Como medir torque em eixos com extensômetros?

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:

• Inicialmente o torque é zero (pois não existe força externa aplicada ao tubo) e logo após 75 segundos de teste, é aplicado a força de 13,0kgf(127,5N) na haste gerando uma deformação de ~4,455E-5.

  

  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.