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

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

Contém anexos / Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Vias de Comunicação, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor Jaime Queirós Ribeiro e da Doutora Engenheira Maria da Conceição Azevedo

O objetivo deste trabalho é estudar os efeitos não lineares que resultam na dinâmica de um dímero rígido e amortecido, provido de rotação deslizando sobre um substrato periódico unidimensional. Simulações numéricas são realizadas para dinâmicas com amortecimento nos graus de liberdade translacional e rotacional, para lançamentos do dímero com velocidades translacionais finitas (estado transiente); com o dímero sujeito a uma força externa aplicada na coordenada do centro de massa e com temperaturas finitas (estado estacionário). As equações de movimento descritas em coordenadas de centro de massa e rotacional são caracterizadas por um acoplamento roto-translacional, este que é ativado em regimes distintos durante o deslizamento do dímero, resultando em transferências de energia entre suas coordenadas. A motivação deste estudo é tentar compreender os efeitos rotacionais emergentes na dinâmica do menor objeto possível que seja capaz de rotar, de forma a possibilitar simples contribuições para o entendimento da origem do atrito em escalas nanométricas. No estado de transiente foi possível obter soluções analíticas para os diferentes regimes da velocidade do centro de massa do dímero, bem como uma compreensão extensiva de sua dinâmica, realizada através de um estudo sobre o comportamento geral de sua inclinação angular e com comparações instrutivas com trabalhos anteriores realizados com um dímero vibrante. No estado estacionário foi possível determinar o comportamento no limiar de deslizamento (atrito estático) através do seu estudo como função da inclinação angular inicial. Três diferentes dinâmicas surgem neste estado, uma relacionada com um adátomo, outra com caráter pendular, e a última em que o dímero é capaz de deslizar realizando rotações completas. Nas três dinâmicas surgem efeitos não lineares, sendo que nas duas últimas acontece devido ao acoplamento rototranslacional, em que a natureza das dinâmicas são qualitativamente compreendidas através de uma análise do potencial efetivo como função da inclinação angular. Argumentos e considerações concisas são desenvolvidas com o âmbito de se formular simples expressões aproximadas que predizem com eficácia alguns dos limites que foram previstos. Também foi estudado o efeito da inclusão de temperaturas finitas no sistema, resultando numa atenuação no efeito não linear. / The aim of this work is to study the effects of rotation of the non linear friction of a damped dimer sliding on a 1D periodic substrate. Numerical simulations are performed with: a damping in the translational and rotational coordinate, throwing the dimer with a finite initial translational velocity (transient state); with the dimer subjected to an external force applied in the center of mass coordinate and with finite temperatures (steady state). The equations of motion in terms of center of mass and rotational coordinate show a rototranslational coupling, whose is activated for distinct regimes while the dimer is sliding, resulting in an energy transfer between the coordinates. The motivation of this work is to understand the rotational effects that emerges from the dynamics of the smallest object that can rotate, in order to achieve simple contributions to the understanding of the friction origin in nanometric scale. The first system was the transient state, and we were able to obtain analytical solutions of the center of mass velocity while the dimer is sliding in the three distinct regimes that arise. As well as an extensive comprehension of this dynamics, performed by studying the whole behavior of the angular inclination and instructive comparisons with the vibrating dimer. In the steady state system, an analysis of the behavior of the dimer at the threshold sliding (static friction) as function of the angular inclination allowed a complete understanding of the threshold effects. Three distinct dynamics arise from this state, one related to the adatom, another with a pendulous nature, and the last with the dimer performing complete rotations while is sliding. Non linear effects arise from the thee dynamics, for the two former cases the effects arise from roto-translational coupling, which are qualitatively understood by analysing the effective potential as function of the angular inclinations. Reasonable and proper arguments are developed aiming to construct simple and approximated expressions that predict with good efficiency some of the limit parameters values, that describes the transitions between different dynamics. Also, numerical simulations performed with finite temperature shows an attenuation in the non linear effects.

o trabalho de Krim e Windom [Phys. Rev B 38, 12184(1988)], que revelou a natureza viscosa do atrito em escala atômica, gerou uma intensa atividade tanto teórica quanto experimental. Contudo, questões fundamentais ainda se matém em aberto com opor exemplo a relação entre o coeficiente de atrito viscoso e a topologia do substrato assim como a dependência com a temperatura do substrato. Neste trabalho apresentamos os resultados, obtidos usando dinâmica molecular, para um modelo unidimensional de um sistema adsorvato/substrato. Pesquisamos diferentes relações de comensuração entre o adsorvato e o substrato assim como também a dependência do coeficiente de atrito fonônico, Nph, com a temperatura. Para todas as configurações estudadas obtivemos que o coeficiente de atrito fonônico depende quadráticamente da amplitude de corrugação do substrato, mas tem uma dependência não trivial com a razão de comensuração adsorvato/substrato. O resultado mais impressionante é que para relações de comensuração entre 0.65 e 0.9 o atrito fonônico é muito fraco. Nosso resultados podem explicar as diferencias encontradas na literatura em relação à magnitude do atrito de origem eletrônico e o de origem fonônico.

O objetivo deste trabalho é estudar os efeitos não lineares que resultam na dinâmica de um dímero rígido e amortecido, provido de rotação deslizando sobre um substrato periódico unidimensional. Simulações numéricas são realizadas para dinâmicas com amortecimento nos graus de liberdade translacional e rotacional, para lançamentos do dímero com velocidades translacionais finitas (estado transiente); com o dímero sujeito a uma força externa aplicada na coordenada do centro de massa e com temperaturas finitas (estado estacionário). As equações de movimento descritas em coordenadas de centro de massa e rotacional são caracterizadas por um acoplamento roto-translacional, este que é ativado em regimes distintos durante o deslizamento do dímero, resultando em transferências de energia entre suas coordenadas. A motivação deste estudo é tentar compreender os efeitos rotacionais emergentes na dinâmica do menor objeto possível que seja capaz de rotar, de forma a possibilitar simples contribuições para o entendimento da origem do atrito em escalas nanométricas. No estado de transiente foi possível obter soluções analíticas para os diferentes regimes da velocidade do centro de massa do dímero, bem como uma compreensão extensiva de sua dinâmica, realizada através de um estudo sobre o comportamento geral de sua inclinação angular e com comparações instrutivas com trabalhos anteriores realizados com um dímero vibrante. No estado estacionário foi possível determinar o comportamento no limiar de deslizamento (atrito estático) através do seu estudo como função da inclinação angular inicial. Três diferentes dinâmicas surgem neste estado, uma relacionada com um adátomo, outra com caráter pendular, e a última em que o dímero é capaz de deslizar realizando rotações completas. Nas três dinâmicas surgem efeitos não lineares, sendo que nas duas últimas acontece devido ao acoplamento rototranslacional, em que a natureza das dinâmicas são qualitativamente compreendidas através de uma análise do potencial efetivo como função da inclinação angular. Argumentos e considerações concisas são desenvolvidas com o âmbito de se formular simples expressões aproximadas que predizem com eficácia alguns dos limites que foram previstos. Também foi estudado o efeito da inclusão de temperaturas finitas no sistema, resultando numa atenuação no efeito não linear. / The aim of this work is to study the effects of rotation of the non linear friction of a damped dimer sliding on a 1D periodic substrate. Numerical simulations are performed with: a damping in the translational and rotational coordinate, throwing the dimer with a finite initial translational velocity (transient state); with the dimer subjected to an external force applied in the center of mass coordinate and with finite temperatures (steady state). The equations of motion in terms of center of mass and rotational coordinate show a rototranslational coupling, whose is activated for distinct regimes while the dimer is sliding, resulting in an energy transfer between the coordinates. The motivation of this work is to understand the rotational effects that emerges from the dynamics of the smallest object that can rotate, in order to achieve simple contributions to the understanding of the friction origin in nanometric scale. The first system was the transient state, and we were able to obtain analytical solutions of the center of mass velocity while the dimer is sliding in the three distinct regimes that arise. As well as an extensive comprehension of this dynamics, performed by studying the whole behavior of the angular inclination and instructive comparisons with the vibrating dimer. In the steady state system, an analysis of the behavior of the dimer at the threshold sliding (static friction) as function of the angular inclination allowed a complete understanding of the threshold effects. Three distinct dynamics arise from this state, one related to the adatom, another with a pendulous nature, and the last with the dimer performing complete rotations while is sliding. Non linear effects arise from the thee dynamics, for the two former cases the effects arise from roto-translational coupling, which are qualitatively understood by analysing the effective potential as function of the angular inclinations. Reasonable and proper arguments are developed aiming to construct simple and approximated expressions that predict with good efficiency some of the limit parameters values, that describes the transitions between different dynamics. Also, numerical simulations performed with finite temperature shows an attenuation in the non linear effects.

A demanda crescente por veículos mais confortáveis e mais seguros apresenta desafios à indústria. Os freios são um dos mais importantes sistemas de segurança dos veículos e também são frequentemente objeto de reclamações de consumidores por motivo de ruído. Os materiais de atrito empregados nos sistemas de freio devem apresentar desempenho satisfatório sob diferentes condições de temperatura e umidade, possuindo resistência à corrosão, longa vida útil, baixo custo e produzindo baixos níveis de ruído. Com o objetivo de caracterizar diferentes materiais quanto ao coeficiente de atrito e à produção de ruído, foram realizados ensaios de frenagem em diferentes condições utilizando um tribômetro. Esse equipamento possui sistemas de medição e controle capazes de registrar os coeficientes de atrito a cada frenagem simulada. O tribômetro também foi instrumentado com uma célula de carga capaz de medir variações da força de atrito. Os ensaios foram realizados em diferentes condições de temperatura e de intervalos de tempo entre as frenagens, alternando etapas quentes e frias. Durante o assentamento dos materiais, foram verificados diferentes comportamentos do coeficiente de atrito. Os materiais ensaiados apresentaram sensibilidade às variações de temperatura e de intervalos de tempo entre frenagens. Foi observada correlação entre as variações da força de atrito e o coeficiente de atrito. Também foram evidenciados os efeitos da velocidade de deslizamento sobre o espectro de frequências de variação da força de atrito. / The growing demand for more comfortable and safer vehicles comes up with new challenges to the industry. The brakes are one of the most important vehicle safety systems and are also often the subject of customer complaints about noise. The brake friction materials need to perform properly under different conditions of temperature and humidity, presenting resistance to corrosion, long life, low cost and producing low noise levels. In order to characterize the friction coefficient and noise generation of different friction materials, different conditions were tested using a tribometer. This equipment has measurement and control systems capable of record each brake stop friction coefficient. The tribometer was also instrumented with a load cell capable of measuring friction force variations. The tests were performed at different temperatures and time intervals between brake applications, alternating hot and cold stages. During the materials running-in, different behaviors of the friction coefficients were found. The friction materials tested showed sensitivity to temperature variations and time intervals between brake applications. There was a correlation between friction force variations and coefficient of friction. There were also effects of the slip speed on the frequency spectrum of the frictional force variations.

A presente tese descreve as etapas de desenvolvimento de um equipamento (tribômetro) e metodologia de ensaio para caracterização do efeito isolado da temperatura sobre o atrito medido em materiais de fricção utilizados em freios veiculares. O projeto deste equipamento foi baseado nas funcionalidades e limitações encontradas nas principais máquinas e procedimentos de ensaio para freios automotivos. São apresentados e discutidos detalhes do projeto mecânico e de automação do tribômetro, bem como são levantadas suas incertezas de medição instrumentais e precisão. Além disso, é proposta uma nova metodologia de ensaio para caracterização do efeito isolado da temperatura sobre os resultados de atrito obtidos durante os testes. O projeto mecânico atual do tribômetro contempla recursos que contribuem para facilitar a operacionalidade do equipamento e, consequentemente, reduzir o tempo envolvido na etapa de preparação dos testes. São exemplos destes recursos um mecanismo de fuso e manivela, o qual é empregado para a regulagem do raio de deslizamento, e um dispositivo para troca rápida da amostra a partir do ajuste de um único parafuso. O atual projeto de automação do tribômetro é composto por circuitos de controle da carga, rotação, torque e temperatura, os quais operam em malha fechada. A incerteza instrumental do sistema de medição de atrito do tribômetro é igual a ±2,9% do valor nominal medido, considerando a faixa típica de aplicação da máquina. Em termos de precisão, verificou-se experimentalmente que o equipamento projetado apresenta uma repetitividade de ±0,013. O projeto de automação também contemplou a ligação do tribômetro a um aquecedor indutivo. O uso da referida tecnologia em conjunto com a metodologia de ensaio proposta na presente tese mostraram-se capazes de caracterizar de forma acelerada e independente o efeito da temperatura sobre o coeficiente de atrito obtido a partir de ensaios de frenagem executados no tribômetro. Complementa o estudo ainda o desenvolvimento de uma técnica para pós-processamento dos dados relativos aos ensaios executados no tribômetro segundo a metodologia proposta. A referida técnica mostrou-se uma maneira eficiente e relativamente simples de avaliar os efeitos simultâneos da carga e da temperatura sobre o atrito. / The current thesis describes the development of equipment (tribometer) and testing procedure for characterizing the isolated effect of temperature on friction measurements obtained from vehicular friction materials. The design of this equipment was based on the features and limitations found in the main machinery and testing procedures for brakes. Details about the mechanical design and automation of the tribometer are presented as well as its instrumental measurement uncertainties and precision. Besides, a new testing procedure is proposed in order to characterize the isolated effect of temperature on friction results obtained in the tests. The current mechanical design of the tribometer comprises some features that contribute to make the equipment operation ease and thus reduce its setup time. A crank and screw mechanism, which is used for adjusting the sliding radius, and a device for rapid exchange of the samples by means of a single screw are both examples of those features. The current automation design of the tribometer consists of circuits for controlling load, speed, torque and temperature, which operate in closed loop mode. The instrumental measurement uncertainty from the friction measuring system is ±2,9% of the nominal friction measurement, considering the typical operating range of the machine. Experimental tests performed on the tribometer showed that the repeatability (precision) of the friction measurements is ±0,013. The automation design also included the connection between the tribometer and an induction heater. The use of this technology together with the proposed testing procedure proved to be a suitable tool for characterizing the isolated effect of temperature on friction during braking tests performed on the tribometer. This work is also complemented by the development of a technique for post-processing the data related to the tests carried out in accordance with the proposed testing procedure for the tribometer. This technique proved to be an efficient and clear way to assess the simultaneous effects of load and temperature on friction measurements.

Submitted by LIVIA FREITAS (livia.freitas@ufba.br) on 2015-12-03T12:47:44Z No. of bitstreams: 1 Thesis.pdf: 4410121 bytes, checksum: c138779a2ecf75483d580ede40f2ea01 (MD5) / Approved for entry into archive by LIVIA FREITAS (livia.freitas@ufba.br) on 2016-01-15T18:24:59Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Thesis.pdf: 4410121 bytes, checksum: c138779a2ecf75483d580ede40f2ea01 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-15T18:24:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Thesis.pdf: 4410121 bytes, checksum: c138779a2ecf75483d580ede40f2ea01 (MD5) / Este trabalho propõe um estudo de modelos estáticos de atrito e as suas ausências nos modelos de robôs moveis com rodas omnidirecionais em diferentes condições de opera c~ao. Ser a proposto um modelo para robôs m oveis com rodas omnidirecionais que inclui a descri c~ao de atritos estaticos na composição das forças do centro de massa do robô. Alem da modelagem, s~ao propostos métodos práticos de estimação para obter os coecientes de atrito de Coulomb, Viscoso, Stiction e o efeito de Stribeck utilizando informações sensoriais de força e velocidade do centro de massa do robô. Na pesquisa, foram utilizados robôs m oveis de diferentes tamanho de rodas assim como ambientes de navegação distintos. Dois modelos estáticos de atrito serão testados no modelo dinâmico do robô. O primeiro modelo considera as forcas de atrito de Coulomb e de atrito Viscoso. O segundo modelo considera as forcas de atrito de Coulomb, o Viscoso, o Stiction e o efeito Stribeck. Resultados experimentais com o robô e de simulação com o modelo proposto são comparados para demonstrar o desempenho da abordagem apresentada.

Made available in DSpace on 2016-08-29T15:32:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_4834_Karin.pdf: 3526250 bytes, checksum: 7403b87c19d517076b824a47fe3ea249 (MD5) Previous issue date: 2010-12-21 / Ferro Fundidos Brancos Alto Cromo são ligas geralmente utilizadas em aplicações que requerem excelente resistência à abrasão, como, por exemplo, nas industrias de processamento mineral. Sua excelente resistência ao desgaste abrasivo se dá devido, principalmente, a sua microestrutura decorrente da solidificação, constituída tipicamente de carbonatos duros, primários e/ou eutéticos, em matriz austeníticas ou um produto da transformação deste microconstituinte. O objetivo deste trabalho consiste em investigar a influência da microestrutura destas ligas quanto ao desgaste e ao atrito no deslizamento em alta temperatura. Neste estudo, quinze ligas experimentais de ferro fundido branco alto cromo, contendo composições distintas de cromo (variando de 16% a 32% em massa) e molibdênio (entre 0% e 9% em massa) e uma razão Cr/C igual a 10, são avaliadas. A microestrutura da matriz, bem como os carbonetos formados, dependem dos teores de Cr e Mo. Os experimentos são realizados em um tribômetro pino-disco à temperatura de 700 oC. A microestrutura da matriz, aliada à fração volumétrica das fases e ao tamanho dos carbonetos, exerce papel fundamental no comportamento do atrito. Os coeficientes de atrito obtidos são inferiores aos resultantes dos ensaios à temperatura ambiente. Da mesma forma, os desgastes medidos a 700 oC são menos significativos que os observados à temperatura ambiente. Palavras Ferro fundido branco alto cromo, atrito, desgaste por deslizamento, alta temperatura Nº de páginas 49