Guia de seleção de lavadoras Belleville: dimensionamento, série e empilhamento

Compreendendo o sistema da série DIN EN 16983

Arruelas Belleville não são um produto de tamanho único. A antiga norma DIN 2093, agora absorvida pela DIN EN 16983, categoriza as arruelas em três séries distintas com base em suas relações dimensionais. A letra da série informa diretamente o perfil de rigidez da arruela. Usar uma arruela Série A em um flange de alumínio sensível causará embutimento e deformação, enquanto uma arruela Série C pode não fornecer carga residual suficiente para evitar o afrouxamento automático em um ambiente vibratório.

A Série B serve como carro-chefe para a maioria das juntas aparafusadas que exigem resistência à vibração. Quando você achata uma arruela Série B até 75% de sua deflexão total disponível, o aumento de carga é estável e previsível. As arruelas da Série C são especialmente adequadas para ambientes térmicos dinâmicos porque podem absorver uma expansão axial significativa de um parafuso sem multiplicar a força de fixação o suficiente para quebrar o fixador.

Calculando o tamanho correto do parafuso

A geometria física da arruela deve corresponder à haste do parafuso e à superfície de contato. Isto envolve três verificações dimensionais críticas. Primeiro, o diâmetro interno da arruela deve ultrapassar o diâmetro maior da rosca do parafuso com uma folga mínima; um ajuste desleixado aqui causa carregamento excêntrico. Em segundo lugar, o diâmetro externo da arruela determina a tensão de apoio no material fixado. Se a superfície sob a arruela for macia, exceder a resistência ao escoamento à compressão leva ao relaxamento do embutimento. Terceiro, a espessura da arruela e a altura do cone no estado descarregado determinam até que ponto você pode comprimi-la antes de ficar sólida. Você não pode permitir que uma arruela Belleville alcance sua posição plana sob cargas operacionais normais; você deve deixar uma margem de segurança de pelo menos 10-15% do curso total de deflexão para evitar contato sólido.

Correspondência do ID da arruela ao tamanho do parafuso

Os tamanhos métricos padrão são agrupados. Uma arruela projetada para um parafuso M8 normalmente apresenta um diâmetro interno de aproximadamente 8,4 mm. No entanto, para aplicações estruturais que utilizam roscas laminadas, o diâmetro real do corpo do parafuso pode estar ligeiramente abaixo do nominal. Verifique os seguintes pares como linha de base:

• O parafuso M6 requer ID da arruela ~ 6,4 mm, diâmetro externo normalmente 12,5 mm ou 14 mm.
• O parafuso M12 requer ID da arruela ~ 13 mm, diâmetro externo normalmente 23 mm ou 28 mm.
• O parafuso M20 requer ID da arruela ~ 21 mm, diâmetro externo normalmente 36 mm ou 40 mm.

A seleção de um diâmetro externo superdimensionado espalha a força de reação por uma área maior, reduzindo a pressão superficial. Isto é crítico ao fixar flanges de fibra de vidro ou alumínio macio, onde a tensão superficial deve ficar abaixo 100MPa .

Configurações de empilhamento e suas taxas de primavera

O empilhamento transforma o limite de desempenho de uma única lavadora. Os três arranjos fundamentais de empilhamento produzem identidades de carga-deflexão totalmente diferentes. Uma pilha paralela multiplica a força necessária para uma determinada deflexão, enquanto uma pilha em série multiplica a deflexão total disponível para uma determinada força. A mistura deles cria um sistema de mola progressivo com uma ponta de joelho na curva.

Empilhamento paralelo para maior força

Aninhe arruelas idênticas umas dentro das outras, todas orientadas da mesma maneira. Duas arruelas em paralelo dobram a saída de força para a mesma deflexão. Cinco arruelas em paralelo quintuplicam a força. No entanto, o atrito entre os cones aninhados aumenta a histerese. Na prática, uma pilha de quatro arruelas em paralelo experimenta um perda por atrito de aproximadamente 6-8% em comparação com a multiplicação linear teórica. A lubrificação das superfícies de contato com pasta de dissulfeto de molibdênio é necessária para uma conversão previsível de torque em pré-carga em pilhas paralelas que excedam três arruelas.

Empilhamento em série para viagens longas

Alterne a orientação de cada arruela para que elas se oponham. Duas arruelas em série dobram a capacidade total de deflexão no mesmo nível de força. Uma pilha de quatro em série proporciona quatro vezes o deslocamento. Este arranjo é ideal para carregamento dinâmico de um flange aparafusado que sofre expansão térmica cíclica. A pilha atua como uma mola flexível, mantendo a carga de fixação sobre uma folga que se expande e contrai vários milímetros.

Empilhamento misto para curvas progressivas

Combine um conjunto de arruelas paralelas com um conjunto de arruelas em série. Uma configuração típica é uma pilha "triplo paralelo e série dupla". Isso significa três arruelas aninhadas juntas (paralelas) e, em seguida, duas dessas anilhas triplas opostas (série). A curva da mola inicialmente segue o caminho rígido e de alta força dos triplos paralelos. Se a junta se separar ligeiramente sob sobrecarga, a oposição em série é acionada e a taxa da mola suaviza drasticamente, evitando um aumento acentuado na tensão do parafuso que, de outra forma, causaria falha por fadiga.

Seleção de materiais e interfaces de corrosão

O metal base da arruela determina sua vida útil à fadiga e resistência à corrosão. O aço carbono padrão (C67S, 1.5014) temperado e revenido a 42-48 HRC cobre a maioria das aplicações internas. Para aparafusamento estrutural externo ou ambientes marítimos, é necessário aço inoxidável AISI 316 ou Inconel 718, mas estes apresentam uma redução significativa na rigidez à tração em comparação com o aço para molas ligado.

Nunca combine uma arruela Belleville de aço carbono duro com um parafuso de aço inoxidável macio sem uma arruela plana intermediária endurecida. A borda cônica da arruela de pressão irá desgastar a superfície do rolamento do parafuso, criando um aumento de tensão que inicia trincas por fadiga. Uma arruela plana fina com superfície endurecida e furo chanfrado protege o raio do filete da cabeça do parafuso.

Configurando a pré-carga com arruelas Belleville

Usar o torque para definir a pré-carga em uma pilha Belleville não é confiável porque a deflexão da mola, e não o torque, determina a força de fixação. O método correto é calcular a deflexão da mola na pré-carga desejada e, em seguida, apertar até que a deflexão física seja medida. Para uma única arruela Série B com 2,15 mm de curso total, você pode almejar 1,5 mm de deflexão (70% do curso) para atingir a carga plana nominal. Isto é verificado com um relógio comparador ou um micrômetro de profundidade medindo a folga entre as placas fixadas. Se a pilha de arruelas estiver oculta, use tensionamento hidráulico ou meça o alongamento do parafuso por ultrassom. Depender apenas de uma chave dinamométrica pode resultar na dispersão da pré-carga ±25% , que muitas vezes excede a faixa elástica de trabalho da arruela.

Evitando modos de falha comuns

A falha por fadiga geralmente começa na borda interna da arruela, onde as tensões de tração do arco se concentram durante a compressão. Shot peening na superfície côncava da arruela atrasa o início da trinca. Certifique-se de que a superfície do rolamento contra o diâmetro interno esteja livre de rebarbas afiadas ou respingos de solda. Uma rebarba na haste do parafuso atua como uma ferramenta de corte, marcando o furo da arruela e gerando uma origem de fratura. Outra falha negligenciada é o empilhamento invertido. Se uma única arruela for virada acidentalmente, a junta perde totalmente sua função de mola e se torna uma junta plana sujeita ao afrouxamento imediato. Sempre marque a borda externa das pilhas paralelas com uma caneta de tinta após a montagem para que uma arruela invertida fique visualmente óbvia durante a inspeção.

Lista de verificação de aplicação para juntas de alta vibração

Antes de finalizar um projeto, verifique estes cinco pontos. Primeiro, o comprimento fixado do parafuso deve ser suficiente para que a deflexão da arruela seja uma fração significativa da elasticidade total da junta. Em segundo lugar, a arruela não deve ser totalmente achatada na carga máxima de serviço. Terceiro, a superfície do rolamento deve ser endurecida ou protegida por uma arruela plana. Quarto, o número de arruelas paralelas não deve exceder quatro sem redução de atrito. Quinto, o material deve suportar o limite superior de temperatura do ambiente sem perder a paciência. A falta de qualquer uma dessas verificações compromete a razão fundamental para selecionar uma arruela Belleville em vez de uma arruela de pressão dividida, que perde tensão após uma pequena quantidade de embutimento.