Neste trabalho propõe-se um sistema para medição de torque em dispositivos girantes, que utiliza extensômetros de resistência elétrica colados nos próprios elementos constituintes do arranjo mecânico sob análise. Um conjunto de circuitos eletrônicos foi especialmente desenvolvido para o sensoreamento das pequenas deformações que ocorrem nos disposotivos girantes. O sistema opera sem contato eletro-mecânico entre a parte estacionária e a parte girante. Para tanto desenvolveu-se também uma metodologia de projeto e construção de transformadores rotativos que são utilizados para transferência da energia que alimenta os circuitos eletrônicos solidários ao elemento mecânico instrumentado. Também foi necessário utilizar um transmissor em freqüência modulada do sinal elétrico proporcional ao torque medido. Uma análise comparativa, dos resultados obtidos entre os sistemas existentes e aqueles alcançados com a técnica proposta neste trabalho, demonstra sua aplicabilidade em diversas situações práticas. / A torque measurement system for rotating devices is proposed in this work through the use of bonded strain gages directly applied on the mechanical elements which belong to the device under analysis. Electronic circuits, specially developed to detect low strain signals on the rotating elements, are presented. Eletro-mechanical contact between rotating and stationary parts is not necessary. To do this a methodology to design and build rotating transformers, used for energy transfer to feed the electronic circuits attached to the rotating parts, is developed as well as a frequency modulated system to transmit the electrical signal which is proporcional to measured torque. A comparative analysis between existing systems and the proposed technique presented in this work demonstrates its applicability to severa1 practical cases.

A abordagem convencional do comportamento em fadiga dos parafusos desconsidera o material a ser unido (os membros). Uma conexão parafusada, entretanto, deve ser analisada como um sistema completo, levando em consideração as características dos fixadores: porca, parafuso e arruelas, bem como o material a ser fixado. Neste trabalho foi analisado, através de ensaios cíclicos, o comportamento em fadiga de duas espécies de materiais fixados: aço e alumínio; e o agente de variação da tensão média foi o torque aplicado. Foram realizadas análises a partir de uma amostragem de parafusos convencionais ISO M6X1 para averiguar a confiabilidade da amostra. Tais análises consistiram em ensaios estáticos de tração, ensaios de dureza, análises químicas e microestruturais. Posteriormente foram construídas as curvas de Wöhler advindas de ensaios de fadiga realizados através de um dispositivo especial, construído de modo a possibilitar uma montagem com aplicação de torque. O valor da tensão induzida pela fixação foi obtida a partir das medidas de deformação dos parafusos. A conclusão básica deste trabalho foi que maiores valores de torque determinam maior vida em fadiga de uma união, independentemente do material fixado. Por outro lado, trabalhando-se no regime elástico, é possível dimensionar um parafuso a partir do conhecimento da solicitação externa a ser aplicada e da natureza dos materiais fixados. / The traditional approach to fatigue behavior of mechanical fasteners disregards the material of the joint to be fastened. A bolted joint, however, must be examined as a complete system, the characteristics of the fastening system, bolt, nut and washer, as well as, the clamped material should be considered. In this work the fatigue behavior of two clamped materials: steel and aluminum; and different preload conditions were studied. Conventional threaded ISO M6X1 screws were used in this study. To assure sample reliability tensile tests, hardness, chemical composition and microestrutural analysis were performed on screws from the same lot used for this work. A series of Wöhler curves, stress vs. number of cycles to failures, were plotted from data obtained using an special accessory that allowed a different preload to be applied on the screws for each test condition. The stress applied on the screw was calculated from the strain observed on the bolt. The main conclusion of this work was that higher torque resulted in an increment in the fatigue life of mechanically fastened joint, regardless of the clamped material. In the elastic regime, the design of a bolted joint is possible knowing the external loads applied to the system and the nature of the material to be clamped.

Orientador: José Elias Tomazini / Banca: José Geraldo Trani Brandão / Banca: Renato Rocha / Resumo: O sedentarismo é crescente na população mundial e com ele cresce a incidência das doenças crônicas degenerativas. Em contrapartida têm-se os exercícios físicos que são recomendados para a prevenção, tratamento e reabilitação dessas doenças. A musculação é um desses exercícios e sua prática cresce cada dia mais. Dentre todos os exercícios que podem ser realizados na musculação, está o agachamento, que é muito utilizado para fortalecer a musculatura dos membros inferiores, porém a execução errônea do mesmo pode acarretar lesões irreversíveis ao praticante. Atualmente são utilizados conceitos biomecânicos para estudar e compreender os esforços mecânicos acerca do agachamento visando a proteção do sistema musculoesquelético. A presente dissertação tem como objetivo aplicar o método de Kane a um modelo de corpo humano buscando analisar os torques articulares e as forças nos tendões musculares dos membros inferiores durante o exercício de agachamento. A instrumentação contou com modelo biomecânico bidimensional (2D) desenvolvido a partir do método de Kane, que consiste na análise do sistema multicorpo através de conceitos de velocidades, forças ativas e inércia generalizadas. Os resultados de pico de torque encontrados foram de 36,9 N.m no tornozelo, 51 N.m no joelho e 119,1 N.m no quadril. Os resultados de picos de força nos tendões musculares foram de 1290 N no gastrocnêmio, 723 N no quadríceps e 730 N nos isquiotibiais. O método se mostrou eficaz ao calcular os esforços mecânicos nas articulações de membros inferiores, porém são necessários mais estudos englobando um maior número de variáveis para completa elucidação do assunto. / Abstract: Physical inactivity is increasing in the world population and with it the incidence of chronic degenerative diseases grows. In contrast, there are the exercises that are recommended for the prevention, treatment and rehabilitation of these diseases. Strength training is one of these exercises and their practice grows every day. Among all the exercises can be performed, is the squat, which is widely used to strengthen the muscles of the lower limbs, however the erroneous execution can result in irreversible damage. Biomechanical concepts are currently used to study and understand the mechanical stress on the squat in order to protect the musculoskeletal system. This study aims to apply the Kane's method to a human body model seeking to analyze the joint torques and muscle forces in the tendons of the lower limbs during the squat. The instrumentation featured biomechanical model with two-dimensional (2D) developed from Kane's method, which consists of analysis of multibody systems using concepts of generalized speed, generalized active forces and generalized inertia. The results of peak torque were 36.9 N.m in the ankle, 51 N.m in the knee and 119.1 N.m in the hip. The results of peak strength in the muscle tendons were 1290 N in the gastrocnemius, 723 N in the quadriceps to 730 N in the hamstrings. The method was reliable to calculate the mechanical stress on the joints of the lower limbs, but more studies are needed covering a larger number of variables to complete elucidation of this subject. / Mestre

Os aspectos relacionados com a segurança dos usuários de veículos automotores são primordiais na indústria automobilística. Por isto, os testes de validação dos componentes de um sistema de direção estão sendo alterados para condições mais severas que garantam sua funcionalidade em condições críticas, tais como: colisões e uso inadequado. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é aumentar a capacidade de carga torcional do fusível do sistema de direção que é o pinhão através da otimização de materiais e tratamentos térmicos. As melhorias devem ser confirmadas através do teste “torque de quebra do pinhão”, requisito que é mandatório para liberação do produto no mercado e confirma sua capacidade de suportar condições severas de utilização. Foram experimentados tratamentos térmicos como têmpera por indução, cementação, assim como, diferentes camadas cementadas e temperaturas de revenido, além de aços das famílias SAE 51XX, SAE 43XX e SAE 86XX. Foi verificado que pinhões de aço SAE 4320, cementado com camadas próximas de 0,4mm, apresentaram os melhores resultados. / The aspects related to security for a steering system are priority. Therefore, the validation of these systems and its components are being changed to be stricter to ensure its functionality in critical condition, such as: collisions and inappropriate use. In this context, the goal is to increase the torsional load capacity of the steering system fuse that is the pinion, thru optimizing of materials and heat treatments. Improvements should be confirmed by testing on pinion breaking torque test, which is a mandatory requirement to release the product on the market and confirmed its ability to withstand stricter conditions of use. Different variables such as induction hardening, carburizing, different thickness of case hardened, temper temperature and steels families: SAE 51XX, SAE 43XX and SAE 86XX were tested. It was found that the pinions of steel SAE 4320 with carburized case around 0.4mm had the best performance and reached the test requirement.

A abordagem convencional do comportamento em fadiga dos parafusos desconsidera o material a ser unido (os membros). Uma conexão parafusada, entretanto, deve ser analisada como um sistema completo, levando em consideração as características dos fixadores: porca, parafuso e arruelas, bem como o material a ser fixado. Neste trabalho foi analisado, através de ensaios cíclicos, o comportamento em fadiga de duas espécies de materiais fixados: aço e alumínio; e o agente de variação da tensão média foi o torque aplicado. Foram realizadas análises a partir de uma amostragem de parafusos convencionais ISO M6X1 para averiguar a confiabilidade da amostra. Tais análises consistiram em ensaios estáticos de tração, ensaios de dureza, análises químicas e microestruturais. Posteriormente foram construídas as curvas de Wöhler advindas de ensaios de fadiga realizados através de um dispositivo especial, construído de modo a possibilitar uma montagem com aplicação de torque. O valor da tensão induzida pela fixação foi obtida a partir das medidas de deformação dos parafusos. A conclusão básica deste trabalho foi que maiores valores de torque determinam maior vida em fadiga de uma união, independentemente do material fixado. Por outro lado, trabalhando-se no regime elástico, é possível dimensionar um parafuso a partir do conhecimento da solicitação externa a ser aplicada e da natureza dos materiais fixados. / The traditional approach to fatigue behavior of mechanical fasteners disregards the material of the joint to be fastened. A bolted joint, however, must be examined as a complete system, the characteristics of the fastening system, bolt, nut and washer, as well as, the clamped material should be considered. In this work the fatigue behavior of two clamped materials: steel and aluminum; and different preload conditions were studied. Conventional threaded ISO M6X1 screws were used in this study. To assure sample reliability tensile tests, hardness, chemical composition and microestrutural analysis were performed on screws from the same lot used for this work. A series of Wöhler curves, stress vs. number of cycles to failures, were plotted from data obtained using an special accessory that allowed a different preload to be applied on the screws for each test condition. The stress applied on the screw was calculated from the strain observed on the bolt. The main conclusion of this work was that higher torque resulted in an increment in the fatigue life of mechanically fastened joint, regardless of the clamped material. In the elastic regime, the design of a bolted joint is possible knowing the external loads applied to the system and the nature of the material to be clamped.

Os aspectos relacionados com a segurança dos usuários de veículos automotores são primordiais na indústria automobilística. Por isto, os testes de validação dos componentes de um sistema de direção estão sendo alterados para condições mais severas que garantam sua funcionalidade em condições críticas, tais como: colisões e uso inadequado. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é aumentar a capacidade de carga torcional do fusível do sistema de direção que é o pinhão através da otimização de materiais e tratamentos térmicos. As melhorias devem ser confirmadas através do teste “torque de quebra do pinhão”, requisito que é mandatório para liberação do produto no mercado e confirma sua capacidade de suportar condições severas de utilização. Foram experimentados tratamentos térmicos como têmpera por indução, cementação, assim como, diferentes camadas cementadas e temperaturas de revenido, além de aços das famílias SAE 51XX, SAE 43XX e SAE 86XX. Foi verificado que pinhões de aço SAE 4320, cementado com camadas próximas de 0,4mm, apresentaram os melhores resultados. / The aspects related to security for a steering system are priority. Therefore, the validation of these systems and its components are being changed to be stricter to ensure its functionality in critical condition, such as: collisions and inappropriate use. In this context, the goal is to increase the torsional load capacity of the steering system fuse that is the pinion, thru optimizing of materials and heat treatments. Improvements should be confirmed by testing on pinion breaking torque test, which is a mandatory requirement to release the product on the market and confirmed its ability to withstand stricter conditions of use. Different variables such as induction hardening, carburizing, different thickness of case hardened, temper temperature and steels families: SAE 51XX, SAE 43XX and SAE 86XX were tested. It was found that the pinions of steel SAE 4320 with carburized case around 0.4mm had the best performance and reached the test requirement.

Neste trabalho propõe-se um sistema para medição de torque em dispositivos girantes, que utiliza extensômetros de resistência elétrica colados nos próprios elementos constituintes do arranjo mecânico sob análise. Um conjunto de circuitos eletrônicos foi especialmente desenvolvido para o sensoreamento das pequenas deformações que ocorrem nos disposotivos girantes. O sistema opera sem contato eletro-mecânico entre a parte estacionária e a parte girante. Para tanto desenvolveu-se também uma metodologia de projeto e construção de transformadores rotativos que são utilizados para transferência da energia que alimenta os circuitos eletrônicos solidários ao elemento mecânico instrumentado. Também foi necessário utilizar um transmissor em freqüência modulada do sinal elétrico proporcional ao torque medido. Uma análise comparativa, dos resultados obtidos entre os sistemas existentes e aqueles alcançados com a técnica proposta neste trabalho, demonstra sua aplicabilidade em diversas situações práticas. / A torque measurement system for rotating devices is proposed in this work through the use of bonded strain gages directly applied on the mechanical elements which belong to the device under analysis. Electronic circuits, specially developed to detect low strain signals on the rotating elements, are presented. Eletro-mechanical contact between rotating and stationary parts is not necessary. To do this a methodology to design and build rotating transformers, used for energy transfer to feed the electronic circuits attached to the rotating parts, is developed as well as a frequency modulated system to transmit the electrical signal which is proporcional to measured torque. A comparative analysis between existing systems and the proposed technique presented in this work demonstrates its applicability to severa1 practical cases.

M.Ing. (Mechanical Engineering) / The automotive driveline design engineer is invariably confronted with a limited range of driveline components , the combination of which can result in a design which is far from optimal for vehicle overall performance. Due to the close interaction between the prime mover and the torque converter of an automotive driveline incorporating an automatic transmission , the requirement developed to be able to design or modify a torque converter to attain more optimal prime mover/torque converter interaction. Two torque converters of similar configuration formed the basis of this study. A test bench was developed to verifythe published characteristic of the torque converters under controlled conditions. A computer program was developed to analyse the performance of the specific torque converters. This program is similar to the program developed by Lamprecht [10] , which was further refined by the Buro of Mechanical Engineering at the University of Stellenbosch. A method was established to enable accurate and consistent geometry measurement of torque converters. The analysis program was evaluated by establishing the correlation between the theoretical and published results. Based on the results further refinement was done to the analysis program. A parametric study was done based on the geometry of the larger capacity torque converter. Five components (two impellers, two turbines and a single stator) of alternative design but interchangeable with the standard components, were designed and manufactured, These components were fitted individually and tested on the test bench to establish the correlation between the experimental results and design calculations. Recommendations for further development In the field of hydrodynamic torque converters are made

Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo de título entrega un análisis computacional de fluidos (CFD) sobre una turbina tipo Tesla, máquina que tiene como principal objetivo desarrollar potencia sobre el eje para diversos usos. Las razones principales que motivaron el desarrollo de este trabajo de título, fueron la necesidad de investigar sobre máquinas más económicas y eficientes (en determinadas aplicaciones) que las actuales. La Turbina Tesla, en vista que no posee álabes, sino que discos para transferir la energía al eje, la convierte en una de las máquinas más económicas en su campo, lo que llama la atención de los investigadores y genera la necesidad de conocer el comportamiento del equipo antes de su construcción, con respecto a su torque y rendimiento, siendo estos factores de suma importancia al momento de seleccionar un equipo para una determinada aplicación. Si bien es claro que el fluido de trabajo a utilizar es un factor muy importante para desarrollar el diseño y conocer el desempeño de la máquina, se ha decidido trabajar con un único fluido, el cual es aire. Lo anterior se debe a que es un fluido que puede ser considerado como un gas ideal con respecto a algunas propiedades; además, con el aire la máquina podría alcanzar mayores revoluciones por minuto (RPM) que con vapor o agua (otros dos fluidos interesantes de estudiar), lo que según investigaciones anteriores favorece el rendimiento de la turbina. El desarrollo del presente trabajo comenzó con la recopilación de información sobre la turbina tipo Tesla, abarcando también bombas y compresores tipo Tesla, lo que sirvió de base para el estudio a realizar. Posteriormente se investigó acerca del software utilizado para la modelación en CFD (la herramienta Fluent de ANSYS), de manera de escoger el modelo matemático iterativo más adecuado y las suposiciones oportunas para desarrollar el trabajo en el tiempo establecido para el mismo. En este trabajo, se modeló un único espacio inter-disco representativo de los demás que posee la máquina. Se efectuaron simulaciones para tasas de giro entre 1.000 y 18.000 RPM, logrando así simular distintas cargas en el eje, obteniendo de esta forma el torque, la potencia y el rendimiento, entre otros resultados. Dentro de las conclusiones importantes, se destaca la linealidad del decaimiento del torque, a medida que aumentan las RPM, notándose también un aumento de la potencia y el rendimiento hasta las 13.000 RPM, tasa de giro desde la que éstos comienzan a disminuir. Una vez finalizada la lectura de este trabajo, se espera que el lector no sólo adquiera información acerca de la simulación realizada, sino que también este informe le pueda servir como guía para simulaciones similares en CFD a realizar con el software ANSYS y su interfaz Fluent. Es así como en la sección en la que se explica el ajuste el software, se ha prestado gran atención en representar la mayor cantidad de detalles posibles.

Successful grasping and dexterous object manipulation relies on the ability to form internal representations of object properties that can be used to control digit kinetics and kinematics. Sensory cues and sensorimotor experience enable the updating of these internal representations. Aside from the weight of the object, the center of mass of the object results in object torque that needs to be represented and compensated for. In order to counter object torque, digit forces and centers of pressure are modulated to generate a compensatory moment to prevent object roll. Generalization studies can be used to examine whether this learning is represented on a low effector-specific level or a high task-specific level. Previous studies have shown that the internal representation of object torque does not generalize after object rotation or contralateral hand switch suggesting an effector level of representation. However, it has been shown that switching from two to three digits and vice versa does lead to full generalization suggesting a high level representation in certain circumstances. Thus, an understanding of whether learned manipulation would generalize when adding or removing the number of degrees of freedom and effectors would provide more information on these levels of representation. We asked 30 participants to lift a visual symmetrical object with an asymmetrical center of mass. Participants lifted the object 10 times in one grasp type (right hand unimanual, bimanual, or left hand unimanual). Following that, they switched to another grasp type and lifted the object another 10 times. Through various different orders of these transfer blocks, we examined their ability to generalize between unimanual and bimanual grasping by comparing the pre- and post-transfer trials. Our results show the partial generalization of learned manipulation when switching between unimanual and bimanual grasps. This is shown from the reduction in peak roll after transfer compared to novel trials and the generation of compensatory moments in the appropriate direction (but insufficient magnitude) after transfer. Moreover, after transfer to the right hand unimanual and bimanual grasps, moment generation was driven by digit center of pressure modulation while transfer for left hand unimanual grasps was driven by load force modulation. In addition, we also show failed generalization after contralateral hand switch as evidenced by large post-transfer rolls and minimal moments. We suggest that learned manipulation of object torque is a high level of representation but that this representation can only be accessed by either digit kinematics or kinetics, depending on the hand used.