Orientador: Mauricio Araújo Zanardi / Coorientador: Teófilo Miguel de Souza / Banca: José Elias Tomazini / Banca: José Antonio Perrella Balestieri / Banca: Humberto Araújo Machado / Banca: Newton Galvão de Campos Leite / Resumo: A busca por melhores desempenhos em motores de combustão interna, máquinas elétricas e sistemas mecânicos que utilizam mancais hidrodinâmicos tem motivado os recentes estudos na área de lubrificação com a aplicação da dinâmica de fluidos computacional. A modelagem numérica tem se mostrado bastante eficaz em comparação com modelos físicos, com baixo custo. Dessa forma, o presente trabalho estuda a dinâmica de alguns fluidos não-Newtonianos em mancais radiais curtos, utilizando os modelos Herschel-Bulkley, Bingham e Pseudoplástico, nos quais os resultados foram comparados com os dos fluidos Newtonianos. Aqui, o objetivo principal é comparar a distribuição de pressão do fluido, a ocorrência de cavitação e os parâmetros de desempenho, tais como capacidade de carga, força de atrito e taxa de vazamento lateral. O modelo matemático utilizado foi baseado nas equações de Reynolds com o procedimento proposto por Payvar-Salant acoplado ao modelo de cavitação de Elrod e as condições de contorno de Jakobsson, Floberg e Olsson (JFO). As equações dos mancais foram resolvidas em um programa escrito em linguagem MATLAB com discretização pelo Método de Volumes Finitos e a solução através do Algoritmo de Matriz Tri-Diagonal cíclica (TDMA). Os resultados apontaram algumas vantagens em todos os parâmetros de desempenho quando os fluidos não Newtonianos de Herschel-Bulkley ou Bingham são comparados com fluidos Newtonianos / Abstract: The search for better performance in internal combustion engines, electrical machines and mechanical systems which use hydrodynamic journal bearings has motivated the recent studies in the field of lubrication with the application of computational fluid dynamics. Numerical modeling has been shown to be quite effective compared to physical models with low cost. In this way, the present work studies the dynamics of some non-Newtonian fluids in short journal bearings, using the Herschel-Bulkley, Bingham and Pseudoplastic models and the results were compared to those for Newtonian fluids. Here, the main objective is to compare fluid pressure distribution, cavitation occurrence and performance parameters, such as load carrying capacity, friction force and side leakage rate. The used mathematical model was based on the Reynolds equations with the procedure proposed by Payvar-Salant coupled with the Elrod cavitation model and the Jakobsson, Floberg and Olsson (JFO) boundary conditions. The bearing equations were solved in a program written in MATLAB language with discretization by the finite volumes method and a cyclic Tri-Diagonal Matrix Algorithm solver. The results pointed out some advantages in all performance parameters when HerschelBulkley or Bingham non-Newtonian fluids are compared to Newtonian fluids / Doutor

O presente trabalho propõe uma metodologia para o cálculo da vida e do coeficiente de segurança à fadiga, ou fatigue factor, para mancais hidrodinâmicos, mais comumente chamados de bronzinas. A metodologia proposta é confrontada com os resultados de um teste de fadiga dos referidos componentes, no qual se determina o limite de resistência à fadiga, ou endurance limit, pela análise estatística dos dados. Utilizou-se para tanto o método Staircase. Tal confrontação de resultados possibilita não só a validação experimental da metodologia proposta para a condição do teste efetuado, como também a proposição de futuros estudos com a finalidade de se estender o uso da metodologia não somente para bronzinas fabricadas com outros materiais, como também para a previsão da fadiga na condição de operação dos motores de combustão interna automotivos e também sua utilização em outros componentes mecânicos, como por exemplo molas de suspensão, desde que trabalhem em regime elástico. / The present work proposes a calculation methodology to predict the fatigue life as well as the fatigue safety factor, called fatigue factor, for the plain bearings. The proposed methodology is confronted with the results of a bearings fatigue test, performed to determine the endurance limit with the Staircase statistical analysis method. The results confrontation experimentally validates the proposed methodology, for the performed tests condition. Future studies are proposed to extend the methodology validation not only to bearings made with different materials, but also to predict fatigue on bearings under operation conditions of automotive internal combustion engines and its usage to other mechanical components under linear elastic behavior, such as suspension springs.

Este trabalho apresenta parte de um programa de desenvolvimento de um simulador de controle de atitude com mancal aerostático em três graus de liberdade. O escopo deste trabalho é a definição da arquitetura do sistema, dimensionamento preliminar de componentes, projeto e fabricação de um mancal aerostático. A finalidade do simulador é servir de plataforma para avaliar o desempenho de sistemas de controle de atitude para aplicações em satélite. O sistema deve simular as grandes mudanças de atitude, minimizando o efeito de torques de perturbação. Conseqüentemente, as exigências do projeto são: (a) inércia baixa para minimizar os torques do controle; (b) movimento sem restrições para grandes variações de atitude; (c) incluir dispositivo de ajuste da posição do centro da massa do sistema ao centro de pressão do mancal aerostático a fim de minimizar torques gravitacionais; (d) usinagem de alta qualidade de forma e superficial dos componentes do mancal para minimizar os torques por atrito; (e) baixo consumo de energia; (f) transparência eletromagnética para permitir controle remoto e indução de um campo magnético externo de referência. Os componentes principais do sistema são: alimentação de energia, três rodas de reação, sistema de medição da atitude (giroscópios ou magnetômetros mais acelerômetros) e um sistema mecânico para ajuste fino de posição para centro de massa. Como a finalização do protótipo simulador depende da conclusão de pesquisas de sistemas que estão em desenvolvimento em outras frentes de trabalho, ligadas a outros grupos de pesquisa, este trabalho tem sua conclusão com a apresentação do anteprojeto e da simulação do funcionamento do protótipo, além da fabricação dos componentes principais do mancal aerostático.

A Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP) e o Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia (IDPC) estão realizando um projeto conjunto visando o desenvolvimento de um implante Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV). Esta dissertação é parte do desenvolvimento de um VAD implantável em que o rotor da bomba é suspenso por uma suspensão magnética com um grau de liberdade (1-DOF). A suspensão magnética aqui utilizada apresenta o controle ativo somente na direção axial do rotor. Este mancal magnético foi apresentado por Silva e Horikawa (2000) no qual o controle ativo é executado apenas na direção axial do rotor. Neste trabalho o mancal magnético será referenciado como MMA-EPUSP. O motor de corrente contínua sem escovas (BLDC) foi selecionado pelo mesmo motivo que o mancal magnético: o motor não pode ter nenhum contato com o rotor, minimizando os problemas de danos aos componentes do sangue. Entretanto, o acionamento do motor através de forças magnéticas pode interferir na suspensão magnética. Como a estabilidade da suspensão magnética é garantida pela rigidez axial, é razoável presumir que a interação magnética entre o mancal magnético e o motor elétrico pode interferir na suspensão magnética. Este estudo analisa experimentalmente o motor BLDC com rotor apoiado pelo MMA-EPUSP, para identificar o comportamento desse conjunto utilizando duas configurações distintas de motor com fluxo magnético: radial e axial. A análise inclui: (i) projeto, construção e teste de um motor BLDC axial e um radial; (ii) projeto, construção e teste do MMA- EPUSP e do rotor para ser acionado pelos motores BLDC; (iii) estimativa do comportamento dos motores BLDC utilizando análise MEF; e (iv) execução dos testes experimentais para identificar como cada opção de montagem do motor interage com o MMA-EPUSP. A análise MEF corrobora com a recomendação do motor BLDC de fluxo magnético radial como a melhor opção de motorização para o DAV com o MMA-EPUSP, já que este motor não induz nenhuma força magnética axial que precise ser compensada pela suspensão magnética. Entretanto, o projeto do DAV pode ser mais complexo devido à interferência mecânica entre a saída do sangue do DAV e o estator do motor. Já a força magnética axial induzida pelo motor BLDC de fluxo axial é suficientemente forte para desestabilizar o MMA-EPUSP, demandando uma alta corrente do controle de posição do rotor. Os dados indicam que o projeto do controlador atual não conseguirá garantir a estabilidade do mancal magnético com este tipo de motor a altas velocidades. Neste caso, estudos adicionais são recomendados para avaliar a estabilidade dinâmica do rotor com MMA-EPUSP com o rotor imerso em sangue, já que um ambiente líquido poderá absorver a energia das oscilações e minimizar as restrições associadas à instabilidade da suspensão magnética a velocidades inferiores a 5000 RPM. / The Escola Politécnica of São Paulo University (EPUSP) and the Institute Dante Pazzanese of Cardiology (IDPC) is conducting a joint project aiming the development of an implantable Ventricular Assist Device (VAD). This study is part of the development of an implantasuporte@poli.usp.brble VAD in which the pump rotor is suspended by single degree of freedom (1-DOF) magnetic suspension. The magnetic suspension here utilized presents active control only in the rotor axial direction. This magnetic bearing had been presented by Silva and Horikawa (2000) in which the active control is executed only in the axial direction of a rotor. In this work this Axial Magnetic Bearing is referred as AMB-EPUSP. The brushless direct current (BLDC) motor has been elected due to the same reason why a magnetic bearing: the motor should not contact the rotor, minimizing problems of damage to the blood components. However, the driving of the rotor by magnetic forces may interfere in the magnetic suspension. As the stability of this magnetic suspension has been established by the axial stiffness, it is reasonable to expect that the magnetic interaction between the magnetic bearing and the used electric motor may interfere in the magnetic suspension. This study analyzes experimentally the BLDC motor, which rotor is supported by the AMB- EPUSP, to identify the behavior of this set using two distinct magnetic flux motor configurations: axial and radial. The analysis includes: (i) design, construction and testing of the axial and the radial BLDC motors; (ii) design, construction and testing of AMB-EPUSP and the rotor to be driven be both BLDC motors; (iii) estimate the BLDC motors behavior using FEM analysis; and (iv) experimental tests execution to identify how each motor assemble option interact with the AMB- EPUSP. The FEM analysis corroborates on the recommendation of the radial magnetic flux BLDC motor option as the best choice to drive the VAD with AMB- EPUSP, since this motor does not generate any axial magnetic force to be compensated by the magnetic suspension. However, a more complex VAD design may be required due to the mechanical interference between the VAD outlet and the motors winding. The axial force generated by the axial magnetic flux BLDC motor option, induces a strong instability on the AMB-EPUSP, demanding high current to control the rotor position. The data indicates the current controller design will not be able to guarantee the magnetic bearing stability with this motor on higher velocities. On any case, additional study is recommend to evaluate the rotordynamic rotor dynamic instability of the AMB- EPUSP with the rotor surrounded by blood, since the liquid environment should absorb the oscillation energy and minimize the restriction due to the magnetic suspension instability on speed below 5000 RPM.

Todos os anos, milhões de reais são gastos para cobrir os custos de garantia de caixas de direção que apresentam problemas de ruído e inconvenientes são causados nas linhas de montagem das grandes montadoras devido a este mesmo problema. Parte destas ocorrências se devem a um ruído específico chamado de Rattle Noise originado por uma operação de regulagem incorreta do bujão de ajuste. Em caixas de direção cujo “design” não permite uma medição direta da regulagem do sistema de ajuste, não existe um meio de avaliar a qualidade da operação e garantir que todas as peças estejam dentro das especificações. Baseado neste problema, este trabalho visa propor uma metodologia de avaliação da qualidade da operação de ajuste da caixa de direção de uma maneira indireta, porém com uma representação muito próxima do resultado que seria apresentado por uma medição direta, se o “design” do produto permitisse. Para tornar isso possível, foram realizados ensaios com caixas de direção em uma bancada experimental de testes aplicando-se a cremalheira cargas perpendiculares a seu eixo e momentos torsores. Foram avaliadas as respostas da amplitude do movimento angular descrito e também do deslocamento da cremalheira no sentido do seu raio observando-se a correlação que as respostas tinham com a real folga do mancal no interior do sistema de ajuste. Estes ensaios mostram que existe uma correlação muito forte entre as variáveis medidas externamente e a real flutuação do mancal no interior do sistema de ajuste e, através da regressão linear, uma equação foi definida para expressar este correlacionamento. Uma máquina foi construída para que a verificação fosse feita em 100% dos mecanismos produzidos na linha de montagem de um modelo de caixa de direção. Depois de construída a máquina, validou-se o seu funcionamento através dos estudos de R&R (Repetitividade e Reprodutibilidade), que ficaram abaixo de 20%, e da calibração da mesma comparando-se os resultados fornecidos pela máquina com as leituras realizadas de forma direta através de peças com o “design” alterado de forma a tornar isto possível, mostrando uma correlação de 99%. Hoje, o sistema está rodando perfeitamente em uma linha de montagem de um grande fabricante de sistemas de direção nacional. / Every year, millions of dollars are spent to cover the insurance costs of steering systems that have noise problems and inconveniences are caused in assembly lines of major car industry because of this same problem. Most of these occurrences are due to a specific noise called Rattle Noise caused by an incorrect operation of the adjustment screw to adjust the steering box. In cases where the direction of "design" does not allow a direct measurement of the values of the adjustment system, there is no way to assess the quality of operation and thus ensure that all parts are within specifications. Based on this problem, this work proposes a methodology to assess the quality of the adjust operation of the steering system in an indirect way, but with a very close representation of the results to be presented by a direct measurement if the "product design" had allowed. To make this possible, tests on steering systems were conducted in a test bench each exciting to rack with loads perpendicular to its axis and torsion loads. We studied responses of the magnitude of angular momentum described by the system and also the displacement of the rack along its radius by observing the correlation within the measured values to the actual bearing clearance into the system. These tests showed that there was a very strong correlation between the measured variables and externally real bearing fluctuation within the system of adjustment and using a linear regression, an equation was defined to express this correlation. A machine was built in order to verify 100% of the products in the assembly line of a vehicle steering system. Once built the machine and validated its operation through R & R studies, which has shown results below of 20%, the system was calibrated comparing the output of the machine with the readings taken directly in parts with the altered "design" to make this possible, showing a correlation of 99%. Today, the system is running perfectly on an assembly line of a major national manufacturer of steering systems.

O presente trabalho propõe uma metodologia para o cálculo da vida e do coeficiente de segurança à fadiga, ou fatigue factor, para mancais hidrodinâmicos, mais comumente chamados de bronzinas. A metodologia proposta é confrontada com os resultados de um teste de fadiga dos referidos componentes, no qual se determina o limite de resistência à fadiga, ou endurance limit, pela análise estatística dos dados. Utilizou-se para tanto o método Staircase. Tal confrontação de resultados possibilita não só a validação experimental da metodologia proposta para a condição do teste efetuado, como também a proposição de futuros estudos com a finalidade de se estender o uso da metodologia não somente para bronzinas fabricadas com outros materiais, como também para a previsão da fadiga na condição de operação dos motores de combustão interna automotivos e também sua utilização em outros componentes mecânicos, como por exemplo molas de suspensão, desde que trabalhem em regime elástico. / The present work proposes a calculation methodology to predict the fatigue life as well as the fatigue safety factor, called fatigue factor, for the plain bearings. The proposed methodology is confronted with the results of a bearings fatigue test, performed to determine the endurance limit with the Staircase statistical analysis method. The results confrontation experimentally validates the proposed methodology, for the performed tests condition. Future studies are proposed to extend the methodology validation not only to bearings made with different materials, but also to predict fatigue on bearings under operation conditions of automotive internal combustion engines and its usage to other mechanical components under linear elastic behavior, such as suspension springs.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Gradução em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-22T22:34:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 237031.pdf: 14512398 bytes, checksum: 9f328c449a344b356f573fe4aed4a01f (MD5) / O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma bancada experimental utilizada para avaliar o comportamento de mancais radiais lubrificados hidrodinamicamente quando submetidos a carregamentos estáticos, dinâmicos e a desalinhamentos de montagem. Em carregamento estático, é dada atenção à pressão hidrodinâmica gerada no filme de lubrificante bem como à região de cavitação e comparações com resultados teóricos são apresentadas. Uma metodologia de volumes finitos é utilizada para a integração da equação de Reynolds que governa o problema de lubrificação. Adicionalmente, visualizações foram realizadas para que os fenômenos físicos associados a região de cavitação pudessem ser melhor compreendidos. Em carregamento dinâmico, a órbita do mancal foi monitorada e comparada com resultados numéricos obtidos pela utilização de uma metodologia de elementos finitos para a integração da equação de Reynolds. Adicionalmente, as evidências experimentais permitiram que alterações na equação de Reynolds fossem sugeridas para que a região de cavitação em carregamento dinâmico fosse melhor caracterizada. Por fim, uma metodologia numérica é apresentada para a simulação acoplada do mecanismo de compressão de um compressor hermético de refrigeração. Nesta formulação, todos os mancais hidrodinâmicos são modelados em carregamento dinâmico e os desalinhamentos são considerados. Resultados experimentais são apresentados para a potência consumida e para a órbita do eixo.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T18:42:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 95664.pdf: 2842420 bytes, checksum: ec5361a403ee91a9d393df3a6a2fa6de (MD5) Previous issue date: 1994 / Com este trabalho pretende-se desenvolver um cabeçote voltado para a usinagem de precisão. Ressalta-se a importância de um projeto aprimorado para então executar a fase de fabricação. Nada deve ser construído sem que se saiba com certeza aonde se pretende chegar e em que condições pode-se atingir este objetivo. Dentre as diversas opções de mancais existentes, o mancal aerostático é o que melhor se adapta às exigências da Mecânica de Precisão. Existe certa limitação quanto à divulgação de teorias de dimensionamento de mancais aerostáticos, entretanto, existem teorias bem desenvolvidas para mancais do tipo radial e do tipo axial, isoladamente. Estes dois tipos de mancais vêm a formar o que se conhece por mancal aerostático do tipo Yate, objeto de estudo nesta dissertação. O projeto do mancal, utilizando teoria desenvolvida por Stout, visa introduzir uma metodologia de dimensionamento bem como de análise de desempenho em função de erros de fabricação. Cria-se, assim, um facilitador de projeto, o então denominado programa AEROCAD. Com este programa pode-se rapidamente dimensionar um mancal aerostático do tipo Yate. Avaliando os requisitos de aceleração e torque de usinagem consegue-se, facilmente, dimensionar um motor elétrico AC de indução, que preenche os quesitos necessários para acionar este cabeçote. Propõe-se uma nova metodologia de confecção de restritores de orifício sem rebaixo utilizando resina isooftálmica, processo barato e de boa qualidade. Discute-se a utilização de mancais aerostáticos como mesa para realizar retificação plano-rotativa, tecnologia utilizada para fabricar algumas peças do mancal sob consideração. Para comprovar a teoria utilizada faz-se uma série de ensaios: geométrico, estático, térmico e dinâmico do cabeçote. Com o resultado destes ensaios pode-se dizer que a metodologia utilizada foi de sobremodo verdadeira, bem como, que se está instalando uma série de marcas a serem sobrepujadas em trabalhos futuros.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-18T10:45:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-25T23:18:46Z : No. of bitstreams: 1 177769.pdf: 2685526 bytes, checksum: 13db29067265094db7dcb0535875b5bf (MD5) / Este trabalho tem por objetivo analisar, utilizando o método dos elementos finitos, o comportamento dinâmico de rotores em eixos bobinados. Os rotores são formados por um ou dois discos acoplados à um eixo apoiado em mancais flexíveis. Os eixos são, neste caso, fabricados a partir do bobinamento de fibras impregnadas em resina sobre um mandril. Os discos são considerados rígidos e um elemento do tipo viga com módulo equivalente é utilizado para modelar o eixo do rotor. Um modelo de amortecimento interno é introduzido através de um módulo equivalente amortecido. Inicialmente, são determinadas a resposta a uma massa desbalanceada e as zonas de instabilidade para os modos em flexão de rotores apoiados em mancais com diferentes configurações. Nos modos em torção, são determinadas as freqüências naturais e os respectivos fatores de amortecimento, bem como a resposta em freqüência. Os resultados obtidos com o eixo em carbono/epóxi e em vidro/epóxi, mostraram que o ângulo de bobinagem do eixo pode ter forte influência na localização das freqüências naturais, tanto nos modos em flexão quanto em torção. O amortecimento interno, proveniente do material composto, pode reduzir consideravelmente os picos de amplitudes de vibrações, porém pode gerar instabilidade no sistema. E por fim, com o objetivo de ressaltar as vantagens e a flexibilidade oferecidas pelo uso de materiais compostos em rotores, um método de otimização foi utilizado para minimizar picos de amplitude, evitar zonas de instabilidade e determinar a posição ótima das velocidades críticas, tendo como variáveis de projeto o ângulo de bobinagem, as rigidezes dos mancais e a posição do disco no eixo.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-18T22:55:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T02:44:59Z : No. of bitstreams: 1 138155.pdf: 19404501 bytes, checksum: 2b04f90297b50c38f5d80fdf5694a3aa (MD5)