Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-20T05:06:26Z (GMT). No. of bitstreams: 0

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.

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.

Esta dissertação mostra a análise da interação de intersticiais pesados como oxigênio e nitrogênio em amostras policristalinas de nióbio e monocristalinas de nióbio e tânalo. Os dados experimentais foram obtidos através de medidas de atrito interno e freqüência de oscilação do pêndulo em função da temperatura, utilizando-se um pêndulo de torção invertido tipo Kê. Os resultados mostram estruturas de relaxação atribuídas à reorientação induzida por tensão de átomos intersticiais em torno de átomos da matriz metálica. Estas estruturas forma analisadas através de dois métodos: subtrações sucessivas e tempo de relaxação. A partir das medidas de atrito interno foram identificados os processos de relaxações Nb-O, Nb-N e Ta-O. Esses mesmos processos de relaxação foram confirmados por meio das medidas de freqüência de oscilação do pendulo usando um método proposto nesta dissertação, o qual relaciona o quadrado dessa freqüência medida e o inverso da temperatura. / This dissertation shows the analysis of heavy interstitials interaction, such as oxygen and nitrogen, in a policrystalline niobium sample and single crystal samples of niobium and tantalum. The experimental data were obtained by internal friction and oscillation frequency measurements as a function of temperature, using a Kê-type inverted torsion pendulum. The results show relaxation structures attributed to stress induced ordering of interstitial atoms around the mettalic matrix atoms. These structures were analysed by two methods: sucessive subtraction and relaxation time. From internal friction measurements, Nb-O, Nb-N and Ta-O relaxation processes were identified. These same relaxation processes were confirmed by oscillation frequency measurements, using a method proposed here, which relates squared frequency with inverse of temperature.

O comportamento reológico de suspensões concentradas heterogêneas como concretos e argamassas possui influência direta na energia requerida e na produtividade durante o processamento e aplicação destes materiais, além de ser um fator determinante na obtenção de um produto final qualidade. De um modo geral pode-se dizer que a fluidez destas suspensões está diretamente relacionada à facilidade de movimentação das partículas, logo pode-se inferir que a redução dos fenômenos atrito é um fator determinante para o bom desempenho destas suspensões durante o fluxo. Deste modo, este trabalho buscou por meio de modelos ideais de esferas e silicone líquido avaliar a influência do coeficiente de atrito dos agregados e da viscosidade da matriz no comportamento reológico de suspensões concentradas. O coeficiente de atrito de agregados esféricos com diferentes granulometrias foi determinado experimentalmente através do ensaio de cisalhamento direto, também conhecido como shear box, e o comportamento reológico de suspensões compostas por estes agregados e silicones líquidos de diferentes viscosidades foram avaliadas por meio do ensaio de squeeze flow. Os resultados revelam que a distribuição granulométrica possui um influência no coeficiente de atrito dos agregados e que esta propriedades está relacionada a área e ao tipo de contato entre as partículas. Entretanto, para o tipo de fluxo e para as velocidades as suspensões, não houve uma relação direta entre o coeficiente dos agregados e a viscosidade da suspensão. Além disto, apesar de alterar o comportamento reológico das suspensões a viscosidade da matriz não apresentou uma relação direta com viscosidade da suspensão, o que em partes ser explicados pela provável ocorrência de um fluxo não homogêneo das suspensões nas condições aqui estudadas. / The rheological behavior of concentrated suspensions like concrete and mortars plays an important hole during their processing and application, and also has a great influence on the final product quality. The flowability of these suspensions is directly related to the ease of particle motion in the system, therefore reduction of friction phenomena contributes for a good flow behavior. The aim of this work was to determine the influences of aggregates friction coefficient and the liquid viscosity of the fluid matrix on the rheological behavior of concentrated suspensions. The friction coefficient of glass spheres with different particle size distributions were determined by shear box tests, while the rheological behavior of concentrated suspensions composed by these glass spheres and silicone oils was evaluated by squeeze flow tests. Results revealed that the particle size distribution influences the coefficient of friction, and this property is determined by the type and the area of contact between the particles. However, for the kind of flow and the speed used in the experiments, there was no relation between friction coefficient and the suspension viscosity. Additionally, matrix viscosity has an impact on the rheological behavior of the system, but no clear relation was identified, which may be caused by the occurrence of heterogeneous flow under the applied experimental conditions.

Neste trabalho foram conduzidos experimentos de laboratório no intuito de avaliar o efeito da textura superficial no desempenho de óleos lubrificantes aditivados e não aditivados. Os materiais envolvidos nos ensaios são referentes a materiais de anel e camisa de motores de combustão interna e as condições de superfície envolveram processamentos de lixamento e retífica, bem como texturização de microcavidades a laser. Os ensaios foram do tipo alternado, com regime limítrofe de lubrificação. Inicialmente foram feitas análises sobre a metodologia utilizada para o cálculo do coeficiente de atrito em ensaios alternados, mostrando que os valores fornecidos diretamente pelo equipamento (aqui chamados de coeficiente de atrito pico a pico) não foram efetivos para este estudo, pois apresentam alta dispersão entre as réplicas dos ensaios e não é representativo em termos de eficiência do tribossistema. Foram geradas microcavidades nas superfícies de alguns blocos de ferro-fundido mediante texturização a laser. Esta texturização gerou rebarbas que foram retiradas por um processo de lixamento. Com isso, uma parte dos resultados avaliou o efeito do lixamento nos parâmetros de rugosidade, no entanto que o processo acaba por aumentar os valores de raio de aspereza e reduzir a altura média dos picos. Por fim, ensaios com óleo sem aditivo tiveram formação de óxido em todas as condições de superfície, com pouca variação do coeficiente de atrito. Já nos ensaios com óleo aditivado, os resultados mostraram pouca influência das microcavidades e maior contribuição das características de picos (raio e altura) na formação de tribofilmes redutores de atrito (neste caso MoS2). / This work was conducted by experimental tests in order to evaluate the effect of surface texture on fully formulated oil and base-oil performance. In these tests, the materials were related to the piston ring and cylinder, in which surfaces were sanded, grounded and textured by laser. In addition, the tests were carried out by reciprocating movement and boundary conditions. A coefficient of friction study in reciprocating tests was performed, showing that peak-to-peak methodology does not represent properly the tribosystem efficiency. Burr was generated around the dimples (made by laser surface texturing), in which were removed by sanded process. The results showed that sanded process increased the peak radius and decreased the peak height. The results considering the base oil showed oxide formation on the surface in all the cases, occurring low variation of friction coefficient in the system. On the other hand, in the fully formulated oil results, the dimples had no influence on MoS2 formation; however, it was possible to see a strong relation with the radius and average height of the asperities.

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.

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.