Tipos
Arruelas lisas
Arruelas planas são discos planos e circulares com furo central e espessura uniforme, sem dobras, travas ou deformações, servindo como componentes essenciais em conjuntos de fixação para distribuir a carga de um parafuso ou porca sobre uma área de superfície mais ampla e evitar danos ao material subjacente. Eles são comumente posicionados abaixo das cabeças dos parafusos ou porcas para garantir uma aplicação uniforme de pressão durante o aperto.[18]
As duas principais subvariações de arruelas lisas são os padrões USS (United States Standard) e SAE (Society of Automotive Engineers), que diferem principalmente em seu diâmetro externo em relação ao tamanho do furo interno, enquanto compartilham o mesmo diâmetro interno para um determinado tamanho de fixador. As arruelas USS apresentam diâmetro externo maior e maior espessura, tornando-as adequadas para aplicações de uso geral que exigem cobertura mais ampla, enquanto as arruelas SAE são menores e mais finas, projetadas para ajustes mais precisos em montagens especializadas.[18] Por exemplo, ambos os tipos com diâmetro interno de 1/2 polegada têm um diâmetro interno de cerca de 0,531 polegadas, mas o diâmetro externo do USS mede aproximadamente 1,375 polegadas em comparação com 1,062 polegadas para SAE. Essas dimensões atendem ao padrão ANSI/ASME B18.22.1 para arruelas planas.[19]
As principais propriedades das arruelas lisas incluem sua alta eficiência na distribuição de carga em superfícies uniformes, o que ajuda a acomodar pequenos desalinhamentos e reduz as concentrações de tensão localizada.[17] No entanto, eles oferecem apenas uma resistência mínima ao movimento axial, contando com o atrito do fixador para estabilidade.[18]
As arruelas lisas são vantajosas por sua economia e versatilidade em tarefas diárias de fixação, como na construção e em máquinas, onde é necessária uma distribuição simples da carga.[19] Suas limitações surgem em ambientes de alta vibração, onde podem não impedir suficientemente o afrouxamento sem componentes suplementares, como arruelas de pressão.[18]
Arruelas de mola e travamento
Arruelas de pressão e arruelas de pressão são fixadores especializados projetados para manter a pré-carga em juntas aparafusadas sujeitas a cargas dinâmicas, vibrações ou flutuações térmicas, evitando assim o afrouxamento automático. Ao contrário das arruelas planas, que distribuem principalmente cargas em aplicações estáticas, essas variantes incorporam deformação elástica para gerar forças axiais contínuas que resistem ao movimento relativo entre os componentes.[20][21]
As arruelas de pressão normalmente apresentam designs que permitem que a compressão produza força axial, com tipos comuns incluindo configurações helicoidais ou divididas. Arruelas de pressão helicoidais, geralmente formadas a partir de um anel dividido dobrado em formato de bobina, exercem tensão de mola quando comprimidas, incorporando suas bordas em superfícies de contato para aumentar o atrito e inibir a rotação. As arruelas de pressão cônicas, conhecidas como arruelas Belleville, têm um formato de tronco que desvia sob carga para aplicar forças axiais precisas; elas podem ser empilhadas em paralelo para aumentar a capacidade de carga – por exemplo, duas arruelas podem dobrar a carga – ou em série para estender a faixa de deflexão, permitindo a personalização para montagens de alta tensão.[23] As arruelas de pressão onduladas, adequadas para cargas mais leves, consistem em padrões ondulados estampados que se comprimem para fornecer amortecimento axial e absorver choques menores, oferecendo flexibilidade em configurações com espaço limitado onde a deflexão é limitada.[21]
As arruelas de travamento concentram-se na aderência friccional por meio de deformação ou serrilhas para proteger os fixadores contra afrouxamento rotacional. As arruelas de pressão divididas, um subconjunto de designs helicoidais, apresentam um anel cortado e torcido que penetra na porca e nas superfícies da peça ao apertar, criando resistência à torção. As arruelas de travamento dentadas incluem tipos internos com serrilhas voltadas para dentro que prendem a haste do parafuso e tipos externos com dentes externos que se incorporam na superfície de contato; ambas as variedades penetram em materiais mais macios para evitar deslizamento sob torque.[22] Arruelas de travamento internas, frequentemente usadas com substratos delicados ou mais macios, empregam bordas serrilhadas semelhantes direcionadas para dentro para minimizar danos à superfície enquanto mantêm a fixação.[22]
A mecânica dessas arruelas depende da recuperação elástica e do aumento do atrito para neutralizar o afrouxamento induzido pela vibração. Após a instalação, sua deformação armazena energia de deformação que gera uma pré-carga contínua, contrariando o relaxamento dos movimentos transversais cíclicos; por exemplo, arruelas de pressão podem reduzir pela metade a taxa de afrouxamento em testes de vibração Junker em comparação com juntas nuas, incorporando bordas e aumentando as forças de atrito.[24] Variantes de travamento, como os tipos divididos, melhoram ainda mais a retenção do torque, equilibrando os torques de afrouxamento com o atrito predominante, mantendo até 90% da pré-carga inicial durante a exposição prolongada à vibração em testes dinâmicos.[25] Essa tensão contínua impede o desprendimento completo, embora a eficácia diminua sob desgaste extremo ou sobrecarga.[24]
Essas arruelas são utilizadas principalmente em ambientes com tensões repetidas, como motores automotivos onde os tipos helicoidal e Belleville protegem os componentes contra fadiga vibracional, ou pontes estruturais que empregam pilhas cônicas para compensação de expansão térmica e estabilidade de carga.[23] Na indústria aeroespacial e em máquinas, as arruelas de travamento dentadas e bipartidas protegem contra deslizamento rotacional em ambientes de alta vibração, garantindo a integridade da junta a longo prazo sem reapertos frequentes.[22]
Arruelas Especializadas
Arruelas especializadas são variantes projetadas para desafios ambientais específicos ou requisitos de montagem em indústrias como construção, aeroespacial, automotiva, elétrica e geração de energia, onde arruelas padrão podem não ser suficientes devido a fatores como ângulos de superfície, encaixe nivelado, distribuição de carga em materiais finos, necessidades de isolamento, demandas estéticas ou condições extremas.[26] Esses tipos priorizam adaptações funcionais, como perfis cônicos ou materiais especializados, para melhorar o desempenho em aplicações de nicho sem depender de mecanismos de travamento baseados em tensão.[27]
As arruelas chanfradas apresentam bordas cônicas para acomodar superfícies inclinadas ou irregulares, garantindo uma distribuição uniforme da carga durante o aparafusamento. Eles são comumente empregados em montagens de aço estrutural, como parafusos de telhados inclinados ou conexões envolvendo flanges de canal e vigas em forma de S, onde a superfície não é perpendicular ao eixo do fixador.[27] Para vigas e canais do padrão americano, essas arruelas são normalmente quadradas ou retangulares, com espessura afilada para corresponder à inclinação, em conformidade com as dimensões especificadas para compatibilidade com parafusos de alta resistência.[28]
As arruelas escareadas possuem um formato cônico que permite que elas fiquem niveladas em furos cônicos, proporcionando um acabamento superficial liso e resistência ao afrouxamento induzido por vibração. Em aplicações aeroespaciais, arruelas escareadas leves protegem os painéis da aeronave, mantendo o alinhamento nivelado sob condições de alta tensão para eficiência aerodinâmica e integridade estrutural.[29] Na marcenaria, eles permitem reparos com o mínimo de rompimento da superfície, evitando rachaduras na madeira e proporcionando uma aparência limpa e uniforme ao redor do fixador.[30]
As arruelas do para-lama, caracterizadas por um grande diâmetro externo em relação ao furo interno, são excelentes na distribuição de cargas sobre materiais finos ou macios para evitar a passagem. Eles são amplamente utilizados em reparos automotivos, especialmente para fixar painéis de chapa metálica como para-lamas, onde a superfície de apoio expandida protege contra deformação durante o aperto.[31] Este projeto também encontra aplicação em instalações hidráulicas e elétricas envolvendo substratos frágeis.[32]
Arruelas de vedação, geralmente consistindo de um anel de metal colado a uma vedação de borracha ou elastomérica, criam barreiras estanques à água ou ao ar para evitar vazamento de fluido ou gás nos conjuntos. Os subtipos comuns incluem arruelas de vedação coladas e arruelas de compressão feitas de metais macios como cobre ou alumínio, que se deformam sob compressão para preencher lacunas. Eles são essenciais em encanamentos, sistemas hidráulicos e linhas de combustível automotivo, onde é fundamental manter as vedações sob pressão ou vibração.[33]