Impacto da Folga nas Propriedades de Cisalhamento dos Pinos Elásticos Espirais

Frequentemente, é feito um furo rebaixado ou escareado entre os componentes com a intenção de guiar o pino de um furo para o próximo. Embora a intenção seja compreendida, o vão resultante costuma ser inaceitável. Os Pinos Espirais da SPIROL são projetados com chanfros generosos para facilitar o alinhamento durante a instalação, portanto, escareamentos e rebaixamentos não são necessários (Figura 1). Esses detalhes, embora muitas vezes esquecidos, causam folgas e dobras que reduzem o desempenho do pino quando carregado por cisalhamento. A redução da resistência também contribui para a fadiga, que pode levar à falha prematura. Embora as causas da falha possam ser fáceis de identificar, é importante quantificar os efeitos da falha prematura para desenvolver um entendimento do seu impacto.

Foi feito um teste com um Pino Espiral para cargas leves da SPIROL, com aumentos incrementais na folga do plano de cisalhamento para entender melhor a magnitude da mudança no desempenho. A escolha por um pino para cargas leves deveu-se ao fato de que é facilmente instalado e removido. O pino selecionado foi um CLDP padrão 0,250 x 2,500 LBK, ou Pino Espiral de aço de alto carbono para cargas leves com acabamento de óleo inibidor de corrosão "seco ao toque". Este pino possui comprimento suficiente para permitir o teste com várias folgas.

Os Pinos Elásticos Espirais são projetados para instalação sem orientação extra de escareadores ou rebaixadores. O chanfro concêntrico e liso combinado com extremidades quadradas e bem definidas resultam em uma instalação sem problemas.

Figura 3A A fratura na superfície de um Pino Espiral em cisalhamento mostra falha em um plano simples.

Figura 3B O Pino Espiral em flexão apresenta curvatura na camada externa e uma superfície de fratura multi-planar.

Visualmente, há uma diferença significativa entre os pinos que falham no teste na flexão ou cisalhamento. Conforme mostrado na Figura 3A, os pinos que falharam no cisalhamento apresentam fratura em um plano. Quando os espirais estão deformados, eles parecem planos com o lado externo colapsando em uma direção. A Figura 3B mostra um pino testado com uma folga de 0,120" (3,05 mm). Nesta imagem, a curvatura claramente ocorreu a partir da curvatura que conduz à superfície fraturada.

Além disso, a superfície fraturada não se estende ao longo de um plano, mas exibe falha de forma diferente em cada espiral. É imprescindível avaliar as superfícies fraturadas dos pinos com falha, bem como os componentes receptores nos quais os pinos foram instalados. Não é incomum que não haja as características dos componentes receptores especificadas no desenho que introduz a folga. A causa raiz só pode ser precisamente determinada ao avaliar todos os componentes da aplicação. 

Foram testadas trinta amostras de cada condição e o resumo dos resultados encontra-se na Tabela 1. Os dados se alinham com a teoria de que a folga reduz a força máxima na fratura.  Uma observação interessante foi a menor alteração na força que ocorreu entre 0,072" (1,83 mm) e 0,120" (3,05 mm). A força necessária para fraturar o pino caiu 18% ou cerca de 800 lbs. (3,6 kN) ao aumentar a folga de 0,005" (0,13 mm) para 0,072" (1,83 mm), mas aumentar ainda mais a folga para 0,120" (3,05 mm) resultou em uma redução adicional de aproximadamente 150 lbs. (0,7 kN) totalizando uma variação de 22%.

A equação da tensão de flexão é¹:

onde Ff é a carga na fratura, R é o raio do pino e L é a distância entre os suportes. Como a folga é adicionada simetricamente para aumentar a distância entre os pontos de suporte, L muda para L+2g com g sendo a distância de folga adicionada em um dos lados. Usando os valores conhecidos, a Figura 4 mostra o impacto de g na força. A transição de cisalhamento para flexão ocorre rapidamente quando a folga excede o máximo recomendado de 0,005" (0,13 mm). Comensuradamente, os dados indicam que a maior mudança na resistência ocorre com um desvio mínimo das condições ideais de cisalhamento. À medida que a folga aumenta entre os componentes montados, a resistência continua a ser impactada negativamente, mas a magnitude da mudança não é tão substancial. Neste caso, com um CLDP 0,250 x 2,500 LBK, foi observada uma redução de 18% na força ao aumentar a folga de 0,005" (0,13 mm) para 0,072" (1,83 mm).

No geral, é um equívoco comum pensar que rebaixamentos ou escareamentos melhoram a inserção do pino e causam mínimo impacto na resistência da junta fixada. O chanfro moldado no Pino Espiral direciona o pino para o próximo furo, mesmo quando há algum grau de desalinhamento entre os furos, eliminando a necessidade de um rebaixamento ou escareamento. Os dados demonstram uma queda significativa na resistência do pino quando é adicionado um pequeno vão entre os planos de cisalhamento. Usando a resistência à flexão e os princípios de flexão de três ou quatro pontos, fica claro que o aumento da folga tem um efeito negativo na carga necessária para fraturar as peças. Ao projetar novas aplicações ou reavaliar as aplicações atuais, é importante minimizar o espaço entre os componentes para otimizar as propriedades de cisalhamento do pino e maximizar a vida útil da montagem. 

¹Callister, William D., “Stress-Strain Behavior” in Materials science and Engineering: An Introduction, 7th ed. New York: Wiley, 2007 pp 447-448