Fizemos um artigo no passado, explicando a importância de se aplicar o torque correto em parafuso.
Apresentamos o conceito da força de pré carga que é gerada pela aplicação do torque, sendo essa força a mais importante para ser controlada em uma união parafusada.
Alguns métodos utilizados para “controlar” a força de pré carga são detalhados abaixo:
Os métodos mais precisos para a verificação da força de pré carga são os dois últimos da tabela acima (Alongamento e Extensômetro).
Neste artigo vamos apresentar o passo a passo para instalar o extensômetro em parafusos, para que no final seja possível ter um parafuso sensorizado pronto para o uso em alguma aplicação especifica onde seja necessário medir a força de pré carga.
Ao final de todas as etapas ele ficará como mostra a imagem abaixo:
Figura 1 - Parafuso sensorizado pronto para uso.
O extensômetro é instalado em um furo realizado no centro do parafuso, de acordo com a imagem abaixo:
Figura 2 - Extensômetro instalado dentro do furo do parafuso.
O passo a passo para a instalação do extensômetro no parafuso é o seguinte:
Figura 3 - Extensômetro sendo inserido no furo .
Figura 4 - Conexão com o fio externo.
Figura 5 - Parafuso sumetido a ensaio de tração para calibração do sensor.
Figura 6 - Setup para medição do parafuso sensorizado.
Figura 7 - Torque sendo aplicado no parafuso sensorizado.
A resposta de deformação do sensor durante a aplicação do torque pode ser visualizada abaixo:
Figura 8 - Gráfico de Deformação x Tempo.
Multiplicando a deformação pelo coeficiente de calibração, é possível obter a resposta da força de pré carga aplicada, conforme é mostrado abaixo:
Figura 9 - Gráfico de Força de Pré Carga x Tempo.
Em qualquer projeto que haja parafusos, o torque é calculado a partir da força de pré carga necessária para garantir que a união não se separe e que não haja flutuações de tensão no parafuso (já falamos sobre isso em nosso artigo).
No final das contas, o torque é uma maneira mais fácil, rápida e barata de se controlar, entretanto pode não ser preciso o suficiente.
Agora, faremos o inverso, vamos aplicar 30N.m no parafuso sensorizado e calcular a força de pré carga teórica para posteriormente compará-la com o valor obtido pelo sensor.
Figura 10 - Torque sendo aplicado no parafuso.
Para o experimento, utilizamos um torquímetro de vareta, que não é nada preciso devido principalmente a sua dificuldade de medição.
Figura 11 - Marcação de 30N.m no torquímetro.
A força de pré carga teórica pode ser calculada pela equação abaixo:
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O coeficiente de torque depende da maciez da superfície, acurácia e grau de lubrificação, em outras palavras, é um coeficiente que mede todos os atritos envolvidos durante o aperto do parafuso.
A grande variação das amplitudes de pré carga, se dá por conta dos valores que podem ser utilizados para este coeficiente. Já é fácil imaginar que esse fator pode variar drasticamente se a rosca de um parafuso estiver limpa ou suja, lubrificada ou enferrujada, e assim por diante.
Geralmente, o valor do coeficiente de torque nominal é adotado entre 0,15 a 0,3. Para este experimento adotaremos 0,2.
Fazendo esse cálculo para o parafuso em questão, temos:
De acordo com o gráfico de pré carga do parafuso sensorizado, o valor da pré carga relativo aos 30N.m é obtido no patamar mostrado abaixo:
Figura 12 - Força de pré carga do parafuso sensorizado.
O valor de pré carga é de 7.140,0N.
Fazendo o comparativo entre os valores de pré carga obtidos pelo torquímetro de vareta e o parafuso sensorizado, temos:
A variação é maior que 100%!!
A interpretação desses valores deve ser feita da seguinte forma:
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Conseguiu entender na prática? Se ficou alguma dúvida, deixe seu comentário...
Não é à toa que empresas automobilísticas, aeronáuticas entre outras que precisam garantir um torque correto em componentes gastem milhões para controlar esse parâmetro.
A Ensus é especializada na fabricação de parafusos sensorizados, podendo oferecer o serviço de instalação, calibração e medição de parafusos de acordo com a especificação do cliente.
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Contate-nos através do e-mail atendimento@ensus.com.br para saber mais sobre esses serviços.
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A necessidade de medir torque em equipamentos pode ser dos mais variados, podendo estar relacionado com investigação de falha, determinação da potência mecânica ou até de maneira preventiva.
Para ilustrar o procedimento de medição de torque em eixos vamos utilizar um tubo em que será possível fazer a instalação dos sensores como também a validação dos resultados dos testes através da análise de elementos finitos.
Figura 1 - Teste experimental de torque e análise de elementos finitos, respectivamente.
Neste teste, os extensômetros foram posicionados no meio do tubo e uma força pré determinada foi aplicada na haste para produzir um torque conhecido.
Figura 2 - Setup para teste de torque.
O sensor utilizado para a medição do torque é o extensômetro (ou strain gauge) que mede a deformação superficial do material quando submetido a carregamentos externos. Se quiser aprender mais sobre os extensômetros, acesse nosso artigo: Extensômetria (Strain Gauge) - O que é? Quando utilizar?
Para esta aplicação é necessário utilizar a configuração de ponte completa, onde são instalados 4 extensômetros para a obtenção de um resultado de torque.
Os extensômetros utilizados são do tipo espinha de peixe, em que a grade do sensor é disposta a 45° da linha horizontal, conforme imagem abaixo:
Figura 3 - Extensômetro do tipo "espinha de peixe".
Essa disposição é por conta da direção da deformação principal de um elemento submetido puramente a torção ser de exatamente 45° em relação ao eixo longitudinal, conforme imagem abaixo:
Figura 4 - Direção das máximas deformações principais.
Foram posicionados 02 extensômetros do tipo “espinha de peixe” defasados 180° um em relação ao outro, conforme é mostrado na imagem abaixo:
Figura 5 - Vista isométrica do tubo com referências das vistas.
Figura 6 - Detalhe com posicionamento dos extensômetros.
Figura 7 - Detalhe com posicionamento dos extensômetros.
Figura 8 - Psicionamento longitudinal do extensômetro.
Figura 9 - Psicionamento radial dos extensômetros (180°).
Figura 10 - Psicionamento dos extensômetros (top e bottom).
Após o posicionamento dos sensores, toda a ligação e cabeamento foi realizada:
Figura 11 - Cabeamento e conector.
Para coleta de dados foram utilizados equipamentos National Instruments, sendo o chassi cDAQ-9191 e Módulo de aquisição NI 9237.
Figura 12 - Chassis cDAQ-9191 e módulo NI-9237.
O cabo RJ50 foi conectado ao módulo NI-9237, como mostra a imagem abaixo:
Figura 13- Conexão entre o cabo RJ50 e módulo NI-9237.
O resultado do teste é apresentado abaixo:
Figura 14 - Gráfico de Deformação x Tempo.
Levando em consideração que o tubo apresenta deformações dentro da zona elástica e aplicando a Lei de Hooke para transformar deformação em tensão, considerando o módulo de elasticidade como 200GPa, temos:
Figura 15 - Gráfico de Tensão x Tempo.
Considerando a mesma carga e condição de restrição, os resultados da análise de elementos finitos são apresentados abaixo:
Figura 16 - Condições de restrição para análise de elementos finitos.
Figura 17 - Vista ISO com o resultado da tensão de cisalhamento.
A comparação entre o teste experimental e a análise de elementos finitas é apresentada na tabela abaixo:
O interessante desse tipo de instalação é que o resultado obtido é referente apenas a torção no tubo, e as deformações relativas a outras solicitações (ex. flexão, tração ou compressão) não são medidas pela maneira que os extensômetros estão dispostos no componente. Isso se torna muito interessante para aplicações onde é necessário medir apenas o torque de um eixo ou algum componente que esteja submetido a torção.
Ficou alguma dúvida sobre esse tipo de instalação ou tem alguma aplicação em que seja interessante esse tipo de medição? Compartilhe conosco e deixe seu comentário abaixo.
