Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

A indústria automobilística trabalha com diferentes tipos de revestimentos para elementos de fixação (porcas, parafusos e etc.) buscando alta resistência à corrosão com baixas espessuras, eliminar o risco de fragilização pelo hidrogênio e melhoria nas propriedades tribológicas. O trabalho tem como objetivo determinar a influência das interações entre o tratamento superficial dos fixadores e das contra-peças na variação dos coeficientes de atrito atuantes no processo de montagem. A variação do coeficiente de atrito tem grande importância na força de montagem, uma vez que, para um mesmo torque e quanto maior o atrito, menor será a força tensora. Pela realização de ensaios no Equipamento de Torque e Tensão, obtêm-se os dados de força de tensora, torque total, torque na face de assentamento da flange da porca, torque na rosca e os respectivos coeficientes de atrito. Com os dados dos coeficientes de atrito obtidos dos ensaios com diferentes revestimentos e contra-peças, é possível determinar para cada junta aparafusada específica que variação ocorre e qual deve ser a alteração necessária a fim de manter a dispersão da força de montagem (força tensora). Após a realização dos ensaios e apresentação dos dados é possível avaliar que o revestimento organometálico mais selante possui maior compatibilidade em superfícies sem revestimento. Em superfícies que são revestidas em KTL essa compatibilidade reduz significativamente, mas com a adição do óleo controlador de atrito torque'n tension a condição é revertida para valores bem próximos de uma superfície sem revestimento.

Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Uma parte significativa das perdas por atrito num motor automotivo resulta da ação de partículas abrasivas. Dentre as fontes possíveis, podem ser citados o próprio meio ambiente - partículas que passam pelo filtro de ar - o desgaste de partes metálicas do motor ou mesmo resíduos de combustão. Essas partículas podem ficar encrustadas em anéis do pistão, ou ficar na interface entre pistão e bloco ou camisa, e são responsáveis por sulcos axiais, na direção do movimento do pistão, observáveis em motores usados. O objetivo deste trabalho foi obter um melhor entendimento dos mecanismos de desgaste relacionados com o sulcamento de camisa/bloco e identificar conjuntos de testes laboratoriais capazes de reproduzi-los sob condições controladas. Amostras de ferro fundido cinzento (FoFo) e de aço AISI 1070 com dureza de matriz próxima daquela encontrada em FoFo (?200HV30) foram submetidas a ensaios de riscamento em tribômetros. Verificou-se que riscos executados com um endentador cônico submetido a cargas na faixa de 20 a 50 mN eram similares aos sulcos observados em camisas ou blocos. Ensaios com outros materiais, como alumínio e latão e mesmo aço de diferentes durezas contribuíram para melhorar o entendimento dos resultados. Não foi observada transição brusca entre mecanismos de abrasão. O cálculo do fator de remoção de material, fab, a partir de perfilometria óptica resultou em valores com dispersão elevada; não foi possível associa-los aos diferentes mecanismos de abrasão observados. Valores obtidos para o coeficiente de atrito no riscamento permitiram fazer uma estimativa inicial de energia gasta nos processos abrasivos do motor. / A significant part of the friction losses in an automotive engine results from the abrasive action of particles. Among possible sources of such particles one can mention the environment - particles that were not retained by the filters - metallic residues from worn parts or even combustion residues. They may be picked up by piston rings and become part of their surfaces or stay loose in the piston/liner interface. Those particles are responsible for axial grooves that are observed in the liners of used engines. The objective of this work was to get a better understanding of the wear mechanisms related to liner/bore grooving and to identify a laboratory testing setup that might reproduce them under controlled conditions. Specimens of Gray Cast Iron (GCI) and of AISI 1070 steel with matrix hardness close to that found in GCI (?200HV30) were submitted to scratch tests in a tribometer. It was found that scratches performed under 20-50 mN indenter load (conical tip) were similar to grooves observed in cylinder liners. Tests with other materials such as aluminum, brass and even steel with different hardness values contributed to a better understanding of the results. No sharp transition between abrasion mechanisms was observed. Calculation of material removal factor fab from optical profilometry resulted in values with a large dispersion; they could not be associated with different abrasion mechanisms. Friction coefficient values obtained from the tests were used to make preliminary estimates of energy consumption due to abrasive processes in the engine.

O ensaio do anel consiste na compressão de uma amostra em formato de anel com as proporções 6:3:2 (diâmetro externo; diâmetro interno; altura) que foi deformada em sua altura. Neste trabalho realizaram-se ensaios de compressão de anel para três ordens de grandeza de velocidades de deformação: 3,00; 0,30; 0,03 mm/s, e dois graus de redução na altura: 20% e 50%. Os ensaios foram realizados em duas condições, uma na qual os ensaios sucessivos foram realizados na mesma posição da ferramenta sem polimento da mesma e outra na qual entre ensaios consecutivos, as ferramentas foram polidas recuperando sua condição superficial inicial. Para cada condição ensaiada sobre superfície polida foram realizadas 10 réplicas. Para ensaios sobre superfície sem polimento intermediário foram realizadas 10 compressões de anéis consecutivas. As ferramentas foram fabricadas de aço ferramenta e os corpos de prova, anéis, em aço SAE 1020 nas dimensões 18 x 9 x 6 mm (raio externo, raio interno e altura). Nas observações das superfícies de trabalho bem como das microestruturas foi utilizado microscópio óptico e microscópio eletrônico de varredura. Para os ensaios com polimento das ferramentas entre ensaios observou-se que: a) A elevação da redução de altura não resultou na variação do coeficiente de atrito para as três velocidades estudadas. b) Para 50% de deformação a elevação da velocidade resultou numa pequena, porém significativa redução do coeficiente de atrito. Para os ensaios sem polimento intermediário das ferramentas observou-se que: a) O aumento da redução de altura elevou significativamente o valor do coeficiente de atrito para as três velocidades estudadas. b) Para 20% de deformação a elevação da velocidade resultou numa pequena, porém significativa redução do coeficiente de atrito. A análise da superfície das ferramentas mostrou qualitativamente que nos ensaios sem polimento intermediário das ferramentas realizados com 50% de deformação a adesão do material do anel sobre a ferramenta era maior do que para os ensaios realizados com 20%. Atribuiu-se a elevação do coeficiente de atrito em relação aos ensaios com polimento intermediário das ferramentas à adesão de material. / The test consists of the compression of a ring-shaped sample in the proportion of 6:3:2 (outer diameter; inner diameter; thickness) that was deformed along its height. Ring compression tests were performed with conformation speed in three orders of magnitude: 3,00; 0,30; 0,03 mm/s, and two height reduction degrees: 20% and 50%. The experiments were performed in two different conditions: one in which successive tests were performed in the same tool position without polishing it, and another in which the tools were polished between successive tests, recovering its surfaces initial condition. The test under the polished surface condition was repeated 10 times. For the test of surfaces without intermediate polishing, 10 consecutive ring compressions were performed. The dies were made of High Speed Steel and the specimens were made of SAE 1020 steel with dimensions of 18 x 9 x 6 mm (outer radius, inner radius and thickness). The working surface and the microstructures were analyzed with optical microscope and scanning electron microscope. The tests with intermediate tool polishing presented the following results: a) an increase in the height reduction degree did not result in variation of the friction coefficient in the three studied conformation speed. b) In the tests with 50% of height reduction degree, an increase in the conformation speed resulted in a small but significant decrease in the friction coefficient. The tests without intermediate tool polishing showed that: a) an increase in the height reduction degree significantly increased the friction coefficient for the three studied conformation speed. b) In the tests with 20% of height reduction degree, an increase in the conformation speed resulted in a small but significant decrease in the friction coefficient. The qualitative analysis of the tool surface showed that in the tests without intermediate tool polishing performed with 50% of deformation, the adhesion of ring material on the tool was greater than in the tests with 20% of deformation. The increase in the friction coefficient in relation to the tests with intermediate polishing was attributed to adhesion of material.

This work investigates transition to turbulence using laminar kinetic energy modeling based in single-point RANS approach. The transport equations are discretized using the cell centered control-volume method and the system of algebraic equations is relaxed using SIMPLE algorithm. A modified version of the most known laminar kinetic energy model is proposed and compared with the original version and with an experimental correlation transition model. The numerical results show that the laminar kinetic energy approach has reasonable experimental correlation. The modified version presents improvements in prediction of skin friction coefficient in pressure gradients flows. Laminar kinetic energy model showed weakness when dealing with detached induced transition. Probably the cause of that is the lack of physical modeling of this phenomenon. Laminar kinetic energy modeling is in continuous evolution and is a good alternative to deal with engineering simulation that needs a good prediction of wall shear stress in transitional flows.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ana Paula Domingos Cardoso.pdf: 8690501 bytes, checksum: b120ead6518f05e5ff1cb9d530fa6bfe (MD5) Previous issue date: 2013-12-17 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The present work aims to develop and characterize galvanized steels with chemical post-treatment application, which provides to the metal forming improvement properties. The main reason for this development is related with the fact that the most of zinc coatings problems are related with their sensitivity for abrasion wear during forming process. In view of these difficulties, related with coating steel forming, the Arcelormittal group has been developing Pos-Treatment solutions known as NIT (New Treatment Innorganic) and Pre-phosphate with the main function to promote the improvement of forming properties in deep stamping process through the lubricating properties. The propose solutions was applied over the standard steels known as IF, and galvanized with GI and GA zinc coatings. The forming improvement were evaluated through wear tests by plane friction and pin on disc tribometer, with aim to determine the friction coefficient behaviour for these materials in front of contacts pressure (MPa) application and distance (m). In addition, cracking potential analysis was done through Erichsen and weight loss methods to evaluate the powdering failure possibility. The post-treatment microstructure was evaluated through MEV and FEG-EDS analysis. As a complement study was simulated remobility tests to reproduce one step of the automotive process that can be negative influenced by post treatment application waste on the strip after forming and was evaluated the material corrosion potential in humidity tests cycles / O presente trabalho tem o objetivo de desenvolver e caracterizar aços galvanizados com aplicação de pós-tratamento químico, que visam proporcionar ao metal melhoria de conformabilidade. A justificativa principal deste estudo esta no fato de que o principal problema de revestimentos à base de zinco vêm a ser a sua sensibilidade ao processo de desgaste por abrasão, podendo danificar tanto a peça revestida, como as ferramentas das prensas de estampagem, principalmente no processamento de peças críticas voltados para aplicações da indústria automotiva. Diante destas dificuldades, o grupo ArcelorMittal tem desenvolvido a aplicação de soluções de pós-tratamento do tipo NIT (New Innorganic Treatment) e pré-fosfato , com a função de promover ao aço galvanizado, melhoria de conformabilidade e , através da propriedade de lubrificação, durante processos de estampagem de peças de alta criticidade. As soluções propostas foram aplicadas sobre os aços convencionais do tipo IF, galvanizados com revestimento base Zn denominados GI e GA. Os ganhos de conformação foram avaliados por ensaios de desgaste realizados em tribômetros de fricção planar e pino sobre disco, a fim de avaliar o comportamento do coeficiente de atrito destes materiais diante da aplicação de determinadas pressões de contato (MPa) e distância percorrida (m). Além disto, foram realizados ensaios de avaliação de potencial de fratura do material através de testes em prensa de embutimento Erichsen e Perda de Massa, método este que visa avaliar a possibilidade de ocorrência de fragilizações por Powdering. Com intuito de conhecer a microestrutura dos filmes de póstratamento depositados sobre o aço revestido foram realizadas análises metalográficas via MEV e FEG-EDS. Como complemento ao trabalho foram realizados ensaios de remobilidade dos filmes aplicados, simulações de uma das etapas de processos da indústria automotiva que podem vir a sofrer influência do pós-tratamento após estampagem do material e avaliação do potencial de corrosão em ciclos de câmara úmida.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2017-08-01T12:12:38Z No. of bitstreams: 1 GuilhermeKeitiAoyama_DISSERT.pdf: 15234104 bytes, checksum: 840b7a842bd5ddf42c7ae593a0b9117a (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2017-08-03T19:57:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 GuilhermeKeitiAoyama_DISSERT.pdf: 15234104 bytes, checksum: 840b7a842bd5ddf42c7ae593a0b9117a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-03T19:57:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GuilhermeKeitiAoyama_DISSERT.pdf: 15234104 bytes, checksum: 840b7a842bd5ddf42c7ae593a0b9117a (MD5) Previous issue date: 2017-03-27 / Canais compostos s?o caracterizados por possu?rem canais principais, regi?es mais largas onde o fluido escoa axialmente com maior facilidade, e canais secund?rios (fendas) que s?o regi?es mais estreitas onde o fluido ? desacelerado devido aos efeitos viscosos. Para determinar os coeficientes de transfer?ncia de calor e de atrito nos canais compostos ? necess?rio entender o comportamento dos escoamentos turbulentos que ocorrem neles, por?m isto continua sendo um desafio para a engenharia. Estes canais apresentam, al?m do fluxo axial paralelo ao canal, flutua??es na velocidade transversal que est?o associadas a estruturas de grande escala denominadas de estruturas coerentes. Assim, neste trabalho buscou-se analisar os efeitos do aparecimento dessas estruturas e as suas consequ?ncias para o escoamento, tanto na parte din?mica como na t?rmica. Para isto foi utilizado uma geometria empregada em trabalhos experimentais, que ? composta por um canal retangular com um tubo interno, de di?metro D, que est? a uma dist?ncia W/D da parede inferior do canal. O fluido escoa axialmente apenas na parte externa do tubo. No total foram analisados cinco casos, modificando apenas a rela??o W/D (espa?amento da fenda). Para examinar as caracter?sticas do escoamento turbulento no interior deste canal, empregou-se o pacote ANSYS CFX 13 com o modelo de turbul?ncia SAS-SST. Os resultados mostraram que quanto maior a rela??o W/D, mais elevados foram os valores do Fator de Desempenho T?rmico. Este fator ? uma rela??o entre o n?mero de Nusselt e o fator de atrito e, quanto maior seu valor, melhor ? o desempenho t?rmico do canal. Em rela??o as estruturas coerentes, nos canais em que surgiram, elas t?m uma grande influ?ncia sobre os escoamentos, j? que essas estruturas acabam elevando os valores locais dos coeficientes de transfer?ncia de calor e de atrito superficial, o que torna esse fen?meno indispens?vel nos projetos e an?lises de seguran?a de equipamentos que possuem fendas. / Compound channels are characterized by having main channels, wider regions where the fluid flows axially more easily, and narrower regions (gaps) where the fluid is decelerated due to the viscous effects. In order to determine the heat transfer coefficients in these channels it is necessary to understand the behavior of the turbulent flows in them, but this remains a challenge for engineering. These channels have, in addition to axial flow parallel to the channel, a cross flow velocity in the gap region that are associated with large scale structures called coherent structures. Thus, the goal of this work is to compare the effects on the appearance of coherent structures of large scale and its consequences for the flow in dynamic and thermal characteristics. To accomplish this, the same geometry used in the experimental works was applied, which is composed of a rectangular channel with an internal tube of diameter D and it is located at a distance W/D from the lower wall of the channel. The fluid flows axially only on the outside of the tube. In total, five different cases were analyzed, modifying only the W/D ratio (gap distance). To examine the characteristics of the turbulent flow inside this channel, ANSYS CFX13 with SASSST turbulence model was applied. The results showed that the W/D ratio increase also caused an increase in the values of the Thermal Performance Factor. This factor is a relationship between the Nusselt number and the friction factor, and the higher its value, better is the thermal performance of the channel. In relation to the coherent structures, in the channels in which they arise, they have a great influence on the flows, since these structures end up raising the local values of heat transfer and friction coefficients, making this phenomenon indispensable in projects and safety analyzes of equipment with gap.

O ensaio do anel consiste na compressão de uma amostra em formato de anel com as proporções 6:3:2 (diâmetro externo; diâmetro interno; altura) que foi deformada em sua altura. Neste trabalho realizaram-se ensaios de compressão de anel para três ordens de grandeza de velocidades de deformação: 3,00; 0,30; 0,03 mm/s, e dois graus de redução na altura: 20% e 50%. Os ensaios foram realizados em duas condições, uma na qual os ensaios sucessivos foram realizados na mesma posição da ferramenta sem polimento da mesma e outra na qual entre ensaios consecutivos, as ferramentas foram polidas recuperando sua condição superficial inicial. Para cada condição ensaiada sobre superfície polida foram realizadas 10 réplicas. Para ensaios sobre superfície sem polimento intermediário foram realizadas 10 compressões de anéis consecutivas. As ferramentas foram fabricadas de aço ferramenta e os corpos de prova, anéis, em aço SAE 1020 nas dimensões 18 x 9 x 6 mm (raio externo, raio interno e altura). Nas observações das superfícies de trabalho bem como das microestruturas foi utilizado microscópio óptico e microscópio eletrônico de varredura. Para os ensaios com polimento das ferramentas entre ensaios observou-se que: a) A elevação da redução de altura não resultou na variação do coeficiente de atrito para as três velocidades estudadas. b) Para 50% de deformação a elevação da velocidade resultou numa pequena, porém significativa redução do coeficiente de atrito. Para os ensaios sem polimento intermediário das ferramentas observou-se que: a) O aumento da redução de altura elevou significativamente o valor do coeficiente de atrito para as três velocidades estudadas. b) Para 20% de deformação a elevação da velocidade resultou numa pequena, porém significativa redução do coeficiente de atrito. A análise da superfície das ferramentas mostrou qualitativamente que nos ensaios sem polimento intermediário das ferramentas realizados com 50% de deformação a adesão do material do anel sobre a ferramenta era maior do que para os ensaios realizados com 20%. Atribuiu-se a elevação do coeficiente de atrito em relação aos ensaios com polimento intermediário das ferramentas à adesão de material. / The test consists of the compression of a ring-shaped sample in the proportion of 6:3:2 (outer diameter; inner diameter; thickness) that was deformed along its height. Ring compression tests were performed with conformation speed in three orders of magnitude: 3,00; 0,30; 0,03 mm/s, and two height reduction degrees: 20% and 50%. The experiments were performed in two different conditions: one in which successive tests were performed in the same tool position without polishing it, and another in which the tools were polished between successive tests, recovering its surfaces initial condition. The test under the polished surface condition was repeated 10 times. For the test of surfaces without intermediate polishing, 10 consecutive ring compressions were performed. The dies were made of High Speed Steel and the specimens were made of SAE 1020 steel with dimensions of 18 x 9 x 6 mm (outer radius, inner radius and thickness). The working surface and the microstructures were analyzed with optical microscope and scanning electron microscope. The tests with intermediate tool polishing presented the following results: a) an increase in the height reduction degree did not result in variation of the friction coefficient in the three studied conformation speed. b) In the tests with 50% of height reduction degree, an increase in the conformation speed resulted in a small but significant decrease in the friction coefficient. The tests without intermediate tool polishing showed that: a) an increase in the height reduction degree significantly increased the friction coefficient for the three studied conformation speed. b) In the tests with 20% of height reduction degree, an increase in the conformation speed resulted in a small but significant decrease in the friction coefficient. The qualitative analysis of the tool surface showed that in the tests without intermediate tool polishing performed with 50% of deformation, the adhesion of ring material on the tool was greater than in the tests with 20% of deformation. The increase in the friction coefficient in relation to the tests with intermediate polishing was attributed to adhesion of material.