The problem with designing and simulating a race car entirely through CAD and other computer simulations, is that the real world behavior of the car will differ from the results outputted from CFD and FEA analysis. One way to learn more about how the car actually handles, is through telemetry and data logging of many different sensors on the car while it is running at racing speeds. This data can help the engineering team build new components, and tune the many different systems on the car in order to get the fastest time around a track as possible.

Rubber V-belt Continuously Variable Transmissions (CVT's) are commonplace in the Baja SAE collegiate design competition, and are also used widely in the power sports industry. These transmissions offer benefits of simplicity in mechanical design, consisting of only two pulleys, and are easy to use. While most teams in the competition use commercially available designs, custom designs are becoming more common, and the Baja team at Virginia Tech has used custom CVT's since the 2014 season. The design of these CVT's has relied heavily on trial and error, requiring significant adjustments to be made during the testing phase. In addition, only qualitative information is known for the relationship between efficiency and design parameters, such as sheave angle. The goal of this thesis is to create an improved V-belt model that may be used as a design tool. This model provides quantitative information about efficiency that can be used to make more informed design decisions. The belt model also provides insight into the magnitude and relationship between the axial forces in the pulleys. This can be used to create an initial design that is more accurate, and possibly reduce the time required for tuning. A CVT dynamometer was constructed to validate the analytical results for efficiency, and this will also serve as a tuning tool for future Baja teams at Virginia Tech. This thesis will advance the state of the custom CVT design and testing process at Virginia Tech, and hopefully lead to improved results at competition in the future. / Master of Science / Baja SAE is an annual collegiate competition where students design and build an off-road vehicle. Many teams choose to use Continuously Variable Transmissions (CVT’s) in order to maximize the efficiency of the vehicle’s transmission. By continually shifting ratios, CVT’s allow internal combustion engines to always run at peak performance. There are several types of CVT’s, but the most common one used in Baja SAE and the power sports industry is a rubber V-belt design that is controlled mechanically with springs and flyweights. While these devices are used extensively, the underlying dynamics are not well-documented in literature. The Baja team at Virginia Tech builds a custom CVT every year for the vehicle, but the success of the design relies heavily on tuning through trial and error. A better understanding of the dynamics of the belt will result in better initial designs, and will help to reduce the amount of tuning required for the success of the design. This thesis offers an improved dynamic model for a CVT belt, and validates the results of this model through testing on a custom-built dynamometer. This model is also able to predict the efficiency of the transmission, and these results may be used to influence design decisions by predicting their effects on performance. The results of this research will improve the design process for a rubber V-belt CVT and hopefully lead to improved results at competition for the Baja team at Virginia Tech.

Dentre os principais e mais efetivos tratamentos superficiais para a melhora das propriedades da superfície dos aços, encontra-se a nitretação e a nitrocarbonetação. Os benefícios da nitretação nos aços são o aumento da dureza, resistência ao desgaste, resistência à fadiga e resistência à corrosão. Por possuírem elementos como cromo, molibdênio e manganês, os aços ferramenta e aços baixa liga de ultra alta resistência são beneficiados pela nitretação. Neste trabalho, estudou-se o efeito da nitretação nos aços SAE 4140 e SAE H13 através de análises metalográficas, espectroscopia de emissão óptica, difração de raios-x, microdureza e ensaio pino-sobre-disco. Para efeito de comparação, amostras de aço SAE 1045 e ferro puro foram nitretadas juntamente com amostras dos dois materiais anteriores. Foram executados três tratamentos diferentes em cada um dos aços, nitretação com baixo potencial de nitrogênio, nitretação com alto potencial de nitrogênio e nitrocarbonetação. Os dois primeiros tratamentos foram realizados em três tempos diferentes de duas, quatro e seis horas e a nitrocarbonetação foi realizada em seis horas. Os resultados mostraram a formação de uma camada nitretada com de camada branca seguida de uma camada de difusão com gradiente de propriedades. Um aumento significativo de dureza superficial é observado com a aplicação dos tratamentos. A nitrocarbonetação junto com alto potencial de nitretação se mostrou não sendo benéfica para a formação da camada em relação à nitretação com mesmo potencial. Nos testes tribológicos realizados, a camada nitretada se mostrou eficiente em aumentar a resistência ao desgaste nos aços SAE 4140 e SAE H13. / Among the main and most effective surface treatments for improving the surface properties of steels are nitriding and nitrocarburizing. The benefits of nitriding in steels are the increase in hardness, wear resistance, fatigue resistance and corrosion resistance. Because they have elements such as chromium, molybdenum and manganese, tool steels and low alloy steels of ultra high strength are benefited by nitriding. In this work, the effect of nitriding on SAE 4140 and SAE H13 steels was studied through metallographic analysis, optical emission spectroscopy, x-ray diffraction, microhardness and pin-on-disc test. For comparison purposes, samples of SAE 1045 steel and pure iron were nitrided together with samples of the two former materials. Three different treatments were performed in each of the steels, nitriding with low nitrogen potential, nitriding with high nitrogen potential and nitrocarburizing. The first two treatments were performed at three different times of two, four and six hours and nitrocarburizing was performed in six hours. The results showed the formation of a nitrided layer with a white layer followed by a gradient layer of properties. A significant increase in surface hardness is observed with the application of the treatments. Nitrocarburizing together with high nitriding potential proved to be of no benefit to the formation of the layer in relation to nitriding with the same potential. In the tribological tests carried out, the nitrided layer proved efficient in increasing wear resistance in SAE 4140 and SAE H13 steels.

Os aços da classe SAE 5120 são largamente utilizados para a produção de eixos e engrenagens de caixas de transmissão. As adições de nióbio e boro neste aço visam modificar a microestrutura e, consequentemente, alteram as propriedades metalúrgicas e mecânicas deste aço. Adições de nióbio ancoram o crescimento de grão austenítico, permitindo um aumento de produtividade no processamento visto que temperaturas de laminação e de tratamento térmico mais elevadas podem ser aplicadas sem que ocorra o crescimento de grão austenítico. O boro encontra-se tanto na forma solúvel como nãosolúvel nos aços. O boro solúvel aumenta a temperabilidade, devido à segregação deste elemento durante a solidificação nos contornos de grãos, retardando a nucleação da ferrita. O boro não-solúvel (combinado) também contribui para o ancoramento dos contornos de grãos austeníticos, visto que este se combina com o nitrogênio formando o BN cuja temperatura de solubilização é por volta de 1360ºC. O objetivo principal foi avaliar a cinética de transformação do aço SAE 5120 com a adição simultânea de boro e nióbio por meio da curva de transformação por resfriamento contínuo (CCT) a partir do campo austenítico (930oC). As amostras foram caracterizadas por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura e por ensaios de dureza, possibilitando a construção da curva CCT para diferentes taxas de resfriamento. Na análise metalográfica observou-se a segregação de manganês e cromo da matéria-prima (estrutura bandeada) e a forte tendência de formação da bainita. Com o auxílio do programa de simulação termodinâmica computacional Thermocalc, foi possível simular as fases termodinamicamente estáveis, verificando que o boro e o nióbio formam precipitados estáveis em altas temperaturas (acima de 1150ºC), sendo os principais responsáveis pelo refino de grão. A temperabilidade e comportamento mecânico foram avaliados pelos ensaios Jominy e o ensaio de impacto Brugger, respectivamente. A influência dos elementos de liga nestes ensaios foi avaliada através de método de regressão linear por meio do software Minitab. / SAE 5120-alloyed steel is largely used to manufacture transmission gears and shafts for automotive industry. Alloying with niobium and boron is intentionally made to modify the microstructure and, consequently, promoting changes in metallurgical and mechanical proprieties. Alloying with niobium prevents austenitic grain growth (pinning effect), leading to an increase of productivity since higher rolling mill and heat treatment temperatures can be achieved. Boron can be found either soluble or insoluble in steels. Soluble B increases hardness, because it segregates to grain boundaries retarding the nucleation of ferrite. Insoluble B, on the other hand, also plays a role on avoiding austenitic grain growth due to its chemical reaction with N forming BN whose solubility temperature is around 1360ºC. The main target of this work was to evaluate the kinetics of phase transformations by continuous cooling transformation (CCT) from the austenitic field (930oC). The microstructure was analyzed by optical microscope, scanning eléctron microscope (SEM), and hardness testing, allowing building the CCT diagram with different cooling rates. It was observed by means of conventional metallography the segregation of Mn and Cr (banding) during solidification of the raw material and a strong propensity to form bainite. Using the Thermocalc software, it was possible to predict the thermodynamically stable phases, proving that boron and niobium form stable precipitates at high temperatures (above 1150ºC) responsible to decrease austenitic grain size. The hardenability and mechanical properties were investigated by Jominy and Brugger impact tests, respectively. The effect alloy adding in these tests were analyzed by linear regression in the software Minitab.

Os aços da classe SAE 5120 são largamente utilizados para a produção de eixos e engrenagens de caixas de transmissão. As adições de nióbio e boro neste aço visam modificar a microestrutura e, consequentemente, alteram as propriedades metalúrgicas e mecânicas deste aço. Adições de nióbio ancoram o crescimento de grão austenítico, permitindo um aumento de produtividade no processamento visto que temperaturas de laminação e de tratamento térmico mais elevadas podem ser aplicadas sem que ocorra o crescimento de grão austenítico. O boro encontra-se tanto na forma solúvel como nãosolúvel nos aços. O boro solúvel aumenta a temperabilidade, devido à segregação deste elemento durante a solidificação nos contornos de grãos, retardando a nucleação da ferrita. O boro não-solúvel (combinado) também contribui para o ancoramento dos contornos de grãos austeníticos, visto que este se combina com o nitrogênio formando o BN cuja temperatura de solubilização é por volta de 1360ºC. O objetivo principal foi avaliar a cinética de transformação do aço SAE 5120 com a adição simultânea de boro e nióbio por meio da curva de transformação por resfriamento contínuo (CCT) a partir do campo austenítico (930oC). As amostras foram caracterizadas por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura e por ensaios de dureza, possibilitando a construção da curva CCT para diferentes taxas de resfriamento. Na análise metalográfica observou-se a segregação de manganês e cromo da matéria-prima (estrutura bandeada) e a forte tendência de formação da bainita. Com o auxílio do programa de simulação termodinâmica computacional Thermocalc, foi possível simular as fases termodinamicamente estáveis, verificando que o boro e o nióbio formam precipitados estáveis em altas temperaturas (acima de 1150ºC), sendo os principais responsáveis pelo refino de grão. A temperabilidade e comportamento mecânico foram avaliados pelos ensaios Jominy e o ensaio de impacto Brugger, respectivamente. A influência dos elementos de liga nestes ensaios foi avaliada através de método de regressão linear por meio do software Minitab. / SAE 5120-alloyed steel is largely used to manufacture transmission gears and shafts for automotive industry. Alloying with niobium and boron is intentionally made to modify the microstructure and, consequently, promoting changes in metallurgical and mechanical proprieties. Alloying with niobium prevents austenitic grain growth (pinning effect), leading to an increase of productivity since higher rolling mill and heat treatment temperatures can be achieved. Boron can be found either soluble or insoluble in steels. Soluble B increases hardness, because it segregates to grain boundaries retarding the nucleation of ferrite. Insoluble B, on the other hand, also plays a role on avoiding austenitic grain growth due to its chemical reaction with N forming BN whose solubility temperature is around 1360ºC. The main target of this work was to evaluate the kinetics of phase transformations by continuous cooling transformation (CCT) from the austenitic field (930oC). The microstructure was analyzed by optical microscope, scanning eléctron microscope (SEM), and hardness testing, allowing building the CCT diagram with different cooling rates. It was observed by means of conventional metallography the segregation of Mn and Cr (banding) during solidification of the raw material and a strong propensity to form bainite. Using the Thermocalc software, it was possible to predict the thermodynamically stable phases, proving that boron and niobium form stable precipitates at high temperatures (above 1150ºC) responsible to decrease austenitic grain size. The hardenability and mechanical properties were investigated by Jominy and Brugger impact tests, respectively. The effect alloy adding in these tests were analyzed by linear regression in the software Minitab.

In this work, nozzle clogging in the submerged entry nozzle in continuous casting of Al killed steels has been studied. The study has been based on low silicon Al killed SAE 1006 (1.2006) and SAE 1008 (1.2008) grades. In this study, castabilities of 75 heats for 1.2006 steel grades and 75 heats for 1.2008 steel grades have been investigated. Castabilities of the experimental heats have been found to be affected by Al content in oxide form (Aloxy) and Ca content of the liquid steel. Castabilities have been found to decrease with increase in Aloxy and to increase with increase in Ca content and Ca/Aloxy ratio. Reoxidation has been found not to affect the castability appreciably.

Submitted by GILSON SILVA JUNIOR null (gilson_feg@yahoo.com.br) on 2017-12-18T12:27:06Z No. of bitstreams: 1 Tese Doutorado Defesa - Versão Final.pdf: 8602731 bytes, checksum: 8f3cbfc632bdb7f8998d8a2a7aa87243 (MD5) / Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2017-12-18T13:21:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silvajunior_g_dr_guara.pdf: 8602731 bytes, checksum: 8f3cbfc632bdb7f8998d8a2a7aa87243 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-18T13:21:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silvajunior_g_dr_guara.pdf: 8602731 bytes, checksum: 8f3cbfc632bdb7f8998d8a2a7aa87243 (MD5) Previous issue date: 2017-11-10 / A obtenção de granulometria ultrafina em aços com baixo teor de carbono pode contribuir para ampliação de suas aplicações na indústria, devido as propriedades mecânicas superiores que podem ser alcançadas com o refinamento de grãos, tais como: resistência mecânica, dureza, e tenacidade. O processo conhecido como Equal Channel Angular Pressing (ECAP) induz deformações plásticas severas suficientes para alterar as características microestruturais dos metais reduzindo seu tamanho de grão, e consequentemente melhorando algumas propriedades mecânicas, sem alterar a composição química dos materiais, ao utilizar temperaturas abaixo do ponto de recristalização dos metais. Neste trabalho o processo ECAP foi conduzido com corpos de prova na temperatura de 550°C utilizando como material de estudo aço SAE 1020. Os corpos de prova foram separados em três grupos. No primeiro grupo as amostras não foram submetidas a nenhum tratamento térmico entre os passes, no segundo grupo foi aplicado tratamento de alívio de tensões após os passes, e por fim, no terceiro grupo e foi aplicado um tratamento de recozimento intercrítico após o primeiro passe. Ensaios mecânicos de tração, dureza e charpy foram realizados com objetivo de verificar a influência do processo ECAP no comportamento mecânico do aço. Com intuito de verificar as alterações microestruturais causadas pelo processo ECAP foram utilizadas as técnicas de microscopia óptica e eletrônica de varredura. O trabalho tem como objetivo principal induzir o refinamento dos grãos por meio do processo ECAP em matriz bipartida elaborada neste trabalho. Os resultados das análises microestruturais e dos ensaios mecânicos demonstraram que os tratamentos térmicos utilizados combinados ao processo ECAP influenciaram diretamente no comportamento do aço SAE 1020. Conforme o número de passes pela matriz ECAP ocorreu uma redução do tamanho dos grãos, assim como aumento do limite de resistência a tração e dureza do aço 1020. Com relação ao tratamento térmico de alívio de tensão, uma melhor combinação entre resistência mecânica e ductilidade foi encontrada. O tratamento de recozimento intercrítico foi suficiente para induzir a transformação de fases no aço SAE 1020, o qual proporcionou resultados positivo no que diz respeito a ductilidade e resistência mecânica. Por fim, a consistência das investigações da evolução microestrutural permitiu compreender os efeitos do ECAP no aço SAE 1020. / Ultrafine grained microstructures obtaining in low carbon steels may contribute to enlarge the application of this material in industry, due to superior properties that can be achieved, such as: mechanical strength, hardness, and toughness. The process known as Equal Channel Angular Pressing (ECAP) induces severe plastic deformation sufficient to modify metals microstructures characteristics, reducing its grains size, and consequently improve its mechanical properties without materials chemistry composition changes, under temperatures below to recrystallization point. At this work ECAP process was carried out with specimens at 550° C using steel SAE 1020 as material. The specimens were divided into three groups. The specimens in the first group none heat treatment was applied between and after ECAP passes, in the second group the specimens were submitted under stress relief heat treatment after ECAP passes, and in the third group, specimens were submitted under intercritical annealing after first pass. Mechanical tensile strength, hardness and charpy impact tests were used with aim to verify the ECAP influence in steel mechanical behavior. In order to verify microstructures evolution caused by ECAP were applied optical and scanning electron microscopy. The aim of this work is grain refining by means of ECAP process with two parts tool elaborated in this study. The microstructure analysis and mechanical tests results shown that the heat treatments applied, combined with ECAP process directly influenced on steel SAE 1020 behavior. According to the number of passes grains sizes were reduced, as well the ultima tensile strength and hardness were increased. In reference of stress relief heat treatment, better combination between mechanical strength and ductility was achieved. Intercritical annealing treatment was capable to induce phase transformation in steel SAE 1020, which provided positive results with respect to ductility and mechanical strength. In conclusion, the consistence of microstructure evolution investigation became possible to understand effects of ECAP in steel SAE 1020

Dentre os principais e mais efetivos tratamentos superficiais para a melhora das propriedades da superfície dos aços, encontra-se a nitretação e a nitrocarbonetação. Os benefícios da nitretação nos aços são o aumento da dureza, resistência ao desgaste, resistência à fadiga e resistência à corrosão. Por possuírem elementos como cromo, molibdênio e manganês, os aços ferramenta e aços baixa liga de ultra alta resistência são beneficiados pela nitretação. Neste trabalho, estudou-se o efeito da nitretação nos aços SAE 4140 e SAE H13 através de análises metalográficas, espectroscopia de emissão óptica, difração de raios-x, microdureza e ensaio pino-sobre-disco. Para efeito de comparação, amostras de aço SAE 1045 e ferro puro foram nitretadas juntamente com amostras dos dois materiais anteriores. Foram executados três tratamentos diferentes em cada um dos aços, nitretação com baixo potencial de nitrogênio, nitretação com alto potencial de nitrogênio e nitrocarbonetação. Os dois primeiros tratamentos foram realizados em três tempos diferentes de duas, quatro e seis horas e a nitrocarbonetação foi realizada em seis horas. Os resultados mostraram a formação de uma camada nitretada com de camada branca seguida de uma camada de difusão com gradiente de propriedades. Um aumento significativo de dureza superficial é observado com a aplicação dos tratamentos. A nitrocarbonetação junto com alto potencial de nitretação se mostrou não sendo benéfica para a formação da camada em relação à nitretação com mesmo potencial. Nos testes tribológicos realizados, a camada nitretada se mostrou eficiente em aumentar a resistência ao desgaste nos aços SAE 4140 e SAE H13. / Among the main and most effective surface treatments for improving the surface properties of steels are nitriding and nitrocarburizing. The benefits of nitriding in steels are the increase in hardness, wear resistance, fatigue resistance and corrosion resistance. Because they have elements such as chromium, molybdenum and manganese, tool steels and low alloy steels of ultra high strength are benefited by nitriding. In this work, the effect of nitriding on SAE 4140 and SAE H13 steels was studied through metallographic analysis, optical emission spectroscopy, x-ray diffraction, microhardness and pin-on-disc test. For comparison purposes, samples of SAE 1045 steel and pure iron were nitrided together with samples of the two former materials. Three different treatments were performed in each of the steels, nitriding with low nitrogen potential, nitriding with high nitrogen potential and nitrocarburizing. The first two treatments were performed at three different times of two, four and six hours and nitrocarburizing was performed in six hours. The results showed the formation of a nitrided layer with a white layer followed by a gradient layer of properties. A significant increase in surface hardness is observed with the application of the treatments. Nitrocarburizing together with high nitriding potential proved to be of no benefit to the formation of the layer in relation to nitriding with the same potential. In the tribological tests carried out, the nitrided layer proved efficient in increasing wear resistance in SAE 4140 and SAE H13 steels.

Dentre os principais e mais efetivos tratamentos superficiais para a melhora das propriedades da superfície dos aços, encontra-se a nitretação e a nitrocarbonetação. Os benefícios da nitretação nos aços são o aumento da dureza, resistência ao desgaste, resistência à fadiga e resistência à corrosão. Por possuírem elementos como cromo, molibdênio e manganês, os aços ferramenta e aços baixa liga de ultra alta resistência são beneficiados pela nitretação. Neste trabalho, estudou-se o efeito da nitretação nos aços SAE 4140 e SAE H13 através de análises metalográficas, espectroscopia de emissão óptica, difração de raios-x, microdureza e ensaio pino-sobre-disco. Para efeito de comparação, amostras de aço SAE 1045 e ferro puro foram nitretadas juntamente com amostras dos dois materiais anteriores. Foram executados três tratamentos diferentes em cada um dos aços, nitretação com baixo potencial de nitrogênio, nitretação com alto potencial de nitrogênio e nitrocarbonetação. Os dois primeiros tratamentos foram realizados em três tempos diferentes de duas, quatro e seis horas e a nitrocarbonetação foi realizada em seis horas. Os resultados mostraram a formação de uma camada nitretada com de camada branca seguida de uma camada de difusão com gradiente de propriedades. Um aumento significativo de dureza superficial é observado com a aplicação dos tratamentos. A nitrocarbonetação junto com alto potencial de nitretação se mostrou não sendo benéfica para a formação da camada em relação à nitretação com mesmo potencial. Nos testes tribológicos realizados, a camada nitretada se mostrou eficiente em aumentar a resistência ao desgaste nos aços SAE 4140 e SAE H13. / Among the main and most effective surface treatments for improving the surface properties of steels are nitriding and nitrocarburizing. The benefits of nitriding in steels are the increase in hardness, wear resistance, fatigue resistance and corrosion resistance. Because they have elements such as chromium, molybdenum and manganese, tool steels and low alloy steels of ultra high strength are benefited by nitriding. In this work, the effect of nitriding on SAE 4140 and SAE H13 steels was studied through metallographic analysis, optical emission spectroscopy, x-ray diffraction, microhardness and pin-on-disc test. For comparison purposes, samples of SAE 1045 steel and pure iron were nitrided together with samples of the two former materials. Three different treatments were performed in each of the steels, nitriding with low nitrogen potential, nitriding with high nitrogen potential and nitrocarburizing. The first two treatments were performed at three different times of two, four and six hours and nitrocarburizing was performed in six hours. The results showed the formation of a nitrided layer with a white layer followed by a gradient layer of properties. A significant increase in surface hardness is observed with the application of the treatments. Nitrocarburizing together with high nitriding potential proved to be of no benefit to the formation of the layer in relation to nitriding with the same potential. In the tribological tests carried out, the nitrided layer proved efficient in increasing wear resistance in SAE 4140 and SAE H13 steels.

The diploma thesis deals with the design process of Formula SAE drivetrain. Different design possibilities were described and after that were the suitable designs chosen to be used in the team car. Then were the design parameters determined. The design of the differential gear mounting was created and it’s stress analysis was done.