A calibração de dispositivos para medição de torque estático

Por Hayrton Rodrigues do Prado Filho

As medições do torque são feitas de acordo com um de dois princípios básicos – medição estática ou medição dinâmica. A estática significa que o torque de aperto é verificado após o processo de aperto ter sido concluído.

A medição é geralmente realizada manualmente com um torquímetro que pode ser uma escala que mede a carga sobre uma mola ou um instrumento ativado por um transdutor eletrônico (célula de carga-aferidor de tensão ou strain gauge). Um método muito comum de verificação do torque de aperto é usar um torquímetro de estalo equipado com uma embreagem que pode ser pré-ajustada a um torque específico.

Se o torque for maior do que o valor de torque preestabelecido, a embreagem irá soltar-se com um estalo. Se o torque for menor, o aumento do torque final é possível até que a embreagem estale.

Um aperto excessivo não pode ser detectado com o torquímetro de estalo.Para medir o torque estático, o valor de torque deve ser lido instantaneamente quando o parafuso começa a girar.

Para o Controle Estatístico do Processo (CEP), os verificadores eletrônicos de torque podem ser programados para armazenar um número de leituras para análise, seja manualmente ou conectado a um computador. A medição dinâmica, por outro lado, significa que o torque é continuamente medido durante o ciclo de aperto completo. Esse é geralmente o método preferido em produção onde são usadas ferramentas para aperto.

A vantagem sobre o método estático é que a medição dinâmica fornece uma indicação do desempenho da ferramenta de aperto sem a influência do relaxamento na junta e variações no atrito em repouso. Além disso, ele também elimina a necessidade de verificação subsequente.

Já a medição dinâmica é feita seja diretamente pela medição com um transdutor de torque incorporado ou externo inline, ou indiretamente pela medição da corrente de algumas parafusadeiras e apertadeiras elétricas sofisticadas. Nos dois casos, a medição do torque é possível apenas quando as ferramentas têm transmissão de torque direta, ou seja, não uma força de pulsação, como é o caso com chaves de impacto e apertadeiras de impulso.

O transdutor de torque externo inline é montado entre o eixo impulsor da ferramenta e o soquete ou bit da parafusadeira. É basicamente uma haste motriz com resistências instaladas, a chamada Wheatstone Bridge, que sente a deformação elástica do corpo como resultado do torque aplicado e produz um sinal elétrico que pode ser processado em um instrumento de medição. Os transdutores externos inline encontram-se também disponíveis com um codificador de ângulo incorporado para monitoramento do ângulo de aperto.

A NBR 12240:2013 – Materiais metálicos – Calibração de dispositivos para medição de torque estático é válida, basicamente, para instrumentos de medição de torque onde o torque é definido pela medição da deformação elástica de um material elástico ou de um mensurando proporcional a ele. O instrumento de medição de torque é definido como um conjunto, desde o transdutor de torque até o instrumento indicador. É válida para a calibração de instrumentos de medição de torque utilizados na calibração estática de máquinas de ensaios, de instrumentos de medição de torque para aplicações gerais (como sensores de torque, ferramentas de torque, bancadas de testes de potência, etc.), bem como aqueles para utilização como padrão de transferência.

É descrito um procedimento de classificação destes instrumentos, e é feita uma sugestão para a determinação da incerteza de medição (ver Anexo C). Quando o instrumento de medição de torque é utilizado para medir torques alternados, é necessária uma consideração ampliada, de acordo com o Anexo E. Esta norma não é válida para torquímetros.

Todos os componentes, desde o transdutor de torque até o instrumento indicador, são partes integrantes de um instrumento de medição de torque. Todas as partes do instrumento de medição de torque (incluindo os cabos de conexão elétrica) devem ser marcadas separadamente e sem ambiguidade (por exemplo, indicando o nome do fabricante, o tipo, se é uma conexão condutora 4 ou 6, ou algo semelhante, e o número de série).

O torque nominal deve ser indicado no transdutor de torque, e o lado de medição deve ser marcado, se este for importante para a medição. Entende-se por “lado de medição do transdutor de torque” o lado em que o torque a ser medido é aplicado. Os cabos e os elementos de adaptação podem levar a desvios que influenciam o resultado da medição.

O transdutor de torque e seus componentes devem ser concebidos de tal forma que, tanto no sentido horário quanto no sentido anti-horário, os torques possam ser aplicados livres de força de cisalhamento e momento fletor. As dimensões recomendadas para os acoplamentos são apresentadas no Anexo B.

A deformação elástica do corpo elástico do transdutor de torque pode ser medida por meios elétricos, mecânicos ou outros. A calibração significa que torques conhecidos – torques de calibração, MK – são aplicados no instrumento de medição de torque, pelo qual os valores indicados são registrados. Um instrumento indicador elétrico pode ser substituído por outro similar, se, devido à sua especificação técnica e sua incerteza de medição, os seus desvios têm uma influência insignificante no resultado da classificação do instrumento de medição de torque (a incerteza de medição adicional causada pela substituição do instrumento indicador não pode exceder 1/3 da incerteza-padrão combinada relativa do resultado de calibração, w(MK)).

Com relação à substituição, deve-se considerar que a tensão de entrada, se também modificada, pode influenciar significativamente o resultado da medição. Quando o instrumento indicador for substituído, é particularmente importante ajustar a tensão de entrada de acordo com as indicações do cliente.

Na maioria das vezes, a substituição do instrumento indicador tem pouco impacto no caso de instrumentos de medição de torque, onde uma grande parte do fornecimento de energia elétrica e/ou da amplificação do sinal de saída é assegurada por circuitos eletrônicos ativos que são integrados ao transdutor. Deve-se assegurar que: os acoplamentos para a adaptação de instrumento de medição de torque, em sistemas de calibração, podem transmitir pelo menos 1,5 vez o torque máximo de calibração; quando há carregamento com o torque máximo de calibração, uma mudança de comprimento axial máximo do instrumento de medição de torque, incluindo seus acoplamentos de adaptação, não ultrapasse 1 mm; somente tais acoplamentos são utilizados em sistemas de calibração os quais limitam a deformação material resultante no corpo elástico por superposição das grandezas de interferência (força axial, força de cisalhamento e momento fletor) e torque de calibração para 1,2 vez as tensões elétricas causadas pela introdução do torque a ser calibrado (sem grandezas de interferência).

Deve ser assegurado, antes da calibração, que uma sobrecarga no instrumento de medição de torque, incluindo seus acoplamentos, tenha ocorrido com o torque nominal excedido em 8 % a 12 % pelo menos, por quatro vezes e durante 1 min a 1,5 min cada. O objetivo deste procedimento é excluir qualquer dano subsequente no sistema de calibração devido a um inesperado mau funcionamento do transdutor de torque, incluindo seus acoplamentos adaptadores, por exemplo, devido à quebra.

No caso de um instrumento indicador, com a escala analógica, todas as linhas de graduação da escala devem ter a mesma largura, e a largura do ponteiro tem de ser aproximadamente a mesma que a de uma linha de graduação. A resolução r é definida como a menor fração proporcional de uma divisão de escala, e resulta da razão entre a largura do ponteiro e a distância entre os centros de duas linhas adjacentes de graduação (intervalo de linha de graduação). As proporções de 1/2, 1/5 ou 1/10 devem ser selecionadas. Uma distância de 1,25 mm ou maior é necessária para a estimativa de um décimo da divisão de escala.

Para a escala digital, a resolução r é considerada como sendo um incremento numérico do último algarismo em movimento sobre o mostrador numérico, desde que a indicação, quando o instrumento de medição de torque está descarregado, não varie mais do que um incremento numérico. Se, em um instrumento de medição de torque sem carga mecânica, a indicação variar em mais do que o valor especificado anteriormente para a resolução, a resolução é definida como sendo metade da faixa de flutuação mais um incremento numérico.

A resolução r é indicada na unidade de torque ou em seus múltiplos ou submúltiplos. Tendo em conta a resolução r na qual o instrumento indicador pode ser lido, o torque mínimo aplicado em um instrumento de medição de torque (limite inferior da faixa de medição, MA) deve respeitar os valores indicados na Tabela 3 disponível na norma.

A unidade do instrumento indicador deve ser ajustada de acordo com as disposições do fabricante ou com as especificações do cliente. Todos os ajustes de variáveis devem ser registrados. A unidade do instrumento indicador deve ser verificada quanto à estabilidade suficiente de seu valor zero, antes de iniciar a calibração.

Antes da calibração, e com a tensão de alimentação aplicada, deve-se esperar até que a temperatura do transdutor se estabilize com a do ambiente. A temperatura ambiente deve ser registrada no início e no final de cada série de medições. Os suprimentos do sistema de calibração (por exemplo, ar comprimido) não podem causar gradientes de temperatura no instrumento de medição de torque, o que poderia influenciar a incerteza da medição.

A calibração é feita separadamente para torque horário e/ou anti-horário. A calibração do instrumento de medição de torque é realizada como: um procedimento puramente estático, pela medição de valores distintos de torque (típica de sistemas de calibração com sistemas de alavanca de massa); ou um procedimento em ciclo contínuo (quase estático), sem tempo de espera entre os valores distintos de torque (típico de sistemas de calibração com transdutores de torque de referência para a calibração de medidores de torque pelo método de comparação).

Na medida do possível, na utilização subsequente do instrumento de medição de torque a ser calibrado, deve ser levada em conta a escolha do procedimento de calibração. Diferenças nos resultados, devido à fluência dos transdutores, podem ocorrer entre os dois procedimentos.

No caso de uma calibração com aplicação de valores de torque estáticos, deve-se levar em conta que o tempo de calibração pode influenciar no resultado da calibração. Uma causa considerável para isso está na fluência dos transdutores. Pelo registro dos valores medidos imediatamente após o fim de um pré-carregamento, e após 3 min de tempo de espera (fluência de curta duração), é possível avaliar sua influência.

No caso de uma calibração contínua (quase estático), é necessário assegurar que o processo de aquisição dos dados medidos do valor de torque pré-ajustado (padrão de comparação) e do sinal de saída do objeto de calibração não levem a desvios de medição sistemáticos que influenciem o resultado de calibração dentro da determinação dos limites de especificação da classe. Os seguintes critérios, entre outros, podem ter uma influência: as configurações de filtro do instrumento indicador, uma possível diferença de tempo na recuperação dos valores medidos dos sinais da medida de referência e do objeto de calibração, a velocidade de aceleração de torque.

A utilização de procedimentos de calibração contínua requer investigações experimentais antes de determinar a influência das condições do método sobre a incerteza de medição do resultado de calibração. Os valores medidos (pontos de referência) devem ser determinados pelo cálculo do número mínimo de valores de torque para cada série de medição e, com base nisso, o resultado de calibração Y ou Yh, os erros de reprodutibilidade e repetibilidade b e b’, a variação de zero f0, o erro de reversibilidade h, assim como os desvios de interpolação, fa, ou de indicação, fq, devem ser determinados de acordo com 5.4.7.1 a 5.4.7.5.

Para a avaliação do instrumento de medição de torque, devem-se distinguir dois casos:

– caso I: o instrumento de medição de torque é utilizado apenas para torques crescentes. Por meio deste, o resultado da calibração deve ser obtido a partir dos valores apresentados nas séries crescentes, como média de diferentes posições de montagem, e corrigido do ponto zero. Uma função cúbica ou linear é calculada por meio do ponto de origem, e o desvio de interpolação é determinado. O erro de reversibilidade não entra na classificação de acordo com a Seção 6; também não tem qualquer contribuição no resultado da medição a incerteza-padrão, w(MK), de acordo com o Anexo C. O desvio de interpolação, no entanto, é considerado em todos os casos;

– caso II: o instrumento de medição de torque é utilizado para medições de torque nas quais não se sabe nada sobre as mudanças de direções de carga (crescente ou decrescente). Neste caso, o resultado da calibração deve ser obtido a partir dos valores médios da série crescente e decrescente, na média para diferentes posições de montagem, e corrigido do ponto zero. A função linear é calculada pelo ponto de origem, e é determinado o erro de interpolação. No caso dos instrumentos de medição com uma escala fixa, o erro de interpolação é substituído pelo erro de indicação. O erro de reversibilidade e o erro de interpolação ou indicação devem ser levados em consideração para a classifi cação de acordo com a Seção 6, ou como uma contribuição para o intervalo de incerteza relativa, W’ (MK), de acordo com o Anexo C.

A calibração é válida apenas para o caso de aplicações em que o instrumento de medição de torque é utilizado em concordância com as condições de calibração indicadas no certificado de calibração de acordo com 5.1 a 5.3. As configurações do instrumento indicador, como a tensão de alimentação, a resolução, filtro, etc., devem ter atenção especial.

Precauções devem ser tomadas durante a utilização, de modo que o dispositivo não seja submetido a torques que são mais elevados do que o torque nominal e não sofra interferência das forças e torques causados por peças e condições de adaptação inadequadas, que possam conduzir a erros maiores do que os determinados durante a calibração. No caso de um instrumento de medição de torque, cujo instrumento indicador foi avaliado como sendo não interpolável, a calibração e, assim, a classificação, são válidas apenas para os valores distintos selecionados para este fim.

Quando se utiliza de tal dispositivo para valores intermediários, deve-se levar em conta que a incerteza de medição que se espera pode ser maior do que a indicada pela classificação, e que a classificação é, portanto, inválida nestes casos. Se um instrumento de medição de torque for utilizado, a uma temperatura diferente da temperatura de calibração, uma componente adicional da incerteza deve ser calculada a partir da especificação do fabricante sobre a influência da temperatura no ponto zero e nas características de propagação desta componente.

Se um instrumento de medição de torque for utilizado por um longo período de tempo ou se a última calibração foi realizada há mais tempo, o resultado da medição pode ser influenciado por uma insuficiente estabilidade em função do tempo do instrumento. Em tais casos, os parâmetros “estabilidade no ponto zero” e “estabilidade a longo prazo” do valor característico devem ser determinados no âmbito de uma inspeção dos equipamentos de ensaio, e respectivas medições devem ser consideradas na planilha de incerteza de medição. Se um instrumento de medição de torque for utilizado para a medição dos torques alternados (torques horários e anti-horários, com troca de sentido de calibração), então o Anexo E deve ser considerado.

Vibrações mecânicas e choque

Enquanto a vibração é a variação no tempo do valor de uma grandeza a qual descreve o movimento ou posição de um sistema mecânico, quando o valor é alternadamente maior ou menor do que certo valor médio ou de referência, o choque mecânico existe quando uma força, uma posição, uma velocidade ou uma aceleração é subitamente modificada, excitando perturbações transitórias em um sistema. Nota: A modificação é considerada súbita quando ocorre em um tempo que é curto comparado com os períodos fundamentais concernentes.

Os choques mecânicos com grande intensidade podem causar desconforto e danos estruturais ao corpo humano. As vibrações mecânicas, mesmo de baixa intensidade, podem causar desconforto e danos estruturais ao corpo humano, essencialmente devido à ressonância.

Os ensaios dinâmicos constituem uma ferramenta de extrema importância para a qualificação e aprimoramento da qualidade mecânica de um produto em suas fases de projeto e desenvolvimento. São os ensaios dinâmicos que permitem que se conheça o comportamento estrutural de dispositivos, componentes, equipamentos e sistemas completos, através da simulação, de forma controlada em laboratório, dos esforços mecânicos/dinâmicos (vibração e choque) que se apresentam nas condições normais de operação, utilização e de transporte do produto. Essas condições são simuladas (geradas) por vibradores eletrodinâmicos, de modo a permitir a identificação/caracterização de importantes parâmetros, tais como as frequências naturais, fatores de amplificação, modos de vibração, resistência à fadiga, etc.

A NBR ISO 13753 de 03/2015 - Vibrações mecânicas e choque - Vibração no sistema mão-braço - Método para medição da transmissibilidade da vibração em materiais resilientes sob preensão pelo sistema mão-braço específica um procedimento para determinar a transmissibilidade de um material resiliente quando este se encontra sob preensão do sistema mão braço. O método é aplicável a todos os materiais que apresentem comportamento linear.

Espera-se que este método seja aplicável na maioria das espumas elásticas, materiais de borracha e, de forma provisória,em materiais de tecidos ou sintéticos. O método pode ser aplicado a sistemas mistos, por exemplo, em material composto de tecido e uma base de borracha ou de espuma.

Espera-se que os resultados destes ensaios de laboratório sejam utilizados na triagem de materiais a serem aplicados para atenuação de vibração nos punhos de ferramentas e na confecção de luvas antivibratórias. Isto permitirá uma ordenação de materiais para luvas, mas não necessariamente irá predizer a transmissibilidade das luvas fabricadas a partir destes materiais (para este proposito, ver ISO 10819).

Esta norma foi desenvolvida em resposta à crescente demanda para proteção das pessoas contra os riscos de danos causados pela exposição à vibração transmitida à mão. Várias normas referem-se à medição e avaliação do risco de exposição à vibração e a métodos de ensaios específicos de ferramentas e processos.

Os materiais resilientes são usados para cobrir empunhaduras e para fabricação de luvas. Espera-se que ambos possam reduzir a magnitude da exposição à vibração. Esta Norma descreve um método de medição da atenuação de vibração de amostras de material na forma de superfícies ou camadas planas.

Em alguns casos, o material pode ser constituído de duas ou mais camadas que formam uma amostra. É uma medição de laboratório e oferece um procedimento confiável e reprodutível.

Esta norma pressupõe que o material tenha um comportamento linear apresentando uma massa desprezível em comparação com a massa de preensão. Uma correção pode ser feita para a massa do material, se requerido. O método determina a impedância do material, quando está sob a ação da massa, a qual fornece uma força de compressão equivalente à encontrada quando o material está sob preensão das mãos.

Isto é obtido por meio da medição da função de transferência de transmissão do material sob preensão em todas as frequências requeridas. A transmissão da vibração sob preensão das mãos é calculada utilizando os valores padrão da impedância do sistema mão braço e de valores medidos da impedância do material.

As impedâncias utilizadas nesta norma são aplicáveis à palma da mão quando esta pressiona uma empunhadura circular. O resultado da transmissibilidade pode não ser aplicável para os dedos. Quando o material está sob compressão do sistema mão braço, utiliza-se a impedância na direção ZH.

A base matemática do método está contida no Anexo B. Se os resultados deste procedimento de medição apresentar transmissibilidades superiores a 0,6 em todas as frequências acima de 500 Hz, o material provavelmente não oferecerá maiores atenuações em situações práticas nas mesmas faixas de frequência.

Em situações práticas, convém que a transmissibilidade em função da frequência seja apropriada para o espectro de frequência da fonte de vibração. Esse método utiliza um sistema de excitação de vibração (vibrador) no qual o material resiliente é posicionado com a massa de carregamento m na superfície superior. Os acelerômetros medem a vibração do vibrador, a1, e a vibração da massa m, a2.

O vibrador pode produzir um sinal aleatório de banda larga ou um sinal senoidal. O relatório de ensaio deve conter as seguintes informações: a referência a esta norma; nome e endereço do fabricante do material; a descrição do material, incluindo espessura, dimensões, massa e tipo de material; número de amostras ensaiadas; nome e endereço do laboratório de ensaio e sua data; descrição do sistema de medição; tipo de sinal de excitação (senoidal ou randômico) e seus dados característicos; condições ambientais, incluindo temperatura e umidade; valores de transmissibilidade na frequência (em hertz): 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500 e, se possível, em 10, 12,5, 16, 20, 25, 31,5 e 40.

Publicado originalmente em: Portal Banas Qualidade

Acessado em: 14/06/2015, 17:35 - Horário de Brasília