Porque se soltam os elementos de fixação roscados: os dois mecanismos de desaperto

1. A resposta curta: «o perno soltou-se» são duas avarias diferentes

Quando a linha de montagem comunica que «o perno soltou-se», a frase que se segue habitualmente é «vamos acrescentar uma anilha de mola». Mas se ninguém estabeleceu que tipo de desaperto está em causa, esse passo é muito provavelmente dinheiro desperdiçado.

Os elementos de fixação roscados soltam-se por dois mecanismos distintos:

Ambos os modos de falha acabam em «já não aperta», mas num caso o material está a deformar-se e no outro a peça está a rodar. Acrescentar um elemento elástico a um problema de desaperto por rotação, ou aplicar fixador de roscas a um problema de relaxação, são exemplos de manual do remédio errado.

Os dois mecanismos são decompostos a seguir, e no final apresenta-se uma sequência de diagnóstico para o chão de fábrica.

2. Porque não se solta sob carga estática: autobloqueio e o critério 0.8T

Uma rosca comum é intrinsecamente estável sob carga estática, por duas razões:

• Autobloqueio do par roscado: o ângulo de hélice ψ é inferior ao ângulo de atrito equivalente ρ′ do par roscado, pelo que o plano inclinado não pode ser empurrado para trás.
• Atrito na face de apoio: após o aperto, subsiste atrito entre a porca (ou a cabeça do perno) e a peça apertada ou a anilha.

Daqui resulta um critério estático prático: sob pré-carga Q_p, o binário resistente que impede a porca de rodar é aproximadamente

T′ ≈ 0.8 T

em que T é o binário de aperto. O significado é simples: numa junta apertada com o binário T, enquanto o binário de desaperto externo aplicado na porca ou na cabeça do perno não exceder 0.8T, a junta não se solta.

Mas este critério tem uma premissa — o coeficiente de atrito é estável. Sob carga flutuante, vibração e choque, o coeficiente de atrito do par roscado colapsa, a resistência por atrito nos flancos da rosca e na face de apoio desaparece momentaneamente e a fórmula torna-se de imediato inválida: o par roscado deixa de satisfazer a condição de autobloqueio, surge deslizamento relativo microscópico e a porca começa a rodar. Repetido com frequência suficiente, a junta está solta.

Retenha-se então uma frase: o autobloqueio só é válido sob carga estática. Assim que a vibração entra em cena, a condição de autobloqueio dos manuais deixa de governar.

3. O verdadeiro culpado é o deslizamento transversal, não a vibração axial

«O perno soltou-se com a trepidação» só está meio certo. O que importa é a direção da vibração.

O desaperto induzido por deslizamento transversal decorre em quatro passos, nenhum deles difícil de acompanhar:

• Primeiro passo: o atrito é «desviado». Sob uma força transversal, todo o atrito nos flancos da rosca e na face de apoio da porca (ou da cabeça do perno) é desviado para resistir ao deslizamento.
• Segundo passo: nesse instante não há, na prática, atrito. A reserva de atrito esgota-se e o par roscado fica, efetivamente, sem atrito.
• Terceiro passo: a própria pré-carga empurra a porca de volta. O perno tracionado armazena energia e, sem nada que a resista, impele a porca ao longo da hélice da rosca — o ângulo de hélice é pequeno, mas a força que a empurra é grande.
• Quarto passo: acumulação. A porca roda um ângulo ínfimo, a força de aperto cai um pouco e o ciclo seguinte repete toda a sequência.

Um único evento de escorregamento produz tipicamente menos de 0.01° de rotação — completamente invisível a olho nu. Repetido algumas centenas de vezes, a força de aperto chega a zero.

Este mecanismo foi descrito sistematicamente já em 1969 e mais tarde normalizado como método de ensaio de vibração transversal: DIN 65151 (equivalente internacional ISO 16130; no domínio ferroviário existe ainda a DIN 25201-4). Continua a ser considerada a exposição vibratória mais severa que se pode aplicar a uma junta roscada.

4. Porque o desaperto se autorreforça

Há aqui uma característica crítica: o desaperto não progride a ritmo constante — quanto mais solto está, mais depressa se solta.

A cadeia funciona assim. O limiar de deslizamento parcial depende da capacidade de atrito disponível μ·F_i (μ é o coeficiente de atrito e F_i a pré-carga atual). Quando a força transversal excede esse limiar, a zona de contacto passa de atrito estático a cinético, o perno roda um pequeno passo e a pré-carga F_i cai um pouco. Mas logo que F_i cai, o limiar μ·F_i do ciclo seguinte é mais baixo e o deslizamento torna-se mais fácil — cada ciclo prepara o terreno para o seguinte.

O resultado é a forma da curva de decaimento da pré-carga: plana no início, abrupta depois. Nas primeiras dezenas de ciclos quase nada parece mudar, depois dá-se um degrau descendente e, por fim, o colapso num intervalo muito curto.

Daqui decorrem dois corolários muito práticos:

• «Está bem há seis meses» não é prova de que não é necessário um elemento de bloqueio. Uma junta que resiste a 500 ciclos falha muitas vezes subitamente nos 50 seguintes.
• «Bem lubrificado significa menos probabilidade de se soltar» é falso. A lubrificação baixa de facto o coeficiente de atrito e permite atingir maior pré-carga com o mesmo binário; mas quanto menor o coeficiente de atrito, menor o limiar μ·F_i contra o deslizamento, pelo que a resistência ao desaperto piora. A lubrificação ajuda ao aperto e prejudica o bloqueio. Como comparação aproximada de condições comuns: um par roscado de aço fosfatado e oleado tem um coeficiente de atrito total da ordem de 0.10–0.12; o aço seco, sem tratamento nem lubrificação, da ordem de 0.16–0.20.

5. Sete fatores que aceleram o desaperto

6. Os métodos de bloqueio dividem-se em três famílias

Por princípio, todos os métodos pertencem a uma de três classes:

Duas decisões de projeto merecem também prioridade: usar rosca fina (menor ângulo de hélice, melhor autobloqueio) e combinar dois métodos de bloqueio de princípios diferentes, para que se complementem.

7. Quadro comparativo dos elementos de bloqueio mais comuns

Uma regra de disciplina: todas as avaliações de desempenho de bloqueio são relativas e comparativas. As conclusões dependem fortemente da dimensão, do material, do revestimento e da qualidade de fabrico e instalação do elemento de fixação, e a capacidade de bloqueio pode diferir em ambientes ou condições de serviço diferentes. Qualquer resultado de ensaio é apenas uma referência de projeto; antes do uso em produção, verificar numa bancada de vibração nas condições reais de serviço.

8. Primeiro, decidir se é sequer necessário um elemento de bloqueio

Os elementos de bloqueio não são equipamento de série. O juízo depende do quociente entre o comprimento de aperto L e o diâmetro nominal d, além da direção da carga:

Porque são as juntas curtas as mais perigosas? Introduza-se um conceito — a distância crítica de escorregamento: o deslocamento relativo das faces da junta necessário para que a cabeça do perno ou a porca se levante da face de apoio e comece a ser arrastada em rotação. Numa junta de comprimento de aperto curto este valor pode ser inferior a 0.1 mm; sob a mesma carga, um perno com longo comprimento de aperto pode precisar de mais de 0.5 mm. A razão foi já referida na secção 5: um perno longo flete com a junta em vez de escorregar na interface.

Assim, o que realmente determina o resultado não é apenas o elemento sob a porca: a folga dos furos, o quociente de comprimento de aperto, a rigidez da junta e a pré-carga contam pelo menos tanto como o próprio elemento de bloqueio.

9. Como comparar desempenhos de bloqueio: ler um relatório de ensaio de vibração transversal

Uma vez que a vibração transversal é a única condição severa, é também a única forma de comparar soluções de bloqueio. O procedimento normalizado tem duas fases:

• Ensaio de referência. Monta-se primeiro uma junta sem qualquer elemento de bloqueio e aumenta-se o deslocamento transversal desde zero até que se solte completamente em 300 ± 100 ciclos. Esse deslocamento é o «deslocamento efetivo» do ensaio e calibra também a severidade do ambiente de ensaio.
• Ensaio de verificação. Substitui-se pela junta com o elemento de bloqueio, ensaia-se com exatamente o mesmo deslocamento efetivo e a mesma frequência e registra-se a curva de decaimento da pré-carga em função do número de ciclos.

A métrica de avaliação habitual é a percentagem de pré-carga remanescente após 2000 ciclos, juntamente com uma forma de curva que indique que não é «razoavelmente de esperar» a ocorrência de falha mesmo que o ensaio prosseguisse.

Um relatório utilizável tem de conter pelo menos: o tipo de bloqueio e a sua posição instalada, a frequência de ensaio, o quociente entre comprimento de aperto e diâmetro, o método de aperto, o deslocamento transversal efetivo, a condição de lubrificação utilizada e o intervalo de diâmetros aplicável.

O aviso mais importante de todos: a DIN 65151 / ISO 16130 definem um procedimento de ensaio; a norma não contém critério de aprovação. Um fornecedor que afirma «certificado segundo tal norma» não constitui, por isso, qualquer conclusão com significado. O que é necessário são quatro elementos — curva de decaimento da pré-carga, número de ciclos, curso transversal e condição de atrito/lubrificação. Só com esses quatro se pode comparar seja o que for.

10. O outro caminho: o que fazer quanto à perda de pré-carga (relaxação)

Para além do desaperto por rotação, uma parte das falhas não envolve rotação alguma — a força de aperto está simplesmente a ser consumida. Há três origens:

• Perda por assentamento. Devido à rugosidade, à ondulação e ao erro de forma, os flancos da rosca, as diversas faces de apoio e as interfaces entre peças apertadas sofrem deformação plástica local durante o aperto; sob carga externa repetida em serviço, parte dessa deformação continua a desenvolver-se e a pré-carga cai com ela. É também por isso que «uma anilha maior reduz a pressão de contacto» e «reapertar após um período de rodagem» são duas contramedidas clássicas.
• Relaxação de tensões a alta temperatura. Com a subida da temperatura, a tensão de cedência, a tensão de prova e a resistência à tração diminuem; o serviço prolongado a temperatura elevada produz relaxação de tensões, e a relaxação de tensões traz inevitavelmente perda de força de aperto. Como regra prática, a partir do momento em que a temperatura de serviço do elemento de fixação excede 150°C o seu desempenho deve ser examinado com cuidado.
• Diferenças de sensibilidade do material. Muitas vezes esquecido: os elementos de fixação conformados a frio (classes de propriedade 4.8, 5.8, 6.8) são mais sensíveis à relaxação de tensões do que os elementos temperados e revenidos ou aliviados de tensões. Utilizar um perno de classe 4.8 numa junta que opera continuamente a quente acarreta um risco que vai além da simples «resistência inferior».

Duas outras condições merecem atenção: quando se utilizam elementos de fixação de aço com chumbo a alta temperatura e a temperatura de serviço cai no intervalo de fusão do chumbo, deve considerar-se a fragilização por metal líquido (LME); para a seleção de materiais em elementos de fixação de alta temperatura, normas como a EN 10269 e a ASTM F2281 são referências úteis.

A lista de contramedidas para a relaxação:

• Aumentar a área de apoio: passar a parafusos ou porcas com aba, ou acrescentar uma anilha reforçada de grande diâmetro, para baixar diretamente tanto a pressão de contacto como a marca deixada.
• Aumentar a elasticidade da junta: usar pernos longos ou de haste reduzida (comprimento elástico k₀ > 4d) para que a junta não perca pré-carga com tanta facilidade à medida que a carga de serviço flutua. É também por isso que «preservar a elasticidade» e «resistir ao movimento transversal» são frequentemente aplicados em conjunto na prática de engenharia.
• Remover camadas intermédias moles: películas finas de tinta, almofadas de plástico e anilhas moles trazem perda contínua por fluência — a menos que a camada seja genuinamente concebida como elemento elástico (por exemplo, uma anilha de mola cónica dimensionada para um ponto de pré-carga específico).
• Reapertar quando necessário: reapertar uma vez após a junta ter estado algum tempo em serviço, para eliminar a perda inicial por assentamento.

11. Sequência de diagnóstico no chão de fábrica

Perante um caso de «soltou-se», seguir a ordem seguinte em vez de ir diretamente a uma peça de bloqueio diferente:

• Primeiro passo, olhar para os vestígios. Há algum vestígio de rotação relativa entre a porca (ou a cabeça do perno) e a face de apoio? O par roscado desenroscou-se visivelmente?
  Sim → desaperto por rotação. Não, com apenas uma marca anular na face de apoio → muito provavelmente desaperto por relaxação.
• Segundo passo, se for desaperto por rotação. Confirmar primeiro se a carga contém uma componente alternada transversal → verificar se L/d cai na zona de perigo → verificar se a pré-carga atingiu realmente o valor de projeto → escolher então o elemento de bloqueio (preferindo um cujo princípio seja complementar do que já existe) → validar por ensaio de vibração transversal.
• Terceiro passo, se for desaperto por relaxação. Verificar primeiro a temperatura de serviço e o estado das faces de contacto → aumentar a área de apoio, aumentar a flexibilidade do perno, remover camadas intermédias moles → avaliar se o «reapertar» tem de ser inscrito no procedimento de manutenção.
• Quarto passo, verificar o mesmo em ambos os casos. A pré-carga está realmente lá? Com aperto controlado por binário, a dispersão da pré-carga pode chegar a ±25 %, e se a pré-carga real for apenas metade do valor de projeto, então «o bloqueio era inadequado» e «nunca foi corretamente apertado» são duas histórias muito diferentes. Ver Quanto binário de aperto: três convenções e uma tabela de consulta para o detalhe.

Uma frase para terminar: a pré-carga é a primeira linha de defesa, a resistência ao deslizamento transversal é a segunda e o bloqueio positivo mecânico é a última. Saltar as duas primeiras e ir diretamente à terceira limita-se, habitualmente, a adiar a falha em vez de a eliminar.

Fontes

• Fastener Joint Design Handbook, capítulo 3 «Juntas aparafusadas»: mecanismos de desaperto, classificação dos métodos de bloqueio, exemplos de cálculo dos métodos de bloqueio comuns para juntas aparafusadas e a distribuição desigual da carga axial pelas roscas em contacto.
• DIN 65151, Características de bloqueio dos elementos de fixação — ensaio dinâmico sob carga transversal; ISO 16130 (equivalente internacional); DIN 25201-4. Incluindo o procedimento de duas fases (ensaio de referência/ensaio de verificação) e a métrica de pré-carga residual aos 2000 ciclos.
• Mecanismo de autodesaperto sob vibração transversal: teoria do escorregamento local e a conclusão de que a resistência por atrito desaparece momentaneamente quando as faces da rosca entram em deslizamento total (descrito sistematicamente pela primeira vez no documento técnico SAE 690055, 1969).
• VDI 2230: classes de coeficiente de atrito, o critério do quociente entre comprimento de aperto e diâmetro nominal e as verificações de pressão na face de apoio.
• Manual técnico da empresa: relaxação de tensões e adequação a alta temperatura, a sensibilidade das classes conformadas a frio à relaxação de tensões, risco de fragilização por metal líquido com aço com chumbo; EN 10269, ASTM F2281.
• Dispersão da pré-carga e o erro do aperto controlado por binário: ver o artigo «Quanto binário de aperto» neste sítio.