O foco do presente trabalho é estudar a intensificação da pressão de contato entre os dentes de duas engrenagens cilíndricas de dentes retos, que ocorre por causa do deslocamento dos componentes de um redutor de velocidades. Essa intensificação ocorre inclusive em um redutor fabricado sem quaisquer erros de usinagem ou de montagem. A correção de hélice é uma usinagem realizada na superfície do dente da engrenagem que compensa os deslocamentos dos eixos e engrenagens, devido à flexão e à torção, e os deslocamentos dos dentes das engrenagens, devido à flexão e à pressão de contato. Foram estudados efeitos importantes para essa correção de hélice em um redutor de velocidades. Com isso, foi desenvolvido um modelo analítico que calcula a correção necessária para diminuir esse intensificador de pressão de contato em função dos deslocamentos citados acima. Esse modelo analítico foi comparado com um modelo analítico da literatura e com o software comercial RIKOR®. Os resultados de correção de hélice propostos são similares aos da literatura e do RIKOR® com exceção das bordas das engrenagens, aonde existem algumas divergências. Posteriormente, foi desenvolvido um modelo sólido de engrenagem com o perfil evolvente e com as correções de hélice calculadas analiticamente. Este modelo tridimensional (3D) foi elaborado usando os softwares SolidWorks® e Inventor® e simulado por elementos finitos por meio do software ANSYS®. Verificou-se que as três correções de hélice - a proposta, a da literatura e a do RIKOR® - realmente diminuem a intensificação de pressão de contato no flanco do dente da engrenagem. Por fim, foi possível visualizar que a correção proposta nesta dissertação é 3% mais efetiva que a proposta pela literatura e pelo RIKOR® para o caso analisado. / This work will study the contact pressure intensifier between two spur gears teeth, which exists due to the displacement of the components of the gearbox. This effect occurs even in gearboxes manufactured without any machining and/or assembling errors. The lead correction is a machining operation conducted at the gear tooth surface that compensates the displacement of shafts and gears, due to bending and torsion, and the gear teeth displacement, due to bending and contact pressure. Factors that are important to the lead correction in gearboxes were studied. An analytical model was proposed in order to evaluate the lead correction necessary to diminish the contact pressure intensifier as a function of the displacements mentioned above. This analytical model was compared to a literature one and to the commercial software RIKOR®. The results of the proposed lead correction are similar to the literature and RIKOR® ones, although there are differences at the borders of the gears. This work also describes the development of a solid model of the gears and shafts with the involute profile and the lead correction evaluated analytically. This model is tridimensional (3D) and was designed using SolidWorks® and Inventor software. It was simulated using finite element analysis software ANSYS® and it was possible to verify that the three lead corrections - proposed, from literature and from RIKOR® - diminished the contact pressure intensifier at the gears tooth flank. It was also possible to verify that the lead correction proposed is 3% more effective than the other ones for the case analyzed.

Submitted by Caroline Xavier (caroline.xavier@pucrs.br) on 2017-10-05T11:34:54Z No. of bitstreams: 1 TES_LUIS_FERNANDO_MELEGARI_COMPLETO.pdf: 6221745 bytes, checksum: 6fea166b18494e244d24dddc530d9abc (MD5) / Approved for entry into archive by Caroline Xavier (caroline.xavier@pucrs.br) on 2017-10-05T11:35:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TES_LUIS_FERNANDO_MELEGARI_COMPLETO.pdf: 6221745 bytes, checksum: 6fea166b18494e244d24dddc530d9abc (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-05T11:35:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TES_LUIS_FERNANDO_MELEGARI_COMPLETO.pdf: 6221745 bytes, checksum: 6fea166b18494e244d24dddc530d9abc (MD5) Previous issue date: 2017-07-25 / The use of polymeric materials to substitute an array of others like metal has its development level increased when new compounds are applied as well as new formation technologies. An approach of the main factors lately used for its assessment was necessary to prove the polymeric material?s behavior when applied in gears for strength transmission. The presented analysis were based on practical experiences and through methods of finite elements, using diverse composites and addition loads to form the tested polymers in controlled conditions for torque, temperature and rotation, making use of the device development of movement and specific control. The polymeric gears behave in different ways according to specific conditions of temperature, rotation and torque request, presenting a variety of results due to the polymers used in its formation. The geometry of the project and the profile construction of the conical gears? tooth had direct influence under the performance, being possible to reduce the tensions in the tooth?s root. The injected pieces supply a body of proves to a mechanic dynamic thermal analysis, these results present discrepancy among the base materials regarding Tm. The replacement of metallic materials for polymeric materials must consider the characteristics of each application. / A utiliza??o de materiais polim?ricos em substitui??o a diversos outros como o metal tem seu n?vel de desenvolvimento aumentado na aplica??o de novos compostos bem como novas tecnologias de forma??o. Uma abordagem dos principais fatores ultimamente utilizados para sua avalia??o fez-se necess?ria para a comprova??o do comportamento dos materiais polim?ricos na aplica??o em engrenagens de transmiss?o de for?a. As an?lises apresentadas foram baseadas em experimenta??es pr?ticas e atrav?s de m?todos de elementos finitos, utilizando diversos comp?sitos e cargas de adi??o para forma??o dos pol?meros testados em condi??es controladas de torque, temperatura e rota??o, utilizando-se de desenvolvimento de dispositivo de movimenta??o e controle espec?fico. As engrenagens polim?ricas comportaram-se de diferentes formas em condi??es espec?ficas de temperatura, rota??o e solicita??o de torque, apresentando resultados variados em fun??o dos pol?meros utilizados em sua forma??o. A geometria de projeto e constru??o do perfil do dente das engrenagens c?nicas teve influ?ncia direta em rela??o ao desempenho, sendo poss?vel a redu??o das tens?es na raiz do dente. As pe?as injetadas forneceram corpos de prova para an?lises t?rmico din?mico mec?nicas, os resultados destas apresentaram discrep?ncia entre os materiais base no que se refere a Tm. A substitui??o de materais met?licos por materiais polim?ricos deve levar em considera??o as caracter?sticas para cada aplica??o.

O objetivo deste trabalho é estudar a influencia de rigidez de dentes em contato de um par de engrenagens na resposta dinâmica do sistema. Este contato chama-se contato de Hertz e ocorre no contato de dois sólidos um deles com superfície curva de contato, por exemplo, duas esferas ou dois cilindros, ou pode ser a combinação de uma superfície plana com uma superfície esférica ou cilíndrica. No caso do contato de dois dentes, as superfícies são cilíndricas, o raio de curvatura de cada dente não é permanente e sofre alteração em cada ponto do perfil, e está descrito pela função de uma curva evolvente. Para dedução da curva de torque aplicado versus deslocamento angular q foi utilizado software de análise de Elementos Finitos "FEMAP 8.3". O modelo mecânico está representado por dois eixos flexíveis acoplados por um par de engrenagens. Cada eixo tem dois apoios. Para resolver o problema dinâmico dos eixos acoplados por engrenagens, foi utilizado também o Método de Elementos Finitos. Cada eixo foi dividido em cinco elementos unidimensionais. Os elementos finitos utilizados possuem dois nós com cinco graus de liberdade por nó. As equações de movimento foram obtidas a partir das Equações de Lagrange, e descrevem o movimento em dois planos ortogonais e rotação ao longo dos eixos de engrenagens. As matrizes de massa e de rigidez, cálculos, a aplicação do método de Newmark para solução das equações diferencias, e, simulação da resposta do eixo, foram obtidos com utilização do software "Mathematica 5.1".

Neste trabalho, apresenta-se um estudo numérico de rotores sustentados por mancais hidrodinâmicos. Para tanto, desenvolvem-se as formulações de mancais infinitamente longos, com reaçõees a cargas dinâmicas deduzidas a partir da integração da solução da equação de Reynolds, para mancais com a cavidade (folga) entre o eixo e a parede interno do mancal, totalmente preenchidos de óleo não cavitados (full Sommerfeld), bem como para mancais com a cavidade parcialmente preenchidas por óleo, por efeito da cavitação (solução de half Sommerfeld). Os coeficientes dinâmicos de rigidez e amortecimento calculados a partir da equação de Reynolds com base em um óleo mineral comercial através de uma rotina escrita em C++ são responsáveis pela sustentação do rotor garantindo o funcionamento do conjunto rotativo. Com isso tem-se os coeficientes dinâmicos em função do tempo que acoplam o rotor flexível ao mancal hidrodinâmico As formulações desenvolvidas para as matrizes de rigidez e amortecimento foram aplicadas a um modelo numérico de um rotor composto por elementos de vigas (implementado em C++), assim como a um modelo de um rotor composto por elementos sólidos (utilizando programa comercial). A formulação do rotor por elementos de viga permitiu um estudo numérico do sistema rotor baseado em reações não lineares para o mancal, onde pode-se perceber que a formulação do mancal completamente cheio de lubrificante ou "full Sommerfeld"possui instabilidades numéricas severas, decorrentes da própria natureza das matrizes de rigidez desenvolvidas. Por outro lado, a formulação do mancal parcialmente cheio ou "half Sommerfeld" apresentou resultados apreciáveis, incluindo o efeito de precessão conhecido como half-speed whirl. A formulação do rotor por elementos sólidos foi feita com base nas matrizes de rigidez e amortecimento calculadas pela rotina em C++, que linearizaram as reações do mancal. Esta formulação linearizada permitiu a realização de análises modais e harmônicas dos sistemas rotores. Nestas análises, mais uma vez, a formulação de half Sommerfeld mostrou-se mais estável, apresentando resultados próximos aos encontrados na literatura.

Esta Dissertação, submetida à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, tem como objetivo a caracterização de fratura por fadiga em componentes mecânicos. Esse estudo foi motivado por dois casos de falha: barras estabilizadoras de truques de trem para transporte de minério, e engrenagens de redutores de grande porte, aplicados em turbogeradores em usinas de cogeração. Foi apresentada uma revisão da literatura sobre nucleação e propagação de trincas de fadiga, sobre fadiga de contato e por flexão de dentes, os dois principais modos de falha de engrenagens, e sobre a dinâmica do truque de trem. As amostras coletadas de barras falhadas foram caracterizadas e suas superfícies de fratura foram examinadas. A trinca de fadiga iniciou-se em uma das dobras do rebaixo, em local com dano por corrosão, que favoreceram sua nucleação. Uma análise por elementos finitos foi realizada para analisar as tensões residuais devido ao processo de dobra da barra e conformação do rebaixo e as tensões devido à operação, num caso crítico de warp tracionando a barra. Os resultados mostraram que localmente a tensão de escoamento do material foi superada, especialmente nas regiões de pequeno raio de curvatura devido ao rebaixo. Para o caso das engrenagens, foi feita uma análise de confiabilidade por distribuição de Weibull com base nos tempos de vida dos componentes falhados e do restante fabricado. Do resultado inferiu-se que as falhas consistiram na \"mortalidade infantil\" dos componentes. Havia apenas uma amostra de engrenagem falhada disponível para análise, a qual foi detalhadamente caracterizada e cuja superfície de fratura foi minuciosamente estudada, a fim de determinar o modo e o mecanismo de falha, o início da trinca e, com isso, a causa da falha. Pôde-se concluir que a engrenagem falhou devido a fadiga por flexão de dente devido a um desalinhamento na montagem. Determinadas as causas das falhas, podem-se sugerir soluções, aumentando assim a confiabilidade dos componentes. As sugestões podem dizer respeito ao próprio projeto, à seleção de materiais, aos processos de fabricação, ao tratamento térmico, à montagem, ou ao sistema de lubrificação. / This Dissertation, submitted to the Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, aims to characterize fatigue fracture in mechanical components. This study was motivated by two cases of failure: frame brace of train bogies for ore transportation, and gears of large transmission systems, applied to turbogenerators in cogeneration power plants. A literature review was presented on nucleation and propagation of fatigue cracks, contact and tooth bending fatigue, which are the two main modes of failure of gears, and train bogie dynamics. Samples collected of failed bars were characterized and their fracture surfaces were examined. The fatigue crack initiated at one of the bends of the \"fillister\", where corrosion damage took place - both of which favoured the nucleation. A finite element analysis was performed to analyze the residual stresses due to the bending process of the bar and the forming of the \"fillister\" and the stresses due to operation, in a critical case of warp tensioning the bar. The results showed that locally the yield stress of the material was exceeded, especially in the regions of small radius of curvature due to the \"fillister\". For the case of the gears, a reliability analysis was performed by Weibull distribution based on the lifetimes of the failed components and the remainder manufactured. From the result it was inferred that the failures consisted of the \"infant mortality\" of the components. Only one failed gear sample was available for the analysis, which was thoroughly characterised and whose fracture surface was minutely studied, in order to determine the mode and mechanism of failure, crack initiation and, hence, cause of failure. It was concluded that the gear failed due to tooth bending fatigue due to misalignment in the assembly. Having determined the causes of failures, solutions can be suggested, thus increasing the reliability of the components. Suggestions may concern the design itself, materials selection, manufacturing processes, heat treatment, assembly, or lubrication system.

Este trabalho propõe substituir o processo de usinagem que é empregado atualmente na fabricação de uma engrenagem cônica fabricada com material ABNT 8620, pelo processo de metalurgia do pó, gerando uma peça com economia de matéria prima, aumento de valor agregado e diminuição nos custos de produção. Esta peça tem como aplicação em um dispositivo utilizado na agroindústria destinado ao plantio, onde a engrenagem sofre esforços leves não necessitando ser tratada termicamente. A análise realizada neste trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um ferramental específico para a produção de uma engrenagem cônica sinterizada utilizando uma liga comercial da empresa Höganäs do Brasil denominada Distaloy AB, de composição Fe- Mo-Ni-Cu. As peças foram produzidas pelo processo de sinterização e analisadas em etapas diferentes do processo como: compactação, sinterização e calibragem. Na avaliação compara-se o diâmetro interno da engrenagem compactada, sinterizada e calibrada. Realizou-se um estudo dos valores de mercado entre os processos de usinagem e MP para um lote de produção de duas mil peças. As peças foram compactadas a 600MPa e sinterizadas a 1120oC, durante o tempo de 40min. Os resultados alcançados mostram a viabilidade de substituição do processo de usinagem pelo processo de metalurgia do pó para obtenção da peça de estudo, onde a economia de material e as propriedades mecânicas necessárias foram atingidas pelo componente sinterizado. / This work proposes to replace the machining process that is currently employed in the manufacture of a conical gear manufactured with ABNT 8620 material, by the process of powder metallurgy, generating a part with economy of raw material, increase of value added and decrease in production costs. This part is applied in a device used in the agroindustry destined to the planting, where the gear undergoes slight efforts not needing to be treated thermally. The analysis carried out in this work has the objective of developing a specific tooling for the production of a sintered conical gear using a commercial alloy of the company Höganäs do Brasil denominated Distaloy AB, with Fe-Mo-Ni-Cu composition. The pieces were produced by the sintering process and analyzed in different stages of the process as: compression, sintering and calibration. In the evaluation the internal diameter of the compacted, sintered and calibrated gear is compared. A study of the market values between the machining processes and MP for a production lot of two thousand pieces was carried out. The pieces were compacted at 600MPa and sintered at 1120oC for 40min. The results show the feasibility of replacing the machining process by the powder metallurgy process to obtain the study piece, where the material savings and the necessary mechanical properties were reached by the sintered component.

Um dos possíveis modos de falha em engrenagens é relacionado com o carregamento cíclico e, por consequência, a ocorrência de fadiga. O início da falha por fadiga ocorre devido à intensificadores de tensão e é geralmente observado no pé do dente (fadiga de flexão) ou na região de contato na superfície do dente (fadiga de contato). Experimentos para avaliação da fadiga de contato em engrenagens são geralmente conduzidos em bancadas de teste e tem custos elevados. Um método alternativo de experimentação de fadiga de contato em engrenagens é avaliado neste trabalho, consistindo no rolamento de esferas sobre um plano (corpo de prova). Dois grupos de corpos de prova foram fabricados com características e propriedades superficiais semelhantes às da superfície do dente de engrenagens nas condições: a) sem shot-peening e b) com shot-peening. As diferentes características dos corpos de prova foram testadas utilizando um equipamento desenvolvido em trabalho anterior para avaliar a fadiga de contato de rolamento, que ocorre no diâmetro primitivo das engrenagens. Resultados indicaram a ocorrência de dois mecanismos de falha comumente encontrados em engrenagens: pitting e spalling, entretanto, o equipamento se mostrou incapaz de monitorar a ocorrência de pitting. Ademais, os corpos de prova com shot-peening apresentaram menor resistência à fadiga para as condições testadas, em desacordo com ensaios de bancada anteriores. Algumas hipóteses foram discutidas para prover justificativas relacionadas aos resultados obtidos. / One of the possible mechanisms of gear failure is related to the cyclic loading and, consequently, the fatigue occurrence. The onset of fatigue failure occurs due to stress intensifiers and it is generally observed on the fillet (bending fatigue) or on the tooth surface contact region (contact fatigue). Gear fatigue evaluation is usually carried out by test rigs, which are expensive. An alternative method of contact fatigue test of gears is evaluated in this work, which consists of balls rolling on a plane (specimen). Two groups of specimens were manufactured to obtain surface characteristics and properties like gears tooth\'s surface: a) without shot-peening and b) with shot-peening. The different features of specimens were tested by using an in house developed equipment to evaluate the rolling contact fatigue, which occurs on gears on its diametral pitch. Results indicate the occurrence of two failure modes: pitting and spalling, however, the equipment showed to be unable to monitor the occurrence of pitting. Also, the shot-peened group specimens presented lower fatigue life resistance for the analyzed conditions, which are not in agreement with previous rig tests. Some hypotheses were discussed to provide justifications related to the obtained results.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor Jorge Seabra

O presente trabalho foi desenvolvido com o intuito de propor um sistema de transmissão mecânica baseado em engrenagens cônicas e faciais, de razões de velocidades escalonadas, para uso industrial e no setor da mobilidade. Em virtude do grande desenvolvimento das transmissões compostas por engrenagens faciais nos últimos anos, implementado por centros de pesquisa da área e por indústrias do setor aeronáutico, um dos objetivos deste trabalho foi estender o campo de aplicação dessas engrenagens para outros campos da engenharia. Inicialmente, mostra-se um estudo dos principais tipos de transmissões mecânicas presentes na indústria e, principalmente, no setor da mobilidade; área em que, usualmente, encontram-se os requisitos mais elevados de operação. Além disso, foi realizada uma revisão bibliográfica abordando tópicos importantes relacionados às engrenagens em geral e, mais especificamente, às transmissões cônicas e faciais. Esta revisão serviu de base para a implementação dos algoritmos para modelagem das engrenagens do sistema proposto. Para validar o conceito, um protótipo foi construído e testado, tendo como principal objetivo a comprovação da viabilidade e eficácia do sistema proposto, tanto na transmissão do movimento como na alteração da razão de velocidades. Realizados os testes, observou-se que, efetivamente, o sistema atendeu aos atributos funcionais especificados. Para a construção desse protótipo, as engrenagens envolvidas passaram por um processo de modelagem matemática, seguida pela modelagem sólida em software de CAD e pela fabricação em centro de usinagem. Para complementar o estudo, foi implementada uma rotina baseada nas normas AGMA, com foco na determinação das dimensões do pinhão, componente mais crítico do sistema. Desta forma, este trabalho permitiu avaliar os aspectos funcionais e elaborar um procedimento de projeto das engrenagens que compõem a transmissão proposta, concluindo que esta apresenta características herdadas das engrenagens faciais - facilidade de fabricação com custos competitivos - bem como características que a tornam adequada para operação automática em aplicações com alta taxa de flutuação da carga de trabalho, quais sejam: pequena variação da relação de transmissão e simplicidade do mecanismo de alteração da relação de velocidades. / This work was developed with the aim of propose a multi-speed mechanical gear drive based on face and bevel gears, for industrial and mobility field applications. Because of the recent great development of face gears, implemented by gear research centers and by aeronautical industry, one of the present work objectives was the extension of the application of these gears to other areas. The text begins with a brief review of the most used mechanical transmissions in the industry and, mainly, in the mobility field, where usually are found the higher loading and operation requirements. Also, important topics related to all gear transmissions and, more specifically, to bevel and face gears are presented. This review gave support for the algorithms implemented for the gears modeling. In sequence, for concept validation, a prototype was constructed and tested. The main objective of this prototype was proving that the original concept was viable and effective to transmit motion and change the ratio of velocities. After the tests, it was observed that, effectively, the system attended to specified functional attributes. For prototype construction, the related gears have been mathematically modeled, which was followed by the solid modeling in a CAD software and, finally, by the manufacturing process in a CNC milling machine. To extend the knowledge about the proposed transmission, an algorithm based on AGMA standards was implemented to assist in the analysis process related to the pinions, which are the most critical components of the system. As a result, this work allowed to validate the functional aspects and to elaborate a gear design procedure for the proposed system. Such system presents features inherited from face gears - constructive and manufacturing simplicity, meaning competitive costs -as well as features that make it adequate for automatic operation in high working load floating rates, which are: small ratio of velocities variation and mechanical simplicity of gears changing mechanism.

Este trabalho propõe substituir o processo de usinagem que é empregado atualmente na fabricação de uma engrenagem cônica fabricada com material ABNT 8620, pelo processo de metalurgia do pó, gerando uma peça com economia de matéria prima, aumento de valor agregado e diminuição nos custos de produção. Esta peça tem como aplicação em um dispositivo utilizado na agroindústria destinado ao plantio, onde a engrenagem sofre esforços leves não necessitando ser tratada termicamente. A análise realizada neste trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um ferramental específico para a produção de uma engrenagem cônica sinterizada utilizando uma liga comercial da empresa Höganäs do Brasil denominada Distaloy AB, de composição Fe- Mo-Ni-Cu. As peças foram produzidas pelo processo de sinterização e analisadas em etapas diferentes do processo como: compactação, sinterização e calibragem. Na avaliação compara-se o diâmetro interno da engrenagem compactada, sinterizada e calibrada. Realizou-se um estudo dos valores de mercado entre os processos de usinagem e MP para um lote de produção de duas mil peças. As peças foram compactadas a 600MPa e sinterizadas a 1120oC, durante o tempo de 40min. Os resultados alcançados mostram a viabilidade de substituição do processo de usinagem pelo processo de metalurgia do pó para obtenção da peça de estudo, onde a economia de material e as propriedades mecânicas necessárias foram atingidas pelo componente sinterizado. / This work proposes to replace the machining process that is currently employed in the manufacture of a conical gear manufactured with ABNT 8620 material, by the process of powder metallurgy, generating a part with economy of raw material, increase of value added and decrease in production costs. This part is applied in a device used in the agroindustry destined to the planting, where the gear undergoes slight efforts not needing to be treated thermally. The analysis carried out in this work has the objective of developing a specific tooling for the production of a sintered conical gear using a commercial alloy of the company Höganäs do Brasil denominated Distaloy AB, with Fe-Mo-Ni-Cu composition. The pieces were produced by the sintering process and analyzed in different stages of the process as: compression, sintering and calibration. In the evaluation the internal diameter of the compacted, sintered and calibrated gear is compared. A study of the market values between the machining processes and MP for a production lot of two thousand pieces was carried out. The pieces were compacted at 600MPa and sintered at 1120oC for 40min. The results show the feasibility of replacing the machining process by the powder metallurgy process to obtain the study piece, where the material savings and the necessary mechanical properties were reached by the sintered component.