Na verdade, não é tão simples como regra geral - existem muitos fatores em cada aplicativo. Eu vou assumir que a sua aplicação de parafusos é uma situação bastante tradicional em que você está aparafusando uma peça de material em outra (um plano de cisalhamento) e não um sanduíche mais complexo (almofadas de isolamento, placas de transição etc.)
Na maioria das conexões aparafusadas, os parafusos destinam-se a fornecer uma força de aperto normal para as superfícies de desgaste, para permitir que uma grande força de atrito se desenvolva entre os dois materiais que estão sendo aparafusados. Assim, enquanto praticamente sempre verificamos se os parafusos podem suportar a carga no cisalhamento, para o projeto da conexão para desempenho, a ação de fixação é uma consideração maior. Se suas superfícies esmaltadas são muito planas e limpas e seus dois materiais são muito rígidos, você pode imaginar que um único parafuso grande seria suficiente para qualquer problema, pois a força de fixação aplicaria fricção igual em toda a superfície esmaltada. Um problema ao usar um único parafuso é que, se a junta deslizar, ela poderá deslizar em uma direção que afrouxe a porca contra o parafuso, levando a uma falha catastrófica.
Na realidade, geralmente nossas duas superfícies são um pouco flexíveis, sujas e não planas. Por causa disso, um parafuso aplica com sucesso apenas uma força de aperto em uma pequena área ao seu redor, de modo que as juntas que resistem a um momento (como a maioria das montagens de motores) não serão muito eficazes com um único parafuso. Em vez disso, adicionar mais parafusos, mais afastados um do outro, cria 'pares de momentos', onde, devido à distância entre cada parafuso, a resistência ao deslizamento real necessária em cada parafuso é menor. Em geral, para conexões que resistem a um momento, você deseja maximizar o tamanho geral do padrão de parafuso dentro do razoável.
Obviamente, existem vários outros fatores. Como você sugere, como a tolerância absoluta é maior em parafusos maiores, eles geralmente exigem mais orifícios desleixados, o que significa que não fornecerão inerentemente um alinhamento tão bom quanto os parafusos menores. No entanto, se você alinhar seus componentes de forma independente (medindo ou com um gabarito) e apertar os parafusos, ainda poderá manter o componente no lugar certo. Por outro lado, como os orifícios para parafusos menores geralmente são menos grandes, o alinhamento de um padrão de muitos parafusos pequenos exige uma usinagem muito mais precisa de suas peças do que o alinhamento de alguns parafusos maiores. Isso se deve principalmente ao menor fator de sobredimensionamento, mas é agravado pelo fato de que quanto mais buracos você tiver,
Quanto ao custo, para peças de tamanho modesto, os custos de usinagem das peças quase certamente custam mais do que o custo dos prendedores, então alguns parafusos maiores seriam uma opção melhor - parafusos um pouco mais caros, mas menos furos para perfurar. O tamanho de um furo a perfurar tem muito menos impacto no custo do que o tempo para localizar um novo furo, especialmente se for profundo o suficiente para exigir várias etapas (como uma broca de localização ou broca central) e, portanto, uma troca de ferramenta. Além disso, dependendo da sua escala, materiais e espessura, algumas vezes os furos menores são mais caros, pois precisam ser perfurados menos agressivamente para evitar a quebra da ferramenta. Duas grandes exceções a essa declaração seriam se suas peças fossem produzidas em massa por fundição, moldagem por injeção ou por um processo volumétrico semelhante, ou se eles estiverem sendo cortados por um processo de criação de perfil, como jato de água ou corte a laser, em que polegadas lineares são o principal fator de custo. Como você aponta, o tempo de montagem do dispositivo é maioritariamente controlado pelo número de parafusos do que pelo tamanho - para um determinado comprimento de rosca - um parafuso grande é realmente mais rápido de apertar. Portanto, isso também favorece menos parafusos maiores.
Quanto a uma fórmula que governa a força de aperto, não é nada muito especial. Depois de estabelecer a pretensão em cada parafuso como instalado, basta multiplicá-lo pelo coeficiente de atrito estático da sua combinação de superfícies deterioradas. A parte difícil é estabelecer a pretensão que você realizará em cada parafuso - existem fórmulas que fornecerão tensão em função do torque, ângulo de avanço e materiais, mas são conhecidas por não serem muito precisas. A melhor maneira de encontrar esse valor seria através da medição direta após apertar os parafusos usando o mesmo método que você utilizará na produção (torque, sensação, rotação da porca, etc.)
Existem algumas vantagens principais em ter mais parafusos.
A primeira é que as cargas são distribuídas de maneira mais uniforme, especialmente quando a rigidez do dispositivo em si é um pouco marginal e quando é importante garantir que nenhuma separação ocorra, por exemplo, em juntas de flange de sistemas de fluido de alta pressão.
Em segundo lugar, ter mais parafusos para a mesma carga nominal significa menor diâmetro do furo e um diâmetro menor do flange, o que pode ser útil quando você precisar empacotar as coisas o mais firmemente possível (por exemplo, em aplicações de motores automotivos).
Terceiro, mais fixadores podem melhorar a redundância, ou seja, se você tiver 4 parafusos e 1 estiver abaixo da especificação ou montado incorretamente, você perderá 25% da resistência do projeto se tiver 10 parafusos e um estiver errado, você perderá apenas 10%.
O outro lado da moeda é que o uso de muitos fixadores pequenos para suportar uma carga muito maior que sua capacidade individual pode causar falhas em cascata se você tiver condições imprevistas de carregamento e conseguir descompactar as juntas.
Por outro lado, pode haver casos em que um grande número de fixadores dificulta a montagem e a manutenção, especialmente se o acesso for limitado e é provável que os fixadores possam corroer ou congestionar ou apreender. Da mesma forma, fixadores de menor diâmetro podem ter uma faixa de torque aceitável menor que os maiores.
Também é importante ter em mente que a melhor prática no projeto de acessórios parafusados é que os parafusos funcionem prendendo duas superfícies juntas, de modo que as forças de cisalhamento sejam resistidas pelo atrito entre as superfícies correspondentes, em vez de serem transportadas diretamente pelos parafusos. Da mesma forma, os parafusos geralmente exigem folga moderada nos furos rosqueados e, portanto, não são adequados como o único meio de fornecer um alinhamento preciso entre duas partes. Onde isso é necessário, é comum haver algo como um arranjo de pinos ou entalhes para fornecer um meio positivo de alinhamento.
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Na indústria de máquinas, os seletores de parafusos holo-krome são usados regularmente para obter torque de aperto e tensões de parafusos resultantes: o verde é para polegadas e o azul é para métrica: https://www.google.com/#q=holo-krome + parafuso + seletor + cartões
Se possível, os tamanhos em miniatura, como 2,5 mm, são evitados. Simplificado, a força do parafuso é proporcional à área da seção transversal, ou PI * R ^ 2. Na comparação de 6 mm a 2,5 mm, os raios correspondentes são 3 e 1,25. As relações de resistência correspondentes são aproximadamente 3 ^ 2 e 1,25 ^ 2, ou 9 a 1,56, ou uma proporção de 5,8.
Os parafusos maiores podem precisar de um local de travamento azul para não se soltar devido à vibração: o comprimento do parafuso sob tensão geralmente precisa ser 4x o diâmetro para ser considerado resistente à vibração.
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É sempre melhor usar parafusos mais pequenos do que alguns maiores, porque se alguns deles falharem, é melhor ter mais deles.
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