O que são molas de prato (molas Belleville)?

Umamola prato, também chamada de mola de Belleville ou arruela Belleville, é um anel cônico de aço que gera uma carga previsível quando comprimido. A geometria é simples. O comportamento, não. Esse pequeno cone é o motivo de essas molas estarem presentes em trens de pouso de aeronaves, pacotes de embreagem automotivos, flanges de dutos e atuadores de válvulas nucleares em todo o mundo.

Noções básicas: o que exatamente é uma mola prato?

Imagine uma arruela plana e, em seguida, pressione o centro para baixo até formar um cone raso.

Esse cone, carregado ao longo de seu eixo, armazena energia elástica da mesma forma que uma mola helicoidal, porém com uma altura muito menor.

Quatro parâmetros descrevem qualquer mola prato: diâmetro externo (De), diâmetro interno (Di), altura livre (Lo) e espessura do material (t).

O valor de projeto mais importante é a relação entre a altura livre do cone (ho) e a espessura (t), expressa como h/t.

Essa única relação define se a mola apresentará comportamento rígido, mais flexível ou praticamente constante sob carga.

As molas prato seguem duas normas europeias reconhecidas mundialmente.DIN EN 16983(anteriormente DIN 2093) abrange dimensões, tolerâncias e requisitos de qualidade.DIN EN 16984(anteriormente DIN 2092) abrange os métodos de cálculo.

Ambas as normas definem três séries, A, B e C, para cada diâmetro externo, sendo que cada série corresponde a um nível de carga diferente.

Uma mola identificada como A50, por exemplo, é uma mola da Série A com diâmetro externo de 50 mm e a maior capacidade de carga para esse tamanho.

Como funcionam as molas prato

Ao comprimir uma mola prato ao longo de seu eixo, o cone se achata e armazena energia elástica nesse processo.

A força é restituída de forma concêntrica.

Os caminhos de carga e descarga não coincidem integralmente. Essa diferença, chamadahisterese, decorre do atrito interno do material e, em um empilhamento, do atrito entre discos adjacentes, de modo que uma pequena parcela de energia se perde em cada ciclo, em vez de ser totalmente recuperada.

Sem momento de flexão, sem carga lateral — essa é justamente a limitação de uma mola helicoidal, e por isso as molas prato se destacam em montagens compactas e altamente carregadas, nas quais uma mola helicoidal aplicaria esforço lateral e poderia travar.

A relação h/t é o parâmetro que altera por completo o comportamento da mola.

À medida que essa relação aumenta, a curva carga-deflexão se afasta da linearidade e começa a se achatar.

Essa relação está amplamente consolidada na literatura de engenharia e é confirmada em referências de projeto de molas prato:

A região de força quase constante no meio da faixa é a parte útil.

Os projetistas exploram esse comportamento em embreagens de sobrecarga e dispositivos de segurança, nos quais o objetivo é manter uma força estável enquanto a junta se move.

Também por isso umamolacom alta relação h/t precisa de um eixo-guia ou uma luva guia.

Sem suporte, ela pode atravessar o conjunto ou bascular.

Empilhamento: em série, em paralelo e combinado

A verdadeira versatilidade das molas prato está no empilhamento.

A combinação de molas em diferentes orientações gera perfis de carga versus deflexão muito distintos a partir da mesma peça padronizada.

A combinação dos dois métodos, com algumas molas em paralelo e grupos desses conjuntos ligados em série, permite aos engenheiros obter praticamente qualquer curva de carga-deflexão a partir de uma única peça padronizada.

Esse é um dos principais motivos pelos quais as molas prato são tão comuns em equipamentos de precisão: um único anel de catálogo pode ser configurado para uma ampla faixa de requisitos de carga e curso, sem necessidade de desenvolver uma peça especial.

Molas prato versus molas helicoidais: quando escolher cada uma

Então, em que situações a mola prato deve ser escolhida em vez da mola helicoidal?

Quando o espaço é restrito e a carga é elevada, quase sempre.

Quando é necessário um curso longo e uniforme, raramente. A escolha inadequada é uma causa frequente de falhas em campo; por isso, vale avaliar com objetividade os compromissos de cada solução.

A tabela a seguir apresenta os fatores que normalmente definem essa escolha.

Materiais e Tratamentos de Superfície

É na escolha do material que muitos bons projetos começam a falhar de forma silenciosa.

O aço-base define, ao mesmo tempo, a faixa de temperatura, a resistência à corrosão e a vida em fadiga; por isso, uma escolha feita para economizar alguns centavos na tira pode se manifestar anos depois como uma mola trincada em um ponto que ninguém deseja abrir.

Aço carbono e aço ligado, normalmente 51CrV4 conforme a EN 10089, mantém sua elasticidade em serviço contínuo até cerca de 300°C, embora alguns fabricantes o especifiquem para temperaturas mais elevadas em exposições de curta duração.

Para aplicações corrosivas ou criogênicas até cerca de −200°C, as opções mais comuns são os aços inoxidáveisX12CrNi 17 7 (DIN 1.4310), utilizado em espessuras de até cerca de 1,25 mm, eX7CrNiAl 17 7 (DIN 1.4568)para molas de maior espessura, que os principais fabricantes classificam com excelente resistência à corrosão e aptidão para uso em alta temperatura, até cerca de 600°C.

Nas aplicações mais severas em turbinas e geração de energia, recorre-se a ligas à base de níquel, comoInconeleNimonic, que preservam as propriedades elásticas em temperaturas nas quais os aços inoxidáveis convencionais sofreriam relaxamento ou perda de resistência.

O tratamento de superfície também é decisivo.

Fosfatização e óleoé o acabamento padrão, oferecendo proteção básica contra corrosão e ajudando a mola a reter o lubrificante.

Jateamento por granalhainduz tensão residual de compressão na superfície, o que reduz as tensões de tração que normalmente iniciam trincas por fadiga.

Os guias de projeto dos fabricantes recomendam esse processo especificamente para molas submetidas a carregamento dinâmico, nas quais a vida em fadiga é prioridade.

Aplicações das molas prato

A principal vantagem da mola prato é fornecer elevada força em um espaço axial muito reduzido.

Isso a torna difícil de substituir em uma classe específica de problemas de engenharia: envelope compacto combinado com cargas elevadas e necessidade de comportamento consistente ao longo de muitos ciclos.

Os analistas apontam de forma consistente os setores automotivo, aeroespacial e de máquinas industriais como os maiores mercados de destino, seguidos de perto por óleo e gás, geração de energia e construção.

Como selecionar a mola prato correta: um roteiro prático

Não é possível selecionar uma mola prato diretamente a partir de um gráfico.

Comece pelo que a junta realmente exige — carga e curso — e depois avance de forma inversa pela geometria, pelo material e pela configuração em empilhamento.

As quatro etapas a seguir correspondem à sequência adotada pela maioria dos engenheiros.

Etapa 1: Definir a faixa de carga e deflexão

Qual é a carga mínima que a junta deve suportar e qual é o valor máximo que ela não pode ultrapassar?

Qual é o curso total exigido pelo sistema?

Esses valores condicionam todas as decisões posteriores.

Uma regra de projeto amplamente utilizada limita a deflexão de trabalho a 75% da altura cônica livre (ho).

Acima desse limite, a força e a tensão aumentam de forma acentuada, o que reduz a vida em fadiga.

Etapa 2: Definir a estratégia de empilhamento

Se a carga for o fator limitante e houver curso disponível, faça o empilhamento em paralelo.

Se o curso for a limitação, monte em série.

Arranjos híbridos — grupos de discos em paralelo conectados em série — atendem aplicações em que tanto a carga quanto o curso superam o que um único disco pode fornecer.

Mantenha os arranjos o mais curtos possível. Em pilhas longas, o atrito faz com que os discos na extremidade móvel sofram deflexão excessiva, enquanto os da extremidade oposta sofrem deflexão insuficiente.

Etapa 3: Selecione o material e o acabamento

Adequar o material à temperatura de operação, ao ambiente corrosivo e a qualquer requisito magnético.

Não adote aço carbono por padrão apenas porque seu custo é menor.

O material inadequado em uma válvula submarina pode gerar perdas por paradas muito superiores à diferença de preço entre os graus de aço para mola.

Etapa 4: Verifique em conformidade com a norma

A DIN EN 16984 estabelece o método de cálculo para carga e tensão, enquanto a DIN EN 16983 define dimensões e tolerâncias.

Em serviço de alto ciclo, a faixa de tensão de trabalho deve permanecer dentro do limite de fadiga do material, indicado pelos fabricantes em curvas S-N (tensão em função do número de ciclos) nos respectivos manuais de projeto.

As molas pré-assentadas (scragged), comprimidas até o achatamento durante a fabricação para que unidades sem recuperação elástica sejam descartadas, apresentam desempenho mais previsível em serviço dinâmico.

Normas e Conformidade

Aqui, duas normas orientam a aplicação e, se você já consultou desenhos mais antigos, ainda reconhecerá suas denominações alemãs de origem.

As normas DIN 2092 e DIN 2093 foram retiradas em 1º de fevereiro de 2017 e incorporadas às normas europeias abaixo.

O conteúdo técnico não mudou — apenas a numeração na capa —, de modo que uma peça especificada pela antiga DIN é a mesma peça na nova EN.

As molas conforme a DIN EN 16983 são agrupadas pelo método de fabricação, e essa classificação é definida pela espessura.

O Grupo 1 abrange discos com espessura inferior a 1,25 mm, conformados a frio com bordas arredondadas e sem superfícies de contato.

O Grupo 2 vai de 1,25 mm até 6 mm, inclusive, e contempla peças conformadas a frio ou obtidas por corte fino e usinagem.

O Grupo 3 abrange discos com espessura superior a 6 mm e até 14 mm, cuja fabricação, segundo a norma, deve prever superfícies de contato.

Essa classificação é relevante porque as faixas de tolerância variam entre os grupos.

Um disco do Grupo 3 não pode ser mantido dentro das tolerâncias do Grupo 1.

Função das superfícies de contato

Os discos do Grupo 3 (com espessura acima de 6 mm) são fabricados comsuperfícies de contato: pequenas superfícies usinadas na borda interna superior e na borda externa inferior, nos pontos em que os discos adjacentes realmente se tocam em uma pilha.

As superfícies mantêm os discos alinhados durante a montagem em pilha, mas também reduzem o braço de alavanca efetivo, o que eleva a força da mola. Os fabricantes compensam isso com uma leve redução da espessura do material (para t'), restabelecendo a força original a 75% de deflexão e a altura total original, porém com um ângulo de cone ligeiramente maior.

Perguntas frequentes

Molas disco e arruelas Belleville são exatamente o mesmo componente?

Sim. Trata-se do mesmo componente, com denominações diferentes. "Disc spring" é o termo adotado em normas europeias, como a DIN EN 16983, enquanto "Belleville washer" ou "Belleville spring" é a designação mais comum na América do Norte, em referência ao engenheiro francês Julien Belleville, que patenteou o conceito de mola cônica em 1867. Todas essas expressões se referem a um anel cônico solicitado ao longo de seu eixo.

Por que a curva carga-deflexão varia com a relação h/t?

À medida que a mola prato é comprimida até se aproximar do plano, seu ângulo cônico diminui e o braço de alavanca efetivo se encurta, alterando a rigidez ao longo do curso. Uma relação h/t baixa mantém esse efeito reduzido, de modo que a curva permanece quase linear. Já uma relação mais alta torna esse efeito predominante, produzindo uma curva regressiva e, na faixa intermediária, uma região de força praticamente constante. Trata-se de uma questão geométrica, e não de seleção de material; por isso, o mesmo aço pode apresentar curvas muito diferentes conforme a relação h/t.

Quantas molas prato podem ser empilhadas em conjunto?

Não há um limite fixo, mas fatores práticos determinam o teto. Pilhas longas em paralelo exigem um eixo-guia interno ou uma luva externa para evitar flambagem, e o atrito entre as molas aumenta com a altura do conjunto, o que reduz a precisão de carga. Muitos projetistas incorporam separadores entre as molas em pilhas longas e mantêm os conjuntos tão curtos quanto os requisitos de carga e curso permitirem, pois pilhas menores se defletem de forma mais uniforme sob carregamento dinâmico.

O que provoca falha prematura em uma mola prato?

As quatro causas mais comuns são exceder a recomendação de 75% de deflexão em serviço dinâmico, selecionar o material inadequado para a temperatura ou para o ambiente químico, operar um conjunto empilhado sem lubrificação, o que provoca engripamento das superfícies de contato, e comprimir a mola até o plano durante a montagem, o que a deforma plasticamente e altera permanentemente sua curva de carga. As molas nunca devem ser levadas ao plano por torque como método de montagem.

O que são superfícies planas de contato e por que algumas molas prato as possuem?

As superfícies planas de contato são pequenas áreas usinadas no diâmetro interno superior e no diâmetro externo inferior de uma mola prato, exigidas pela DIN EN 16983 para molas do Grupo 3 (espessura de material superior a 6 mm). Elas oferecem aos elementos empilhados um ponto de contato estável e alinhado, em vez de uma aresta viva. Como essas superfícies encurtam o braço de alavanca efetivo, aumentam a força da mola para uma mesma deflexão; para compensar esse efeito, os fabricantes reduzem ligeiramente a espessura (para t'), o que mantém a força em 75% de deflexão e a altura total inalteradas, embora o ângulo cônico aumente um pouco.

Molas prato podem ser utilizadas acima de 300°C?

Sim, desde que se utilize o material adequado. Aços carbono e ligados padrão, como o 51CrV4, mantêm suas propriedades elásticas em serviço contínuo até cerca de 300°C. Para temperaturas mais elevadas, recomenda-se o uso de aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação, como o X7CrNiAl 17 7 (DIN 1.4568), classificados pelos principais fabricantes para cerca de 600°C. Nas aplicações mais severas em turbinas e geração de energia, passam a ser empregados ligas à base de níquel, como Inconel e Nimonic. Em alta temperatura, a relaxação — perda gradual de carga sob compressão sustentada — se acelera e deve ser considerada na margem de projeto.

Como se calcula a carga de um conjunto de molas prato?

A relação carga-deflexão de uma mola individual é obtida pelas fórmulas da DIN EN 16984, que utilizam diâmetro externo, diâmetro interno, altura cônica, espessura e o módulo de elasticidade do material. Em um empilhamento em paralelo, a carga total é aproximadamente a carga de uma única mola multiplicada pelo número de discos. Em um empilhamento em série, a deflexão total é a deflexão de uma única mola multiplicada pelo número de discos sob a mesma carga. A maioria dos fabricantes disponibiliza calculadoras baseadas nessas fórmulas, e softwares de análise por elementos finitos (FEA) podem validar conjuntos híbridos mais complexos.

Referências e leitura complementar:Wikipedia,arruela Belleville· norma DIN EN 16983, disponível por meio deBeuth Verlag· U.S. Patent and Trademark Office,sistema de guia para mola Belleville (US8366082B2)

Este artigo foi elaborado para profissionais de engenharia e compras. Verifique sempre a seleção da mola com base nas normas completas DIN EN 16983 e DIN EN 16984 e consulte um engenheiro qualificado em aplicações críticas para a segurança.