Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-21T09:18:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O ruído de frenagem é um problema que vem confrontando a indústria automobilística há décadas. Em alguns casos, os custos com garantia de veículos que apresentam sistemas de freio ruidosos atingem valores altíssimos, direcionando os fabricantes a dedicarem atenção especial a estes sistemas. Ao longo dos anos, numerosos esforços de pesquisa têm sido feitos para modelar, analítica e experimentalmente, a dinâmica de um sistema de freio. Entretanto, a maior parte dos modelos de predição de instabilidade e ruído têm sido de natureza semi-empírica, devido à complexidade do mecanismo de excitação. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de análise de problemas de ruído e vibrações em sistemas de freio a disco, utilizando métodos numéricos e matemáticos conjugados com ensaios experimentais, para que parâmetros vibro-acústicos possam ser determinados ainda na fase de projeto. A análise de autovalores complexos é utilizada para determinar os modos instáveis, com base num modelo em elementos finitos de um sistema de freio a disco. Estudos paramétricos são conduzidos, variando-se parâmetros como coeficiente de fricção entre disco e pastilha, rigidez de contato, pressão de frenagem, propriedades dos materiais dos componentes, temperatura do sistema, desgaste e introdução de materiais de amortecimento, de modo a indicar caminhos de redução de ruído. Métodos inéditos para representação dos efeitos de temperatura, desgaste e pressão de frenagem são apresentados. Além disso, a necessidade de métodos dinâmicos para a caracterização das propriedades elásticas dos materiais dos componentes é discutida, levando-se em consideração sua aplicação como dados de entrada em modelos numéricos para análise em altas freqüências. Dados de medição de ruído para um sistema de freio a disco obtidos em dinamômetro serão apresentados com o objetivo de serem correlacionados com os resultados obtidos através dos modelos numéricos. Brake squeal noise has been under investigation by the automotive manufacturers for decades due to consistent customer complaints and high warranty costs. In most cases, the customer perceives the noise as a vehicle problem and demand having it fixed by their dealer. J. D. Power surveys consistently show brake noise as one of the most critical vehicle quality measurements. Furthermore, the development of methods to predict the noise occurrence during the design of a brake system has been the target of many researchers in the last years. Brake squeal is a problem that has been faced by several methods in the last decade. Among then, finite element analysis is proving to be a useful tool to predict the noise occurrence of a particular brake system during the design stage. The Finite Element Method (FEM) has been employed to detect unstable frequencies using a complex eigenvalue analysis. These unstable frequencies are related, in most cases, with high sound pressure levels generated during the brake system operation and its detection is an important step in order to produce quiet brake systems. The aim of this work is to develop a methodology to analyze the noise and vibration problems from disc brake systems, using numerical methods together with analytical and experimental tools, to predict the vibro-acoustic parameters in the early stages of the brake design. The complex eigenvalue analysis is used to determine the unstable modes, based in a coupled model of the brake system assembly developed using the Finite Element Method. Parametric studies are carried out, analyzing the effect of parameters like friction coefficient between rotor and pads, contact stiffness, braking pressure, brake temperature, wear, elastic properties of the component materials and the introduction of damping materials as a noise control method. The results obtained act as a guideline for a brake design, regarding the vibro-acoustic behavior of the brake system. New methods to represent the effect of the brake temperature, braking pressure and wear on the numerical model are presented. In addition, the lack of dynamic methods specifically developed to evaluate the elastic properties of the component materials is discussed, taking into account its application as input data to numerical models for high frequency analysis. Experimental noise data for the brake system measured in inertial dynamometers are presented to be used as a correlation tool for the numerical model.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade Gama, Faculdade de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2014. / Submitted by Ana Cristina Barbosa da Silva (annabds@hotmail.com) on 2014-12-16T14:12:04Z No. of bitstreams: 1 2014_SergioMateusBrandao.pdf: 2865864 bytes, checksum: d97c8d1e6b521946378d7c8bcca9d390 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2014-12-29T19:09:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_SergioMateusBrandao.pdf: 2865864 bytes, checksum: d97c8d1e6b521946378d7c8bcca9d390 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-12-29T19:09:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_SergioMateusBrandao.pdf: 2865864 bytes, checksum: d97c8d1e6b521946378d7c8bcca9d390 (MD5) / A partir da bancada de testes para ensaio de CVT (Continuously Variable Transmission) de Dias (2010), foi construído um dinamômetro inercial para investigar o desempenho de materiais utilizados em sistemas de frenagem de veículos leves. Inicialmente foram realizados ensaios para sua validação em um sistema de freio de um veículo BAJA SAE (Society of Automobile Engineers), nos quais se comprovou a aplicabilidade do dinamômetro. Posteriormente foram realizadas adaptações construtivas de modo que o dinamômetro pudesse realizar simulações que atendam às normas para ensaios de sistemas de frenagem de veículos leves de até 1000 kg. Para confirmar esta possibilidade, o equipamento foi utilizado para avaliar o desempenho de três ferros fundidos cinzentos (um da classe 250 - Fe250, outro ligado com titânio FeTi e outro de alto teor de carbono - FeAC). Ensaios de frenagem foram realizados seguindo os procedimentos estabelecidos pela norma SAE J2522; onde foi definida uma pressão de frenagem e depois, medidas as forças de atrito, as temperaturas alcançadas durante os ciclos de frenagem, e os desgastes de discos e pastilhas. Os resultados mostraram que independentemente do tipo de material, o desgaste foi praticamente o mesmo, com um leve destaque para o Fe250 comparados com os FeAC e FeTi. As forças de atrito e as temperaturas medidas nos ensaios foram influenciadas pelo teor de grafita nos materiais dos discos. Baixos teores de grafita promoveram maiores forças de atrito (FeAC) e menores teores de grafita com alta dureza da matriz resultaram em menores forças de atrito (FeTi). Consequentemente menores forças de atrito causaram menores temperaturas de frenagem (FeTi). Após a execução do trabalho, concluiu-se que o dinamômetro inercial construído atende satisfatoriamente os requisitos necessários para simular sistemas de frenagem de veículos leves; e sua utilização permitirá a Universidade de Brasília se tornar um centro de referência para a realização de estudos e pesquisas na área de materiais, sistemas de frenagem e de Tribologia, em geral. Áreas muito carentes e pouco desenvolvidas em Brasília e no Centro Oeste brasileiro. ____________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Based on Dias (2010) bench tests for CVT (ContinuouslyVariableTransmission), it was built an inertial dynamometer to investigate material performance used in light vehicle braking systems. Initially tests were carried out to validate a BAJA SAE vehicle (Society of Automobile Engineers) brake system, in which it was proved dynamometer applicability. Subsequently it was performed constructive adjustments so that the dynamometer could perform simulations that meet the standards for brake systems testing in light vehicles up to 1000 kg. To confirm this possibility, the equipment was used to evaluate the performance of three gray cast irons (one from a 250 - Fe250 class, and another connected with titanium - FeTi and a third on high carbon content - FEAC). Braking tests were carried out according to procedures established by SAE J2522; where a brake pressure has been set, and then measures the frictional forces, the temperatures reached during the braking cycles and wear discs and pads. The results showed that regardless of material type, the wear was pretty much the same, with a slight emphasis on the Fe250 compared with the FEAC and FeTi. The frictional forces and temperatures measured in the tests were influenced by the graphite contente in the discs material. Low levels of graphite induced greater frictional forces (FEAC) and lower levels of graphite with high matrix hardness resulted in lower frictional forces (FeTi). Consequently minor frictional forces caused minor braking temperatures (FeTi). After the execution of the work, it was concluded that the inertial dynamometer built satisfactorily meets the requirements to simulate light vehicle braking systems; and their use will allow Universidade de Brasilia to become a reference center for studies and research in materials, braking systems and Tribology system in general. Those are very needy and undeveloped areas in Brasilia and in the Brazilian Midwest.

Ruídos de freio apresentam-se hoje como um dos principais problemas relacionados ao conforto do motorista em automóveis modernos. O elevado fator de atrito entre disco e pastilhas, necessário para proporcionar um adequado desempenho de frenagem aos atuais veículos de passeio, tem aumentado significativamente a propensão à ocorrência de ruídos do tipo squeal. A solução encontrada é a utilização de apêndices chamados insulators ou chapas anti-ruído, aderidos à plaqueta metálica da pastilha de freio. Esses componentes são especialmente desenvolvidos para aumentar o amortecimento do sistema vibratório composto por disco, pastilhas e pinça de freio, reduzindo o ruído produzido durante as frenagens. Essa opção, entretanto, tem um significativo impacto no custo do produto, podendo, muitas vezes, superar inclusive o custo do material de atrito utilizado em determinada pastilha de freio. O trabalho desenvolvido propõe a utilização de compósitos que, quando utilizados na função de materiais de fundo, são capazes de agregar amortecimento à pastilha de freio e, dessa forma, reduzir a geração de ruídos de freio. A formulação desses materiais enfatizou a utilização de elastômeros como matriz do compósito, dadas às propriedades de amortecimento associadas a esses materiais. Todos os ensaios desenvolvidos com o objetivo de caracterizar as propriedades físicas e mecânicas desses, bem como seu efeito quando utilizados como materiais de fundo em pastilhas de freio, foram também conduzidos com compósitos utilizados atualmente como materiais de fundo pela empresa fabricante de materiais de fricção FRAS-LE S.A. Assim, foram caracterizados os módulos de elasticidade dinâmico e estático, além da densidade dos compósitos. Em pastilhas equipadas com os diferentes materiais de fundo foram determinadas as freqüências naturais dos quatro primeiros modos de vibração, bem como o amortecimento associado a estes e a deflexão do bloco formado pelo material de atrito e de fundo em ensaio de compressibilidade. Para analisar a eficácia dos diferentes compósitos na redução de ruídos de freio, um par de pastilhas equipadas com cada material foi submetido ao procedimento de avaliação, em dinamômetro, da propensão à ocorrência de ruídos em sistemas de freio, SAE J2521. Ao final do trabalho, os resultados mostraram que o aumento do amortecimento associado a pastilhas de freio por meio da utilização de materiais de fundo de matriz elastomérica é viável. Associações entre diferentes propriedades mecânicas das pastilhas de freio estudadas e a ocorrência de ruído, durante o procedimento em dinamômetro, foram desenvolvidas, demonstrando que, para as amostras avaliadas nesse trabalho, o valor da compressibilidade apresenta significativa correlação com o número de frenagens ruidosas produzidas durante o ensaio procedimento SAE J2521. / Brake noise has become as a major concern related to drivers comfort on modern automobiles. The high friction coefficient between disc and pads, necessary to induce a convenient brake performance to current vehicles, has significantly increased the propensity of squeals noise. The usual solution to overcome this kind of problem is the use of an insulator shim attached to pads’ back plate. This is a component specially designed to increase damping on disc, pads and caliper vibrational system witch reduces brake noise as consequence. This option, however, has a significant impact on products cost and many times overcome cost of the friction material used on some brake pads. The developed work proposes the utilization of composites that, when used as underlayer materials, are capable to increase pads’ damping and reduce noise generation. The composites formula uses elastomers as its matrix due to the damping characteristics associated to these materials. All the tests done with the objective of characterize composites physical and mechanical properties of it, as well as its effects when utilize as underlayer materials, were done also with current composites used as underlayer materials by friction materials company FRASLE S.A.. Were characterized dynamic – on several different temperatures - and static Young´s modulus besides composites density. On brake pads equipped with them were determined the natural frequencies of first four vibration modes as well as the loss factor associated to them and the compressibility of the block formed by the friction and underlayer materials. To confirm the composites efficiency on brake noise reduction a par of pads equipped with each one were submitted to a dynamometer noise scattering procedure, SAE J2521. By the end of this work the presented results assure that is possible to increase pads damping by the utilization of elastomeric matrix underlayers. Some associations between pads mechanical properties and noise occurrence during dynamometer tests were conducted. Where demonstrated the compressibility value has a significant correlation with the number of noisy brake stops during SAE J2521 procedure

Ruídos de freio apresentam-se hoje como um dos principais problemas relacionados ao conforto do motorista em automóveis modernos. O elevado fator de atrito entre disco e pastilhas, necessário para proporcionar um adequado desempenho de frenagem aos atuais veículos de passeio, tem aumentado significativamente a propensão à ocorrência de ruídos do tipo squeal. A solução encontrada é a utilização de apêndices chamados insulators ou chapas anti-ruído, aderidos à plaqueta metálica da pastilha de freio. Esses componentes são especialmente desenvolvidos para aumentar o amortecimento do sistema vibratório composto por disco, pastilhas e pinça de freio, reduzindo o ruído produzido durante as frenagens. Essa opção, entretanto, tem um significativo impacto no custo do produto, podendo, muitas vezes, superar inclusive o custo do material de atrito utilizado em determinada pastilha de freio. O trabalho desenvolvido propõe a utilização de compósitos que, quando utilizados na função de materiais de fundo, são capazes de agregar amortecimento à pastilha de freio e, dessa forma, reduzir a geração de ruídos de freio. A formulação desses materiais enfatizou a utilização de elastômeros como matriz do compósito, dadas às propriedades de amortecimento associadas a esses materiais. Todos os ensaios desenvolvidos com o objetivo de caracterizar as propriedades físicas e mecânicas desses, bem como seu efeito quando utilizados como materiais de fundo em pastilhas de freio, foram também conduzidos com compósitos utilizados atualmente como materiais de fundo pela empresa fabricante de materiais de fricção FRAS-LE S.A. Assim, foram caracterizados os módulos de elasticidade dinâmico e estático, além da densidade dos compósitos. Em pastilhas equipadas com os diferentes materiais de fundo foram determinadas as freqüências naturais dos quatro primeiros modos de vibração, bem como o amortecimento associado a estes e a deflexão do bloco formado pelo material de atrito e de fundo em ensaio de compressibilidade. Para analisar a eficácia dos diferentes compósitos na redução de ruídos de freio, um par de pastilhas equipadas com cada material foi submetido ao procedimento de avaliação, em dinamômetro, da propensão à ocorrência de ruídos em sistemas de freio, SAE J2521. Ao final do trabalho, os resultados mostraram que o aumento do amortecimento associado a pastilhas de freio por meio da utilização de materiais de fundo de matriz elastomérica é viável. Associações entre diferentes propriedades mecânicas das pastilhas de freio estudadas e a ocorrência de ruído, durante o procedimento em dinamômetro, foram desenvolvidas, demonstrando que, para as amostras avaliadas nesse trabalho, o valor da compressibilidade apresenta significativa correlação com o número de frenagens ruidosas produzidas durante o ensaio procedimento SAE J2521. / Brake noise has become as a major concern related to drivers comfort on modern automobiles. The high friction coefficient between disc and pads, necessary to induce a convenient brake performance to current vehicles, has significantly increased the propensity of squeals noise. The usual solution to overcome this kind of problem is the use of an insulator shim attached to pads’ back plate. This is a component specially designed to increase damping on disc, pads and caliper vibrational system witch reduces brake noise as consequence. This option, however, has a significant impact on products cost and many times overcome cost of the friction material used on some brake pads. The developed work proposes the utilization of composites that, when used as underlayer materials, are capable to increase pads’ damping and reduce noise generation. The composites formula uses elastomers as its matrix due to the damping characteristics associated to these materials. All the tests done with the objective of characterize composites physical and mechanical properties of it, as well as its effects when utilize as underlayer materials, were done also with current composites used as underlayer materials by friction materials company FRASLE S.A.. Were characterized dynamic – on several different temperatures - and static Young´s modulus besides composites density. On brake pads equipped with them were determined the natural frequencies of first four vibration modes as well as the loss factor associated to them and the compressibility of the block formed by the friction and underlayer materials. To confirm the composites efficiency on brake noise reduction a par of pads equipped with each one were submitted to a dynamometer noise scattering procedure, SAE J2521. By the end of this work the presented results assure that is possible to increase pads damping by the utilization of elastomeric matrix underlayers. Some associations between pads mechanical properties and noise occurrence during dynamometer tests were conducted. Where demonstrated the compressibility value has a significant correlation with the number of noisy brake stops during SAE J2521 procedure

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2013. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2013-10-25T10:30:34Z No. of bitstreams: 1 2013_MarioPedroRodriguezVasquez.pdf: 2466675 bytes, checksum: 07acc4492fae8e56f947c7c328d83fe1 (MD5) / Approved for entry into archive by Patrícia Nunes da Silva(patricia@bce.unb.br) on 2014-01-03T13:17:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2013_MarioPedroRodriguezVasquez.pdf: 2466675 bytes, checksum: 07acc4492fae8e56f947c7c328d83fe1 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-01-03T13:17:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2013_MarioPedroRodriguezVasquez.pdf: 2466675 bytes, checksum: 07acc4492fae8e56f947c7c328d83fe1 (MD5) / Nos últimos anos o problema da interação veículo-estrutura vem, cada vez mais, ganhando destaque. Neste contexto, o desenvolvimento de metodologias para a análise dinâmica de pontes sob a ação de tráfego ferroviário de cargas assume especial interesse. Neste trabalho é apresentada uma técnica computacional baseada em elementos finitos para simular frenagem em vias e pontes ferroviárias. Nesta técnica, os veículos são representados por modelos simples de massas, molas e amortecedores e a ponte é representada por elementos de viga. O contato entre os veículos e a ponte é representado através de um elemento de interface composto por um conjunto de molas e amortecedores dispostos nas direções vertical e horizontal. As molas verticais visam manter o contanto entre as rodas dos veículos e a ponte, além de transmitir forças verticais. As molas horizontais visam simular a transmissão de forças de aderência dinâmica no processo de frenagem. O modelo do sistema de freio possui duas abordagens: a primeira considera a transmissão da força de frenagem constante durante todo o tempo de análise; a segunda considera a força de frenagem variando com o tempo de acordo à curva representativa de pressão no cilindro do freio. O valor da força de frenagem máxima do sistema está em função do coeficiente de aderência (roda-trilho) e do peso da roda, dependendo de cada modelo. Finalmente, veículo, ponte e interface constituem um único sistema dinâmico que pode ser integrado no tempo utilizando o método de Newmark. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / In recent years the problem of vehicle-structure interaction comes increasingly gaining attention. In this context, the development of methodologies for the dynamic analysis of bridges under the action of railway traffic loads is of particular interest. This paper presents a computational technique based on finite elements to simulate braking on roads and railway bridges. In this technique, the vehicles are represented by simple models of masses, springs, and dampers; and the bridge is represented by elements of beam. The contact between the vehicle and the bridge is represented by an interface element that comprises a set of springs and dampers arranged in vertical and horizontal directions. The vertical springs aim to keep the contact between the vehicle wheels and the bridge, in addition to transmit vertical forces. The horizontal springs intend to simulate the transmission of dynamic forces of adhesion in the braking process. The model of the brake system has two approaches: the first considers the transmission of braking force constant throughout the analysis time, and the second considers that the braking force varies over time according to the curve that represents the pressure in the brake cylinder. The value of the maximum braking force of the system is a function of the adhesion coefficient (railwheel) and the wheel weight, depending on each model. Finally, vehicle, bridge, and interface form a single dynamic system which can be integrated over time using the Newmark method.

Ruídos de freio apresentam-se hoje como um dos principais problemas relacionados ao conforto do motorista em automóveis modernos. O elevado fator de atrito entre disco e pastilhas, necessário para proporcionar um adequado desempenho de frenagem aos atuais veículos de passeio, tem aumentado significativamente a propensão à ocorrência de ruídos do tipo squeal. A solução encontrada é a utilização de apêndices chamados insulators ou chapas anti-ruído, aderidos à plaqueta metálica da pastilha de freio. Esses componentes são especialmente desenvolvidos para aumentar o amortecimento do sistema vibratório composto por disco, pastilhas e pinça de freio, reduzindo o ruído produzido durante as frenagens. Essa opção, entretanto, tem um significativo impacto no custo do produto, podendo, muitas vezes, superar inclusive o custo do material de atrito utilizado em determinada pastilha de freio. O trabalho desenvolvido propõe a utilização de compósitos que, quando utilizados na função de materiais de fundo, são capazes de agregar amortecimento à pastilha de freio e, dessa forma, reduzir a geração de ruídos de freio. A formulação desses materiais enfatizou a utilização de elastômeros como matriz do compósito, dadas às propriedades de amortecimento associadas a esses materiais. Todos os ensaios desenvolvidos com o objetivo de caracterizar as propriedades físicas e mecânicas desses, bem como seu efeito quando utilizados como materiais de fundo em pastilhas de freio, foram também conduzidos com compósitos utilizados atualmente como materiais de fundo pela empresa fabricante de materiais de fricção FRAS-LE S.A. Assim, foram caracterizados os módulos de elasticidade dinâmico e estático, além da densidade dos compósitos. Em pastilhas equipadas com os diferentes materiais de fundo foram determinadas as freqüências naturais dos quatro primeiros modos de vibração, bem como o amortecimento associado a estes e a deflexão do bloco formado pelo material de atrito e de fundo em ensaio de compressibilidade. Para analisar a eficácia dos diferentes compósitos na redução de ruídos de freio, um par de pastilhas equipadas com cada material foi submetido ao procedimento de avaliação, em dinamômetro, da propensão à ocorrência de ruídos em sistemas de freio, SAE J2521. Ao final do trabalho, os resultados mostraram que o aumento do amortecimento associado a pastilhas de freio por meio da utilização de materiais de fundo de matriz elastomérica é viável. Associações entre diferentes propriedades mecânicas das pastilhas de freio estudadas e a ocorrência de ruído, durante o procedimento em dinamômetro, foram desenvolvidas, demonstrando que, para as amostras avaliadas nesse trabalho, o valor da compressibilidade apresenta significativa correlação com o número de frenagens ruidosas produzidas durante o ensaio procedimento SAE J2521. / Brake noise has become as a major concern related to drivers comfort on modern automobiles. The high friction coefficient between disc and pads, necessary to induce a convenient brake performance to current vehicles, has significantly increased the propensity of squeals noise. The usual solution to overcome this kind of problem is the use of an insulator shim attached to pads’ back plate. This is a component specially designed to increase damping on disc, pads and caliper vibrational system witch reduces brake noise as consequence. This option, however, has a significant impact on products cost and many times overcome cost of the friction material used on some brake pads. The developed work proposes the utilization of composites that, when used as underlayer materials, are capable to increase pads’ damping and reduce noise generation. The composites formula uses elastomers as its matrix due to the damping characteristics associated to these materials. All the tests done with the objective of characterize composites physical and mechanical properties of it, as well as its effects when utilize as underlayer materials, were done also with current composites used as underlayer materials by friction materials company FRASLE S.A.. Were characterized dynamic – on several different temperatures - and static Young´s modulus besides composites density. On brake pads equipped with them were determined the natural frequencies of first four vibration modes as well as the loss factor associated to them and the compressibility of the block formed by the friction and underlayer materials. To confirm the composites efficiency on brake noise reduction a par of pads equipped with each one were submitted to a dynamometer noise scattering procedure, SAE J2521. By the end of this work the presented results assure that is possible to increase pads damping by the utilization of elastomeric matrix underlayers. Some associations between pads mechanical properties and noise occurrence during dynamometer tests were conducted. Where demonstrated the compressibility value has a significant correlation with the number of noisy brake stops during SAE J2521 procedure

Orientador: Kátia Lucchesi Cavalca Dedini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T19:40:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Hodel_MarceloNogueira_M.pdf: 2409507 bytes, checksum: 2a63cd5603f35b3409c428810dde5cc3 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Com a necessidade do lançamento de novos produtos e a introdução de novas tecnologias, em tempos cada vez mais competitivos, as empresas automobilísticas desenvolvem métodos para homologação de seus produtos, visando reduzir o tempo de desenvolvimento, e continuar atendendo aos requisitos de qualidade. Sendo assim, no setor automobilístico são desenvolvidas pistas de testes, para simular as principais características das aplicações veiculares, visando antecipar e analisar os resultados de confiabilidade dos componentes, antes do lançamento do veículo no mercado. Para avaliar os resultados obtidos durante a simulação é preciso compará-los com os dados de garantia, entretanto há componentes que são considerados itens de desgaste, que não são cobertos em garantia pela montadora, dificultando a comparação entre a simulação e os dados de garantia. Para validar os resultados obtidos por meio de uma simulação, para pastilhas de freio foram selecionadas amostras de usuários do veículo, logo após o seu lançamento. Foram realizados acompanhamentos sobre o desgaste das pastilhas de freio, para se obter os dados de confiabilidade em aplicações reais. Este estudo possui o objetivo de comparar os dados obtidos nos dois testes citados utilizando os conceitos de confiabilidade. A metodologia desenvolvida pode ser aplicada para validar os ensaios realizados para itens de desgaste, durante o desenvolvimento de novos produtos, principalmente veículos / Abstract: Due to the necessity of launching new products and the introduction of new technologies in more and more competitive times, automobile companies develop methods in order to get the approval of its products aiming at reducing the development time and keep meeting the quality requirements. Thus, in the automobile sector test tracks are developed in order to simulate the vehicle applications main features aiming at anticipating and analyzing the reliability results of components before launching the product in the market. In order to check the effectiveness of the results obtained during the simulation test, it is necessary to compare them with warranty data. However, there are components which are considered wear items and which aren't covered by the automaker warranty making it difficult the comparison with the results obtained in the simulation tests. Thus, in order to check the effectiveness of the results obtained through a simulation to brake pads it was selected samples from many vehicle users right after its launch and it was monitored for the wear of brake pads, aiming at obtaining reliability data in real application. The objective of this work is compare information obtained in both tests, using the reliability concepts. The developed methodology can be applied to validate the tests to wear items, during the development of new products, mainly vehicles / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

O Aeromóvel é um sistema não-convencional de transportes urbanos, baseado na aplicação de forças devido às diferenças de pressão entre duas câmaras, de forma similar à que ocorre em pistões pneumáticos e hidráulicos. A linha sobre a qual o veículo se move é composta de vigas vazadas, as quais são divididas em câmaras por meio de anteparos ligados ao veículo. A diferença de pressão responsável pela propulsão do mesmo é gerada por um ventilador, que pressuriza ou esvazia uma câmara conforme o sentido do movimento desejado. O veículo é dotado de um sistema de freios de atrito, utilizado para assegurar a parada do mesmo nas estações e de forma a garantir a segurança do veículo e de seus passageiros em caso de falhas no sistema propulsor. Devido à necessidade de se assegurar um acesso conveniente dos passageiros ao veículo, é necessário que a parada do mesmo nas estações seja feita com pequenos erros de posicionamento. Por essa razão, os freios devem ser possuir um sistema próprio de controle automatizado, garantindo assim que a parada ocorra com erros de amplitude satisfatória. Este trabalho aborda o desenvolvimento de um novo algoritmo de controle automático de parada do veículo do sistema Aeromóvel de transportes, visando a aprimorar o sistema de controle já existente. Inicialmente, descrevem-se as características gerais desse sistema de transporte, incluindo-se seus princípios de funcionamento e seus modos de operação, bem como modelo simplificado do comportamento dinâmico do elemento transportador durante sua operação. Também é apresentada a linha piloto do sistema, instalada em Porto Alegre - RS, com seus principais componentes físicos e dimensões. Atenção especial é dada à descrição do veículo de testes e aos elementos que o compõem. A técnica de controle atualmente utilizada pelo sistema de freios é discutida, e suas limitações são avaliadas. Com base no estudo das características do sistema Aeromóvel como um todo e de seu aparato de frenagem em particular, desenvolve-se o projeto do algoritmo de controle proposto. O controlador em questão é baseado na técnica de controle PID, com ganhos selecionados por meio da abordagem de tabelamento de ganhos (gain scheduling). O critério de seleção dos conjuntos de ganhos utilizados é baseado num algoritmo de estimativa da massa transportada pelo veículo em cada ciclo de operação. Os aspectos relacionados à implementação do novo controlador também são discutidos, incluindo-se os circuitos de instrumentação e o hardware de processamento necessário ao cálculo online do algoritmo proposto. Finalmente, as características do controlador são avaliadas experimentalmente, incluindo-se a validação do método utilizado para estimar a massa transportada pelo veículo. / Aeromóvel is a non-conventional urban transport system, based on the application of forces due to the difference of pressure between two chambers in a way that is similar to that of hydraulic and pneumatic pistons. The line along which the vehicle moves is composed of hollow beams, divided in chambers by means of rigid barriers attached to the vehicle. The pressure difference that propels the vehicle is generated by means of a fan that pressurizes or exhausts one of the chambers according to the direction of the desired movement. The vehicle is equipped with a friction-based braking system that is used so that the stopping at the stations is ensured and the safety of the passengers is safeguarded in case of failure of the propelling system. Due to the need of granting an adequate access of the passengers to the vehicle, it is necessary that its stopping at the stations be carried out with small positioning errors. For this reason, the braking system must possess an automatic control system of its own, capable of guaranteeing that station stopping occurs with errors of acceptable amplitude. This work describes the development of a new control algorithm to be applied to the automatic braking scheme of the Aeromóvel transport system, in order to enhance its performance. Initially, the general characteristics of the transport system as a whole are described, including its operation principles and a simplified mathematical model of the dynamic behavior of its transporting element during normal operation. It is also presented the experimental line of the system that is installed in Porto Alegre - RS, with its main physical components and dimensions. Special attention is given to the test vehicle and its components. The control technique that is currently employed with the braking system is discussed, and its limitations are taken into account. Based on the study of the Aeromovel system as a whole and of its braking system in particular, the proposed control algorithm is developed. Such controller is based on the PID control technique, with gains selected by means of the gain scheduling approach. The selection criterion of the gain sets is obtained from an algorithm for estimating the mass that is transported by the vehicle during each operation cycle. The features related to the practical implementation of the proposed controller are also discussed, including the measurement circuits and the processing hardware that is needed for the online calculation of the proposed algorithm. Finally, the characteristics of the proposed controller are investigated experimentally, and the validation of the algorithm employed to estimate the mass that is transported by the vehicle is discussed.

Este trabalho apresenta a aplicação dos conceitos da mecânica da fratura para materiais de fricção, especificamente sobre a tenacidade à fratura de materiais compósitos de fricção e sua utilização como requisito de projeto de componentes para a indústria automobilística. O conceito de tenacidade à fratura foi abordado como propriedade de desempenho e requisito de aplicação no projeto de novos materiais de fricção com objetivo de mitigar a ocorrência de falhas em serviço por quebra do componente. Foi proposto um método de medição para a tenacidade à fratura dos materiais de fricção, baseado na norma pertinente, ASTM D5045-99. O método foi validado através da caracterização de cinco materiais de fricção, atualmente utilizados na montagem de sistemas de freio destinados a veículos pesados de transporte de carga e passageiros, para os mercados brasileiro, da América Latina e dos Estados Unidos, e pelo confronto dos resultados obtidos, com expectativas de resultados baseados na literatura existente. Foram realizados os testes de medição da tenacidade à fratura em função da temperatura. As análises fractográficas mostraram um padrão de superfície de fratura típica para materiais compósitos de matriz frágil, carregada com componentes granulados, particulados e fibrosos, onde o padrão de propagação da fratura se assemelhou à fratura intergranular dos metais. Verificou-se, através dos resultados quantitativos, que a tenacidade à fratura dos materiais de fricção apresenta um decaimento exponencial em função da temperatura, diferente dos materiais metálicos, por exemplo, que apresentam aumento da tenacidade à fratura quando testados em temperaturas mais elevadas. Esse comportamento diferenciado dos materiais de fricção está diretamente associado à estrutura fundamental dos termorrígidos, e a rede de ligações químicas entre cadeias. Foi escolhida uma abordagem probabilística para análise dos resultados, com foco no conceito de projeto robusto. O modelo de Weibull foi utilizado na análise de probabilidade de falha a partir da determinação do valor de KIC de cada um dos materiais caracterizados, correspondente ao critério de probabilidade de falha admitida em projeto. Adicionalmente, foi possível estabelecer um equacionamento do comportamento da tenacidade à fratura dos materiais de fricção em função da temperatura, o qual pode ser utilizado como ferramenta de pesquisa e desenvolvimento de materiais de fricção. A tenacidade à fratura dos materiais de fricção em função da temperatura foi correlacionada, através da análise de elementos finitos, com os esforços em serviço do componente de fricção no sistema de freio, possibilitando a estimativa do tamanho de trinca máximo admissível para o componente de fricção submetido a tais esforços. Além disso, foi realizada a correlação da propriedade de tenacidade à fratura dos materiais de fricção com suas respectivas resistências à compressão. Verificou-se que para todos os cinco materiais, a relação entre KIC e resistência à compressão obedece a uma função linear crescente. Esta correlação entre tenacidade à fratura e resistência à compressão tem grande utilidade para indústria, visto que o ensaio de resistência à compressão é de fácil implementação e poderia ser utilizado como controle de qualidade indireto para tenacidade à fratura. / This work presents the application of fracture mechanics concepts to friction materials, specifically related to composite friction materials fracture toughness and its utilization as a design requirement for components to automotive industry. Fracture toughness concept has been treated as a performance characteristic and application requirement in the design of new friction materials, with the purpose of mitigating service failures due to component breakage. A method was proposed to measure fracture toughness of friction materials, based on adequate standard, ASTM D5045-99. It was validated through characterization of five friction materials, currently used in assembling brake systems for heavy vehicles used for goods transportation as well as for passengers, in Brazilian, Latin American and United States markets, and by comparing results obtained with expected data base of available literature. Fracture toughness measurements were carried out as a function of temperature. Fractographic analyses have shown a fracture surface pattern, typical for composite materials with fragile matrix, filled with granulated, particulate and fibrous components, and the fracture propagation pattern has shown similarities with metals intergranular fracture. It was observed, based on quantitative results obtained, that fracture toughness of friction materials assumes an exponential drop as a function of temperature, different from metallic materials, for example, which show a fracture toughness increase when evaluated at higher temperatures. This unusual behavior of friction materials is directly associated to the structure of thermosetting materials, and its chemical bonds between molecular chains. Probabilistic approach was defined for results analyses, based on concept of robust design. Additionally, an equation has been established that represents fracture toughness behavior of friction materials as a function of temperature, which can be used as a tool for research and development of friction materials. Fracture toughness of friction materials, associated with temperature has been correlated, through finite element analysis, with stresses on friction component during brake system service, allowing the estimation of maximum admissible crack length on the friction component working under those stresses. Complementarily, a correlation of fracture toughness of friction materials with their respective compression strength has been made. It was verified that, for all materials evaluated, relation between KIC and compression strength is represented by a directly proportional linear function. The correlation between fracture toughness and compression strength has extensive usage for industry, as compression strength test can be easily implemented, and could be used as an indirect quality control parameter for fracture toughness.

O Aeromóvel é um sistema não-convencional de transportes urbanos, baseado na aplicação de forças devido às diferenças de pressão entre duas câmaras, de forma similar à que ocorre em pistões pneumáticos e hidráulicos. A linha sobre a qual o veículo se move é composta de vigas vazadas, as quais são divididas em câmaras por meio de anteparos ligados ao veículo. A diferença de pressão responsável pela propulsão do mesmo é gerada por um ventilador, que pressuriza ou esvazia uma câmara conforme o sentido do movimento desejado. O veículo é dotado de um sistema de freios de atrito, utilizado para assegurar a parada do mesmo nas estações e de forma a garantir a segurança do veículo e de seus passageiros em caso de falhas no sistema propulsor. Devido à necessidade de se assegurar um acesso conveniente dos passageiros ao veículo, é necessário que a parada do mesmo nas estações seja feita com pequenos erros de posicionamento. Por essa razão, os freios devem ser possuir um sistema próprio de controle automatizado, garantindo assim que a parada ocorra com erros de amplitude satisfatória. Este trabalho aborda o desenvolvimento de um novo algoritmo de controle automático de parada do veículo do sistema Aeromóvel de transportes, visando a aprimorar o sistema de controle já existente. Inicialmente, descrevem-se as características gerais desse sistema de transporte, incluindo-se seus princípios de funcionamento e seus modos de operação, bem como modelo simplificado do comportamento dinâmico do elemento transportador durante sua operação. Também é apresentada a linha piloto do sistema, instalada em Porto Alegre - RS, com seus principais componentes físicos e dimensões. Atenção especial é dada à descrição do veículo de testes e aos elementos que o compõem. A técnica de controle atualmente utilizada pelo sistema de freios é discutida, e suas limitações são avaliadas. Com base no estudo das características do sistema Aeromóvel como um todo e de seu aparato de frenagem em particular, desenvolve-se o projeto do algoritmo de controle proposto. O controlador em questão é baseado na técnica de controle PID, com ganhos selecionados por meio da abordagem de tabelamento de ganhos (gain scheduling). O critério de seleção dos conjuntos de ganhos utilizados é baseado num algoritmo de estimativa da massa transportada pelo veículo em cada ciclo de operação. Os aspectos relacionados à implementação do novo controlador também são discutidos, incluindo-se os circuitos de instrumentação e o hardware de processamento necessário ao cálculo online do algoritmo proposto. Finalmente, as características do controlador são avaliadas experimentalmente, incluindo-se a validação do método utilizado para estimar a massa transportada pelo veículo. / Aeromóvel is a non-conventional urban transport system, based on the application of forces due to the difference of pressure between two chambers in a way that is similar to that of hydraulic and pneumatic pistons. The line along which the vehicle moves is composed of hollow beams, divided in chambers by means of rigid barriers attached to the vehicle. The pressure difference that propels the vehicle is generated by means of a fan that pressurizes or exhausts one of the chambers according to the direction of the desired movement. The vehicle is equipped with a friction-based braking system that is used so that the stopping at the stations is ensured and the safety of the passengers is safeguarded in case of failure of the propelling system. Due to the need of granting an adequate access of the passengers to the vehicle, it is necessary that its stopping at the stations be carried out with small positioning errors. For this reason, the braking system must possess an automatic control system of its own, capable of guaranteeing that station stopping occurs with errors of acceptable amplitude. This work describes the development of a new control algorithm to be applied to the automatic braking scheme of the Aeromóvel transport system, in order to enhance its performance. Initially, the general characteristics of the transport system as a whole are described, including its operation principles and a simplified mathematical model of the dynamic behavior of its transporting element during normal operation. It is also presented the experimental line of the system that is installed in Porto Alegre - RS, with its main physical components and dimensions. Special attention is given to the test vehicle and its components. The control technique that is currently employed with the braking system is discussed, and its limitations are taken into account. Based on the study of the Aeromovel system as a whole and of its braking system in particular, the proposed control algorithm is developed. Such controller is based on the PID control technique, with gains selected by means of the gain scheduling approach. The selection criterion of the gain sets is obtained from an algorithm for estimating the mass that is transported by the vehicle during each operation cycle. The features related to the practical implementation of the proposed controller are also discussed, including the measurement circuits and the processing hardware that is needed for the online calculation of the proposed algorithm. Finally, the characteristics of the proposed controller are investigated experimentally, and the validation of the algorithm employed to estimate the mass that is transported by the vehicle is discussed.