciada uma série de estudos, vistos abaixo neste trabalho, com a finalidade de desenvolver um processo de torque + ângulo que garantisse a força de compressão exigida nos rolamentos.

Juntas aparafusadas – características

Sempre que um parafuso é apertado, uma força de união é gerada através do alongamento do parafuso. Ao mesmo tempo ocorre um encurtamento da junta, sempre proporcional à carga aplicada. A cada giro de 360 graus no parafuso, a soma do alongamento do parafuso e do encurtamento da junta é igual ao passo da rosca. A equação abaixo descreve a relação ângulo/ força tensora na zona elástica:

Esta equação é a aplicação da Lei de Hooke no caso específico de uma junta aparafusada.
A força de montagem depende também do rendimento do fixador no estado combinado de tensões. Ao apertarmos o parafuso, além da geração de força axial, ocorre, por ação da força de atrito na rosca engajada e na superfície de assentamento da cabeça, um momento torsor atuante no parafuso, reduzindo a capacidade de geração de força axial do parafuso. Chamamos de rendimento a relação entre a resistência no estado uniaxial (tração) e a resistência no estado combinado de tensões (tração + torção).

O rendimento depende do coeficiente de atrito na rosca e pode ser calculado como:

Observando a fórmula acima, temos que o aumento do coeficiente de atrito na rosca reduz o rendimento do fixador e por consequência, a capacidade de geração de força tensora no estado combinado de tensões. Em um aperto controlado por torque x ângulo existem duas fases distintas:
1) Torque de assentamento
2) Ângulo de aperto
O torque de assentamento torna-se necessário para levar o parafuso até a zona de proporcionalidade, entre força e ângulo onde vale a Lei de Hooke, ou seja, para cada incremento de ângulo existe um incremento de força proporcional. Na fi gura a seguir podemos observar uma curva força x ângulo (Figura 1).

Zona I – Assentamento
Zona II – Zona elástica proporcional
Zona III – Zona plástica

O torque de assentamento (zona I) apresenta uma variação muito grande de deslocamento e deve ser escolhido o mínimo necessário para se atingir a zona de proporcionalidade. A utilização de aparafusamento com torque de assentamento elevado, aumenta a dispersão de força tensora de montagem, pois a relação força & torque, depende dos coeficientes de atrito do fixador. A relação força & torque está descrita na equação 4:

Portanto, a relação entre força e torque depende dos coeficientes de atrito na rosca e na cabeça e do raio de atrito na cabeça. Os coeficientes de atrito dependem principalmente do tratamento superficial adotado, enquanto o raio de atrito depende da geometria da superfície de assentamento da cabeça do parafuso, que pode variar de côncava a convexa.

Determinação da força de montagem teórica
A partir de um torque inicial teórico de 1500 N.m e de coeficientes de atrito, conforme tabela abaixo, foi calculada a variação da força tensora da junta.

Com esta variação de coeficientes de atrito, podemos calcular a dispersão de força tensora da junta:

Portanto, para a porca atual a força de montagem teórica varia entre 98,04 e 72,46 KN.

Determinação dos parâmetros de aperto por torque-ângulo

Para um melhor comportamento em termos de rigidez, foi fabricada uma célula de carga (Figura 6). Os sensores de deformação (extensômetros) foram posicionados na parte interna do próprio anel do rolamento unitizado (Figura 2). Foi realizada uma análise por elementos finitos do conjunto para melhor entender o estado das tensões e deformações do conjunto e a escolha do local mais apropriado para o posicionamento dos sensores.

Esta célula de carga foi calibrada em uma máquina de ensaio universal de tração/compressão, e os resultados foram similares aos obtidos na FAG - Alemanha (Figura 4). Nos gráficos abaixo (Figura 3 e Figura 4), pode-se ver a similaridade de rigidez dos rolamentos que foram testados pela FAG e a célula de carga desenvolvida para calibrar e aferir o novo sistema proposto de utilização de um novo conceito de rolamento.

Em ambos os gráficos (Figura 3 e Figura 4) é possível ver o comportamento das duas inclinações caracterizando claramente uma primeira fase de linearidade, correspondente à acomodação da junta (roletes, encosto dos dois anéis internos) e, uma segunda fase de linearidade onde todo o conjunto se deforma elasticamente com rigidez consideravelmente maior quando comparada com a fase de encosto/acomodação. No laboratório da FAG – Alemanha foram feitos testes de Força x Deformação dos rolamentos (Figura 4) para análise de rigidez e também foram feitos testes de durabilidade, sendo possível ver o equipamento do ensaio na Figura 5.

 Uma vez calibrada a célula de carga, foram realizados vários ensaios iniciais (Figura 7) onde era variado o pré-torque, ângulo nas mais diferentes formas e em 13 ponteiras/porcas diferentes, com velocidade de aplicação do torque-ângulo constante e controlados. Nestas ponteiras, foram realizados ensaios com a rosca sem lubrificação, com lubrificação nos filetes das roscas e com lubrificação nos filetes das roscas e no flange da porca. Ver resultados na Tabela 1.

Na Figura 8, temos a amostragem de uma aplicação de torque-ângulo, três vezes seguidas na mesma ponteira. Sendo os parâmetros utilizados um pré-torque de 30 kgf.m e um ângulo de 25º. Apresentando variações grandes quando o pré-torque for baixo e após a primeira aplicação, a força tensora tende a aumentar nas aplicações subseqüentes até estabilizar.
Na Figura 9, temos um gráfico também com três vezes seguidas na mesma ponteira. Sendo que os parâmetros utilizados foram um pré-torque de 30 kgf.m e um ângulo de 25º para a primeira aplicação e 20º para as outras duas aplicações.

Com os resultados de todos os testes experimentais, ficou definido que os rolamentos serão fixados com uma torqueadeira automática ajustada para operar com uma pré-carga de 35 Kgf.m + 25º para a primeira aplicação e uma pré-carga de 35 Kgf. + 20º para segunda e demais montagens subsequentes no caso de manutenção em campo e/ou algum retrabalho. A força de montagem controlada será de 95 a 110 KN e as peças devem ser lubrificadas.