Guia de cálculo e seleção de dobradiças de binário: Fórmulas e padrões

As dobradiças de binário (também conhecidas como dobradiças de fricção ou dobradiças de paragem livre) introduzem um amortecimento controlável e um binário de retenção numa junta rotativa. Permitem que uma tampa, um ecrã ou uma porta mantenham a sua posição em qualquer ângulo sem retorno de mola, assegurando uma sensação consistente durante a abertura e o fecho.

Em computadores portáteis, portas de serviço de equipamento industrial, braços de exposição médica e instrumentos de precisão, estas dobradiças afectam diretamente a qualidade da HMI (Interface Homem-Máquina), a vida útil do produto e a segurança.

Este guia completo fornece métodos práticos de cálculo de binário, um fluxo de trabalho de seleção, materiais essenciais e referências de normas técnicas para simplificar o seu processo de conceção.

Princípios básicos das dobradiças de binário

Definição e significado físico

Binário ($T$): A força de rotaçãodefinida como o produto da força aplicada e do braço de momento.

• Unidade: N-m (Newton-metro), por ISO 80000-4:2019 grandezas e unidades em mecânica.

Numa estrutura em dobradiça, a gravidade gera uma momento gravitacional através da distância perpendicular entre o centro de gravidade do painel e o eixo de rotação. O par de atrito interno da dobradiça produz uma resistência binário de fricção. O equilíbrio entre os dois determina se a peça mantém a sua posição.

Torque estático vs. Torque dinâmico

Ao selecionar uma dobradiça, é fundamental distinguir entre estes dois conceitos:

• Binário estático: O binário necessário para manter o painel estacionário num ângulo específico contra a gravidade. Os cálculos de projeto centram-se principalmente neste valor.
• Binário dinâmico: O binário necessário para deslocação o painel (vencendo a inércia e o atrito cinético).
  • Nota: A massa de amortecimento de alta viscosidade faz com que o binário dinâmico seja ligeiramente superior ao binário estático. Isto evita o "ressalto", mas requer um pouco mais de força do utilizador para iniciar o movimento.

Mecanismo de funcionamento

Internamente, placas de fricção empilhadas (por exemplo, aço/bronze de fósforo) ou elementos elásticos pré-carregados criam um amortecimento constante ou quase constante.

• Condição de retenção: Quando Binário de fricção ≥ Binário de perturbação externa (Gravidade + Vibração), o ângulo é "bloqueado" de forma estável.
• Testes relevantes:
  • ISO 4287/4288: Parâmetros e avaliação da rugosidade da superfície.
  • ASTM G99: Ensaio de desgaste pino sobre disco para avaliar a longevidade do par de fricção.

Classificação por forma estrutural

Tipo	Descrição	Aplicação típica
Unidirecional	Proporciona amortecimento principalmente numa direção (por exemplo, amortecimento ao fechar, livre ao abrir).	Tampas de manutenção pesada, contentores de carga superior.
Bidirecional	Amortecimento simétrico nas direcções de abertura e fecho.	Ecrãs de computadores portáteis, monitores médicos, ecrãs de POS.
Indexado (Detentor)	"Clica" no lugar em ângulos definidos (por exemplo, 0°, 90°, 180°) para feedback tátil.	Posicionamento industrial, equipamento dobrável.
Não indexado	Amortecimento contínuo e suave ao longo de todo o curso (posição infinita).	Eletrónica de consumo, aparelhos topo de gama.

Parâmetros chave para seleção de dobradiças de binário

Quantidades básicas necessárias

• Peso ($W$): Em Newtons (N). Fórmula: $W = Massa (kg) \times 9,81 m/s²$.
• Braço de momento ($L$): O distância perpendicular do centro de gravidade (COG) ao eixo de rotação (metros).
• Ângulo ($\theta$): O ângulo relativo à direção da gravidade.
• Contagem de dobradiças ($n$): Determina a quota de binário por dobradiça.

A fórmula de cálculo do binário

O requisito fundamental para uma posição de exploração é:

$$T_{req} = W \times L \times \sin(\theta)$$

Nota: $\theta$ representa o ângulo em que a gravidade tem o máximo efeito de alavanca. Este pico ocorre quase sempre quando o painel está horizontal ($\sin 90^\circ = 1$).

Fórmula de projeto (com fator de segurança):

$$T_{design} = SF \times T_{req}$$

• Fator de segurança recomendado (FS): 1.2 - 1.5 (Tem em conta as tolerâncias de fabrico, as alterações de viscosidade da massa lubrificante e o desgaste).
• T_design define o intervalo de seleção pretendido.

Armadilhas comuns

Aviso:

• Massa vs. Peso: Não utilize o Kg diretamente. É necessário converter para Newtons ($kg \times 9.81$).
• Centro geométrico vs. COG: Não assumir que o centro geométrico é o Centro de Gravidade (COG). Para painéis assimétricos, encontrar o verdadeiro COG em CAD.
• A armadilha horizontal: O requisito de binário máximo é determinado quando o braço da alavanca é mais longo (horizontal). Calcule sempre para este cenário mais desfavorável.

Exemplos de cálculo por aplicação

Ecrã para computador portátil (leve/precisão)

• Condições: Massa do ecrã 0,45 kg ($W \aprox 4,415 N$); distância COG $L = 0,10 m$.
• Condição de pico: Horizontal (abertura de 90° ou 180° consoante a disposição).
• Cálculo:$$T_{req} = 4,415 N \times 0,10 m = 0,4415 N\cdot m$$
• Objetivo de conceção (SF = 1,3):$$T_{design} = 0,4415 \times 1,3 = 0,574 N\cdot m$$
• Seleção: Duas dobradiças que partilham a carga $\rightarrow$ ~0,29 N-m por dobradiça.

Cobertura de serviço industrial (serviço pesado)

• Condições: Massa da cobertura de aço 3,0 kg ($W = 29,43 N$); distância COG $L = 0,18 m$.
• Cálculo:$$T_{req} = 29,43 N \times 0,18 m = 5,30 N\cdot m$$
• Objetivo de conceção (SF = 1,3):$$T_{design} = 5,30 \times 1,3 = \mathbf{6,89 N\cdot m}$$
• Seleção: Duas dobradiças $\rightarrow$ ~3,45 N-m por dobradiça.
• Nota: Para ambientes com vibração (geradores, compressores), aumentar o SF para 1,5 ou 2,0 para evitar a "fluência".

Braço de exposição médica (multiarticulação)

• Abordagem: Modelar cada articulação de forma independente.
  • Conjunto A (Base): Suporta o peso total do braço + ecrã.
  • Junta B (extremidade): Transporta apenas o ecrã.
• Requisito: Os ambientes médicos requerem frequentemente controlos específicos de compatibilidade de materiais (produtos de limpeza) e de emissão de partículas (salas limpas de classe ISO).

Durabilidade dos materiais e do ambiente

Material	Vantagens	Riscos e notas	Normas relacionadas
Aço inoxidável (SUS304/316)	Alta resistência + resistência à corrosão.	Risco de desgaste penoso; custo mais elevado.	ISO 9227 (Salt Spray); ISO 3506 (Fixadores)
Ligas de alumínio (6061/6063)	Leve, extrudível.	Baixa dureza superficial; necessita de anodização.	ISO 7599 (Anodização); ISO 2081 (revestimento de Zn)
Plásticos de engenharia (POM/PA+GF)	Baixo atrito, funcionamento silencioso, baixo custo.	Desvio térmico (o binário diminui com o calor), fluência.	UL 94 (Inflamabilidade)

Nota sobre a corrosão: Para ambientes exteriores ou químicos, dê prioridade ao aço inoxidável 316L ou a revestimentos anódicos duros. Verificar o desempenho através de ensaios cíclicos de calor húmido (IEC 60068-2-30).

Fluxo de trabalho de seleção (lista de verificação)

1. Definir orientação: Determinar o intervalo de rotação e o "ângulo de pico" (onde a gravidade actua mais fortemente).
2. Calcular o binário de pico: $T_{req} = W \times L_{COG}$.
3. Aplicar o fator de segurança: Multiplicar por 1,2-1,5 para obter $T_{design}$.
4. Determinar a partilha de carga: Dividir pelo número de dobradiças ($n$).
5. 5. Selecionar modelo: Corresponder a gama de binários e o tipo de curva (Uni/Bi-direcional).
6. Verificação do protótipo: Testar o "tato", a folga e o desvio de temperatura (-20°C a +60°C).

Guia de resolução de problemas

Questão	Causa potencial	Solução
A operação é demasiado pesada	Pré-carga demasiado elevada; Binário estático $\gg$ Binário dinâmico.	Escolher uma curva dependente do ângulo; adicionar molas de assistência.
A tampa desce / não se mantém	O binário selecionado foi baseado na massa e não no peso; SF demasiado baixo.	Aumentar o grau de binário; otimizar o COG.
Sentir mudanças com a temperatura	Alteração da viscosidade da massa lubrificante ou expansão plástica.	Utilizar pares de fricção de baixa temperatura; verificar por IEC 60068-2-14.
Rangido / Ruído	Fenómeno de stick-slip; entrada de detritos.	Verificar a rugosidade da superfície ($Ra$); melhorar a vedação/lubrificação.

Tabela de conversão de unidades de binário

Unidade	Conversão para N-m	Nota
1 kgf-cm	0,09807 N-m	Comum nos mercados asiáticos
1 kgf-m	9,80665 N-m	Antiga norma métrica
1 lbf-in	0,11298 N-m	Comum na indústria aeroespacial/eletrónica norte-americana
1 lbf-ft	1,3558 N-m	Comum na indústria pesada dos EUA

Intervalos típicos de referência de binário

• Pequenos aparelhos electrónicos (telemóveis/tablets): 0,1 - 0,6 N-m
• Computadores portáteis: 0,4 - 0,8 N-m (por dobradiça)
• Ecrãs médicos/POS: 1,5 - 5,0 N-m
• Armários industriais: 5,0 - 15,0 N-m
• Escotilhas para maquinaria pesada: 20,0+ N-m (normalmente requer dobradiças de contrapeso ou escoras de gás)

FAQ

Q1: Devo utilizar a massa ou o peso para a seleção?

Utilize sempre o Peso (N). Se tiveres massa ($kg$), calcula $W = kg \times 9.81$.

Q2: Porque é que o pico de binário ocorre normalmente na horizontal?

Porque a 90° (horizontal), o braço de alavanca da gravidade em relação ao eixo da dobradiça está no seu comprimento máximo, criando o momento gravitacional mais elevado.

Q3: Duas dobradiças partilham a carga de forma perfeitamente igual?

Não na perfeição. A inclinação da montagem e as diferenças de fricção conduzem a uma partilha desigual. É por isso que aplicamos um fator de segurança de, pelo menos, 20%.

P4: Como equilibrar "toque leve" e "fixação forte"?

Utilizar uma curva de binário dependente do ângulo (em que o binário é mais elevado apenas em ângulos de retenção) ou um esquema composto (dobradiça de fricção + suporte de gás) para fornecer assistência à elevação.