Anti-desaperto em fixações roscadas: escolher entre 10 métodos

1. Porque este artigo: dois acidentes reais

Em junho de 2010, a atração Space Loos, no OCT East em Shenzhen, colapsou e provocou seis mortos e dez feridos. A investigação concluiu que a causa imediata foi a rotura por fadiga de um perno de ligação, e que a rotura teve início onde a junta roscada se tinha desapertado sob carga cíclica, concentrando tensões no fundo da rosca.

Em 2007, um comboio de alta velocidade descarrilou no Reino Unido. Gong et al. citam o caso na sua revisão: a carga cíclica na interface da roda desenroscou uma porca do respetivo perno, o que constituiu um dos gatilhos diretos do descarrilamento.

Ambas as juntas utilizavam pernos comuns com anilhas de mola. «Anilha de mola é igual a anti-desaperto» é quase um reflexo nos gabinetes de engenharia, mas desde que Junker publicou a sua teoria da vibração transversal, em 1969, cinco décadas de ensaios demonstraram que a anilha de mola conserva a pré-carga muito pior do que a maioria das pessoas supõe.

Este artigo baseia-se em Revisão dos métodos anti-desaperto para elementos de fixação roscados (Gong H., Liu J. H., Feng H. H., Chinese Journal of Aeronautics, 2021), em conjunto com a NASA-STD-5020, a ISO 16047, a GB/T 3098 e a GB/T 10431. Apresenta o desempenho real de dez métodos de referência de uma forma que o engenheiro pode confrontar com um desenho.

2. Porque se desapertam as roscas: o mecanismo

Muitos engenheiros supõem que o desaperto significa «a porca rodou sozinha». Na realidade, trata-se de um processo por etapas.

2.1 A pré-carga é a força vital de uma junta

Quando se aperta um perno, a junta é comprimida e o perno é tracionado. Essa tração é a pré-carga F_v. Enquanto F_v se mantiver, a junta não desliza e o par roscado não roda. O desaperto não consiste em a porca rodar: consiste na queda da pré-carga abaixo de um valor crítico, após o que o par roscado começa a rodar.

A pré-carga perde-se por duas vias:

• Relaxação elástica e assentamento: as microasperezas das faces da junta achatam-se e o contacto sofre fluência, pelo que F_v cai 5–20 % em minutos ou dias.
• Desaperto rotacional sob vibração transversal: os ensaios de Junker de 1969 mostraram que, quando as placas apertadas se movem perpendicularmente ao eixo do perno, o atrito na rosca e na face de apoio desaparece momentaneamente e o perno desenrosca-se sobre o ângulo da hélice. É o modo mais perigoso e mais comum.

2.2 O ensaio Junker: uma sala de exames para todos os métodos de bloqueio

O desempenho de bloqueio avalia-se hoje com o ensaio Junker de vibração transversal (DIN 65151 / ISO 16130 / GB/T 10431). Um excêntrico aciona duas placas em movimento transversal relativo; o perno atravessa ambas e uma célula de carga registra F_v ao longo do tempo.

A métrica é a retenção de pré-carga: F_v residual dividida pela F_v inicial após 2000 ciclos. Quanto mais alta, melhor.

2.3 Cinco variáveis que determinam a taxa de desaperto

1. Pré-carga inicial F_v: mais alta é mais segura, mas nunca acima da tensão de cedência.
2. Coeficiente de atrito μ na rosca e na face de apoio: um μ mais alto resiste à rotação, mas a dispersão de μ torna a pré-carga imprevisível.
3. Amplitude transversal: mais deslizamento relativo entre as placas significa desaperto mais rápido.
4. Relação entre comprimento de aperto e diâmetro L/d: um perno esbelto absorve vibração. Abaixo de L/d = 3, a junta desaperta quase certamente.
5. Rigidez da junta: uma placa espessa e rígida transmite melhor o deslizamento transversal do que uma chapa fina ou uma peça fundida.

3. Sete métodos convencionais de bloqueio

3.1 Anilha plana

A anilha plana distribui a carga de apoio, protege a face da junta da porca em rotação e cobre um furo sobredimensionado. Não oferece qualquer bloqueio. Pinelli et al. (2012) verificaram uma retenção de pré-carga praticamente idêntica com e sem anilha.

3.2 Anilha de mola

É a peça mais sobrevalorizada do catálogo. A ideia é que o bordo da abertura morde a face de apoio e armazena tensão elástica. Os dados de ensaio dizem o contrário:

• Dravid et al. (2012): os pernos com anilha de mola perderam pré-carga mais depressa do que os pernos sem anilha, porque o bordo da abertura concentra tensões e acelera o deslizamento local.
• Pinelli et al., ao longo de 24 meses de serviço de veículos: nem uma única junta com anilha de mola conservou pré-carga útil.
• O bordo da abertura marca a face da junta sob vibração repetida e torna-se um ponto de iniciação de corrosão.

3.3 Anilha Belleville (mola de disco)

Uma anilha cónica armazena deformação elástica e a sua verdadeira função é compensar a relaxação: à medida que a junta assenta, o disco abre e mantém a força de aperto. O trabalho de elementos finitos de Sawa mostra um benefício claro em juntas com elevada disparidade térmica (alumínio-aço, pilhas bimetálicas). Não impede o desaperto rotacional sob vibração transversal, pelo que se adequa a ciclos térmicos (coletores de escape, permutadores de calor) e não a excitação transversal contínua (bogies, crivos vibratórios).

3.4 Anilha de bloqueio por cunhas (tipo Nord-Lock)

A solução mais adotada nos últimos 20 anos na energia eólica, no ferroviário e na mineração. Um par de anilhas: dentes radiais nas faces exteriores, rampas de cunha nas faces interiores, com o ângulo de cunha α superior ao ângulo da hélice da rosca β.

Qualquer tentativa de desenroscar levanta o perno sobre a rampa. Como α > β, a força axial necessária para subir a rampa excede a força axial libertada pelo desenroscar, pelo que quanto mais tenta desapertar, mais apertado fica.

Misiek (2017) e os cálculos de elementos finitos de Lai confirmam uma retenção de pré-carga superior a 80 % num ensaio Junker normalizado. Inconvenientes: custo elevado (um par custa 20–50× uma anilha de mola), sensibilidade à planicidade em dimensões grandes e inadequação onde a folga do furo é excessiva.

3.5 Anilha dentada

Os dentes interiores ou exteriores mordem a face de apoio para um bloqueio mecânico. Eficaz em materiais macios (alumínio, plásticos, chapa fina), onde os dentes conseguem embutir-se; em aço temperado ou de alta resistência os dentes desgastam-se e o bloqueio colapsa. Também danifica gravemente a face da junta, pelo que deve evitar-se em peças pintadas ou anodizadas.

3.6 Contraporca

Duas porcas comprimidas uma contra a outra geram força normal adicional no par roscado. Nove em cada dez contraporcas montadas no chão de fábrica são assembladas pela ordem errada.

A sequência correta (a prática da NASA-STD-5020):

1. Aplicar binário à porca inferior (motriz) e mantê-la com uma chave;
2. Enroscar a porca superior (arrastada) contra ela até as faces assentarem;
3. Apertar ambas uma contra a outra até a força axial entre elas atingir 30–50 % da tensão de cedência.

Zhang et al. (2019) mediram mais de três vezes a retenção de pré-carga com a sequência correta. Com a sequência errada, uma contraporca comporta-se como uma porca simples.

3.7 Porcas de binário de retenção com inserto de nylon e totalmente metálicas

Um colar de nylon no topo da porca é expandido pelo perno e acrescenta atrito. Simples, removível, barato — a porca de bloqueio por omissão no automóvel e na eletrónica.

A sua fraqueza fatal é a temperatura. Acima de 120 °C o nylon sofre fluência e o binário de bloqueio decai mais de metade em poucas centenas de horas. Nada de porcas de nylon em coletores de escape, travões ou peças de forno.

As porcas de binário de retenção totalmente metálicas (rosca triangular tipo Spiralock, ASTM A194 Grade C) deformam o topo da porca numa elipse, ranhura ou cravação. Funcionam até 250 °C, mas não devem ser reutilizadas mais de 5–10 vezes.

4. Três métodos de bloqueio mais recentes

Os três estão a ganhar quota rapidamente na aeronáutica, no espaço e na robótica.

4.1 Porca de bloqueio de rosca deformada

Aspeto: as duas ou três últimas roscas da porca passam de um V a 60° a um fundo curvo (arco de cerca de 30°). Exteriormente é indistinguível de uma porca sextavada, mas sente-se mais apertada ao enroscar porque a rosca do perno é encunhada em vez de deslizar.

Porque bloqueia: numa porca comum, a folga radial no fundo da rosca permite que o perno oscile sob carga transversal e se vá desenroscando. A rosca deformada desloca o contacto do fundo para a crista e elimina essa folga estruturalmente. A retenção Junker é superior a 90 %, pode ser reutilizada 15 vezes ou mais e é a escolha de crescimento mais rápido para juntas de aeronaves e robôs.

4.2 Porca de memória de forma (SMA)

Fabricada em liga de níquel-titânio, aquecida acima da temperatura de transformação, expandida sobre o perno e deixada contrair. A pré-carga é 30 % superior à de uma porca convencional, mas o custo é extremo e a utilização limita-se a locais críticos de motores aeronáuticos.

4.3 Fixador de roscas (bloqueio químico)

Não é um dispositivo mecânico, mas bloqueio químico. O Loctite 243 (resistência média) e o 263 (alta resistência) curam por via anaeróbia e ligam o par roscado num só corpo.

Cheatham e Dattilio verificaram ambos a mais alta retenção de pré-carga de todos os métodos, sem danos na face da junta. Limitações: a superfície tem de estar limpa (o óleo pode reduzir a resistência da ligação em 70 %), o 243 pode ser quebrado com ferramentas manuais à temperatura ambiente, enquanto o 263 é permanente e exige 150 °C ou broca, e nenhum dos dois serve para serviço contínuo acima de 150 °C.

5. Três tabelas comparativas

Tabela 1 — dez métodos de bloqueio ordenados pelo desempenho no ensaio Junker

Fonte: Gong et al. 2021, Tabela 2. Ensaio Junker normalizado (DIN 65151), 2000 ciclos transversais.

Tabela 2 — métodos recomendados por aplicação

Tabela 3 — custo versus desempenho

Relativo a «anilha de mola + porca simples» = 1×. Multiplicadores e não preços, pelo que se podem aplicar os valores de compra de cada empresa.

6. Um quadro de seleção em sete passos

Aplicar estes sete passos a qualquer desenho e a escolha faz-se quase sozinha.

Passo 1 — Existe vibração transversal?

Abalar a junta à mão. Se surgir movimento relativo visível (> 0.1 mm), ou se a aplicação consistir em máquinas rotativas, veículos ferroviários, veículos rodoviários ou turbinas eólicas, eliminar imediatamente as anilhas de mola e planas e prosseguir.

Passo 2 — Qual é a temperatura?

• ≤ 120 °C: as porcas de nylon são aceitáveis.
• 120–250 °C: porca totalmente metálica, anilha de cunhas ou fixador de roscas de alta temperatura.
• > 250 °C: anilha Belleville com fixador de roscas de alta temperatura, ou uma porca totalmente metálica em Inconel.

Passo 3 — A junta será desmontada?

• Acesso frequente (tampas, painéis de serviço): anilha de cunhas, porca totalmente metálica, contraporca.
• Nunca (estrutural): fixador de roscas de alta resistência.
• Ocasional (manutenção anual): 243 de resistência média.

Passo 4 — Qual é o material da junta?

• Alumínio, plásticos, chapa fina: anilha dentada ou porca de nylon; evitar anilhas planas que deformam em taça.
• Aço temperado ou de alta resistência: anilha de cunhas ou fixador de roscas; os dentes desgastam-se.
• Ferro fundido: anilha plana com porca de binário de retenção, porque a superfície porosa exige distribuição de carga.

Passo 5 — Verificar L/d

Abaixo de 3, o perno é demasiado rígido para que qualquer dispositivo mecânico salve a junta. Acrescentar uma bucha para alongar o aperto, utilizar um perno mais longo ou aplicar fixador de roscas.

Passo 6 — Orçamento e volume

Utilizar a Tabela 3: a 1–2× optar por fixador de roscas ou porca simples; a 4–12× optar por porcas de nylon ou de binário de retenção totalmente metálicas; a 30–100× optar por anilhas de cunhas ou porcas de rosca deformada; porcas SMA apenas em casos extremos de motores aeronáuticos.

Passo 7 — Prototipar e verificar

Realizar 2000 ciclos segundo a GB/T 10431 ou a ISO 16130 e libertar apenas acima de 60 % de retenção de pré-carga. Não libertar com base na curva de catálogo de um fornecedor — um ensaio interno é o seguro mais barato que se pode comprar.

7. Os seis erros mais frequentes dos engenheiros

8. Perguntas frequentes: dez questões reais de engenharia

Q1. É possível eliminar as anilhas de mola em todos os casos?

Em juntas estáticas, sem vibração e não críticas para a segurança (painéis interiores de acabamento, tampas pouco carregadas) continuam a ser aceitáveis. Em qualquer local com carga dinâmica, risco para pessoas ou paragens dispendiosas, substituir por anilhas de cunhas ou fixador de roscas.

Q2. Uma anilha de cunhas mais espessa é melhor?

Não. O ângulo de cunha tem de ser estritamente superior ao ângulo da hélice e o par tem de ser usado em conjunto — uma anilha isolada não faz nada. Acima de M16, escolher a versão marcada com cabo para facilitar a inspeção.

Q3. Quantas vezes se pode reutilizar uma porca de nylon?

A prática industrial é de 5–10 montagens. Cada uma expande o inserto e reduz o binário de bloqueio. A prática aeronáutica descarta-as frequentemente após três.

Q4. 222, 243 ou 263?

222 de baixa resistência, abaixo de M6, ajustável; 243 de resistência média, removível, uso geral abaixo de M20; 263 de alta resistência, permanente acima de M20. Escolher sempre o grau mais baixo que resista — o grau superior pode não desmontar.

Q5. O que bloqueia em alumínio?

As roscas de alumínio são fracas e o fixador de roscas pode arrancar a rosca na desmontagem. Utilizar uma anilha dentada que se embuta no metal macio, ou instalar primeiro um inserto helicoidal e depois uma porca de nylon.

Q6. Os pernos de aço inoxidável podem usar anilhas de mola?

Não. O inox contra inox sofre gripagem: emperra na montagem e cisalha na desmontagem. Utilizar uma porca de binário de retenção totalmente metálica ou uma anilha revestida.

Q7. 70 % da tensão de cedência é seguro?

Sim. A ISO 898-1 atribui à classe 8.8 uma tensão de cedência de 640 MPa e recomenda 60–75 % dessa tensão como pré-carga. O risco de rotura começa acima de cerca de 90 %.

Q8. O que funciona acima de 300 °C?

Pernos em Inconel 718, anilhas Belleville e lubrificação com MoS₂. O fixador de roscas amolece acima de 150 °C e os insertos de nylon falham a 120 °C.

Q9. Que porcas de bloqueio podem ser reutilizadas?

Totalmente metálicas 5–10 vezes, de nylon 5, de rosca deformada 15, anilhas de cunhas indefinidamente, fixador de roscas essencialmente uma vez.

Q10. Como saber se um perno se desapertou em serviço?

Pintar uma linha testemunha transversalmente à porca e à junta durante a inspeção; uma linha quebrada significa movimento. As juntas críticas podem usar indicadores de carga do perno ou tinta sensível ao binário.

9. Normas e referências

Normas chinesas

• GB/T 3098.1 Propriedades mecânicas de pernos, parafusos e pernos prisioneiros
• GB/T 10431 Método de ensaio de vibração transversal para elementos de fixação
• GB/T 94.3 Anilhas de mola — tipos de sela e de onda
• GB/T 6184 Porcas sextavadas de binário de retenção, estilo 1, totalmente metálicas
• GB/T 889.1 Porcas sextavadas de binário de retenção, estilo 1, com inserto não metálico

Normas internacionais

• ISO 898-1 Propriedades mecânicas dos elementos de fixação
• ISO 16047 Elementos de fixação — ensaio de binário e força de aperto
• ISO 16130 Elementos de fixação — ensaio de desempenho para tipos de binário de retenção
• DIN 65151 Aeronáutica — desempenho de bloqueio de elementos de fixação roscados
• NASA-STD-5020 Requisitos para sistemas de fixação roscados

Bibliografia principal

• Gong H., Liu J. H., Feng H. H. Revisão dos métodos anti-desaperto para elementos de fixação roscados. Chinese Journal of Aeronautics, 2021. DOI: 10.1016/j.cja.2020.12.038
• Junker G. H. Novos critérios para o auto-desaperto de elementos de fixação sob vibração. SAE Automotive Engineering, 1969, 78:314–335.
• Dravid S., Tripathi K., Chouksey M. Estudo experimental do comportamento de bloqueio por binário de retenção em anilhas planas e de mola. Int. J. Eng. Res., 2012.
• Pinelli M., Subramanian C., Tabor J. Estudo experimental do binário de arranque em serviço. Transport Research Record, 2012.