Esta Dissertação, submetida à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, tem como objetivo a caracterização de fratura por fadiga em componentes mecânicos. Esse estudo foi motivado por dois casos de falha: barras estabilizadoras de truques de trem para transporte de minério, e engrenagens de redutores de grande porte, aplicados em turbogeradores em usinas de cogeração. Foi apresentada uma revisão da literatura sobre nucleação e propagação de trincas de fadiga, sobre fadiga de contato e por flexão de dentes, os dois principais modos de falha de engrenagens, e sobre a dinâmica do truque de trem. As amostras coletadas de barras falhadas foram caracterizadas e suas superfícies de fratura foram examinadas. A trinca de fadiga iniciou-se em uma das dobras do rebaixo, em local com dano por corrosão, que favoreceram sua nucleação. Uma análise por elementos finitos foi realizada para analisar as tensões residuais devido ao processo de dobra da barra e conformação do rebaixo e as tensões devido à operação, num caso crítico de warp tracionando a barra. Os resultados mostraram que localmente a tensão de escoamento do material foi superada, especialmente nas regiões de pequeno raio de curvatura devido ao rebaixo. Para o caso das engrenagens, foi feita uma análise de confiabilidade por distribuição de Weibull com base nos tempos de vida dos componentes falhados e do restante fabricado. Do resultado inferiu-se que as falhas consistiram na \"mortalidade infantil\" dos componentes. Havia apenas uma amostra de engrenagem falhada disponível para análise, a qual foi detalhadamente caracterizada e cuja superfície de fratura foi minuciosamente estudada, a fim de determinar o modo e o mecanismo de falha, o início da trinca e, com isso, a causa da falha. Pôde-se concluir que a engrenagem falhou devido a fadiga por flexão de dente devido a um desalinhamento na montagem. Determinadas as causas das falhas, podem-se sugerir soluções, aumentando assim a confiabilidade dos componentes. As sugestões podem dizer respeito ao próprio projeto, à seleção de materiais, aos processos de fabricação, ao tratamento térmico, à montagem, ou ao sistema de lubrificação. / This Dissertation, submitted to the Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, aims to characterize fatigue fracture in mechanical components. This study was motivated by two cases of failure: frame brace of train bogies for ore transportation, and gears of large transmission systems, applied to turbogenerators in cogeneration power plants. A literature review was presented on nucleation and propagation of fatigue cracks, contact and tooth bending fatigue, which are the two main modes of failure of gears, and train bogie dynamics. Samples collected of failed bars were characterized and their fracture surfaces were examined. The fatigue crack initiated at one of the bends of the \"fillister\", where corrosion damage took place - both of which favoured the nucleation. A finite element analysis was performed to analyze the residual stresses due to the bending process of the bar and the forming of the \"fillister\" and the stresses due to operation, in a critical case of warp tensioning the bar. The results showed that locally the yield stress of the material was exceeded, especially in the regions of small radius of curvature due to the \"fillister\". For the case of the gears, a reliability analysis was performed by Weibull distribution based on the lifetimes of the failed components and the remainder manufactured. From the result it was inferred that the failures consisted of the \"infant mortality\" of the components. Only one failed gear sample was available for the analysis, which was thoroughly characterised and whose fracture surface was minutely studied, in order to determine the mode and mechanism of failure, crack initiation and, hence, cause of failure. It was concluded that the gear failed due to tooth bending fatigue due to misalignment in the assembly. Having determined the causes of failures, solutions can be suggested, thus increasing the reliability of the components. Suggestions may concern the design itself, materials selection, manufacturing processes, heat treatment, assembly, or lubrication system.

Esta Dissertação, submetida à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, tem como objetivo a caracterização de fratura por fadiga em componentes mecânicos. Esse estudo foi motivado por dois casos de falha: barras estabilizadoras de truques de trem para transporte de minério, e engrenagens de redutores de grande porte, aplicados em turbogeradores em usinas de cogeração. Foi apresentada uma revisão da literatura sobre nucleação e propagação de trincas de fadiga, sobre fadiga de contato e por flexão de dentes, os dois principais modos de falha de engrenagens, e sobre a dinâmica do truque de trem. As amostras coletadas de barras falhadas foram caracterizadas e suas superfícies de fratura foram examinadas. A trinca de fadiga iniciou-se em uma das dobras do rebaixo, em local com dano por corrosão, que favoreceram sua nucleação. Uma análise por elementos finitos foi realizada para analisar as tensões residuais devido ao processo de dobra da barra e conformação do rebaixo e as tensões devido à operação, num caso crítico de warp tracionando a barra. Os resultados mostraram que localmente a tensão de escoamento do material foi superada, especialmente nas regiões de pequeno raio de curvatura devido ao rebaixo. Para o caso das engrenagens, foi feita uma análise de confiabilidade por distribuição de Weibull com base nos tempos de vida dos componentes falhados e do restante fabricado. Do resultado inferiu-se que as falhas consistiram na \"mortalidade infantil\" dos componentes. Havia apenas uma amostra de engrenagem falhada disponível para análise, a qual foi detalhadamente caracterizada e cuja superfície de fratura foi minuciosamente estudada, a fim de determinar o modo e o mecanismo de falha, o início da trinca e, com isso, a causa da falha. Pôde-se concluir que a engrenagem falhou devido a fadiga por flexão de dente devido a um desalinhamento na montagem. Determinadas as causas das falhas, podem-se sugerir soluções, aumentando assim a confiabilidade dos componentes. As sugestões podem dizer respeito ao próprio projeto, à seleção de materiais, aos processos de fabricação, ao tratamento térmico, à montagem, ou ao sistema de lubrificação. / This Dissertation, submitted to the Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, aims to characterize fatigue fracture in mechanical components. This study was motivated by two cases of failure: frame brace of train bogies for ore transportation, and gears of large transmission systems, applied to turbogenerators in cogeneration power plants. A literature review was presented on nucleation and propagation of fatigue cracks, contact and tooth bending fatigue, which are the two main modes of failure of gears, and train bogie dynamics. Samples collected of failed bars were characterized and their fracture surfaces were examined. The fatigue crack initiated at one of the bends of the \"fillister\", where corrosion damage took place - both of which favoured the nucleation. A finite element analysis was performed to analyze the residual stresses due to the bending process of the bar and the forming of the \"fillister\" and the stresses due to operation, in a critical case of warp tensioning the bar. The results showed that locally the yield stress of the material was exceeded, especially in the regions of small radius of curvature due to the \"fillister\". For the case of the gears, a reliability analysis was performed by Weibull distribution based on the lifetimes of the failed components and the remainder manufactured. From the result it was inferred that the failures consisted of the \"infant mortality\" of the components. Only one failed gear sample was available for the analysis, which was thoroughly characterised and whose fracture surface was minutely studied, in order to determine the mode and mechanism of failure, crack initiation and, hence, cause of failure. It was concluded that the gear failed due to tooth bending fatigue due to misalignment in the assembly. Having determined the causes of failures, solutions can be suggested, thus increasing the reliability of the components. Suggestions may concern the design itself, materials selection, manufacturing processes, heat treatment, assembly, or lubrication system.

Anti-roll bars aim to increase the vehicle\'s safety during curved trajectories. By reducing the roll angle, the bars minimize the risk of overturning during cornering in function of the increasing lateral acceleration, and also, as a consequence, improves the steering comfort. This work presents studies of vehicle\'s lateral dynamics in three dierent approaches: a vehicle without anti-roll system, a vehicle with passive roll bar and a vehicle with an active anti-roll bar. The active anti-roll bar is controlled by a torque-generating motor and comparisons between two robust controllers is presented. The bars are modeled by FEM (Finite Element Method) and controllers LQG/LTR (Linear Quadratic Gaussian/ Loop Transfer Recovery) and H? Loop-Shaping are designed to the active system in order to evaluated the best option. In addition, the vehicle\'s lateral dynamic is hybridized to the exible bar model in order to obtain an unique system. It reviews the vehicle\'s roll dynamic and describes in detail the FEM applied to dynamic modeling of exible structures. The influence of the active anti-roll system and the different controllers are illustrated through numerical simulation and a comparison between the passive system and the system without bar is performed. / As barras estabilizadoras têm como objetivo aumentar a segurança dos veículos durante trajetórias curvelíneas. Através da redução do ângulo de rolagem, as barras minimizam o risco de capotamento durante as curvas em função da aceleração lateral, e também, como consequência, melhoram o conforto de dirigibilidade. Este trabalho apresenta estudos da dinâmica lateral do veículo em três abordagens diferentes: um veículo sem sistema de anti-rolagem, um veículo com barra estabilizadora passiva e um veículo com barra estabilizadora ativa. A barra de anti-rolagem ativa é controlada por um motor gerador de torque e uma comparação entre dois controladores robustos é apresentada. As barras são modeladas pelo FEM (Método dos Elementos Finitos) e os controladores LQG/LTR (Gaussiano Quadrático Linear/Malha de Recuperação) e H? Loop-Shaping são projetados para o sistema ativo com o objetivo de avaliar a opção mais promissora. Além disso, à dinâmica lateral do veículo é adicionado o modelo flexível da barra de antirolagem para se obter um sistema único (modelo híbrido). O trabalho revisa a dinâmica lateral do veículo e descreve de forma detalhada o FEM aplicado à modelagem dinâmica de estruturas flexíveis. A influência do sistema ativo de anti-rolagem e dos diferentes controladores é ilustrada através de simulação comparando-a com o sistema passivo e o modelo dinâmico sem sistema de anti-rolagem.

Made available in DSpace on 2016-04-28T20:18:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2008 - Carlos Otavio Jordao Moreira da Rocha.pdf: 1867760 bytes, checksum: 3392639adc640e871d82c97af23d8da8 (MD5) Previous issue date: 2008-08-29 / With the objective of testing the resistance and the biomechanical behavior of external fixators of low cost used in veterinary medicine, were created 6 prototypes la type manufactured from alternative materials, using as orthopedic implants, stainless steel screws 304 porous, and as stabilized bar the methacrylate resin or wood poles (Pinnus ellioti). The models of the fixators tested differ because they have 2, 3 or 4 implants per fractured segment. With the purpose of doing biomechanical evaluations that are closer to the real clinical situation, were selected 2 tubes of polyvinylchloride, commercially known as PVC, with 10 cm length, internal diameter of 1,27 cm and external diameter of 1,95, far 5 cm from each other, representing, this way, the bone bands and the focus of an unstable fracture. This kind of tube is like a long bone because it has an internal space that represents the medullar area and external walls that represent the two osseous cortical. To each external fixator model, were created 5 prototypes, which were submitted to mechanic tests to evaluate the axial compression strength. The device to evaluate the prototypes was the Instron model 4204, with a charge cell of 5 KN (Kilogram-Newton) and the speed of the axial compression was 2 cm/minute, according the rules ASTM D695-92. The values of rigidity, drainage point and maximum security charge were calculated, according to the methodology used by Willer et al., (1991) and by Falc?o (2004). The mechanical evaluation was done in the Instituto de Macromol?culas Elo?sa Mano in the Universidade Federal do Rio de Janeiro. We concluded that the models with the stabilized bar made of resin required a larger load than the models made of wood to suffer a plastic deformation. The model with 3 screws per segment of PVC tube and a resin stabilized bar showed to tolerate a higher weight than the others, before showing a plastic deformation, this way it s indicated to dogs that weight up to 26,5Kg with fractures in the thoracic limbs and for dogs that weight up to 44Kg that have fractures in the pelvic limbs. / Com objetivo de testar a resist?ncia e o comportamento biomec?nico de fixadores externos de baixo custo utilizados em medicina veterin?ria, foram criados 6 modelos de prot?tipos do tipo Ia confeccionados a partir de materiais alternativos, utilizando-se como implantes ortop?dicos parafusos de a?o inoxid?vel 304 porosos e totalmente rosqueados, e como barra estabilizadora a resina de metacrilato ou hastes de madeira (Pinnus ellioti). Os modelos dos fixadores testados ainda se diferenciam por apresentarem 2, 3 ou 4 implantes por segmento fraturado. Com a finalidade de realizar avalia??es biomec?nicas o mais pr?ximo poss?vel da situa??o cl?nica, optou-se pela escolha de 2 tubos de policloreto de vinila, comercialmente conhecido como PVC, apresentando 10 cm de comprimento, 1,27 cm de di?metro interno e 1,95 cm de di?metro externo, afastados 5 cm entre si, representando assim os fragmentos ?sseos e o foco de uma fratura inst?vel. Este tipo de tubo se assemelha a um osso longo por apresentar um espa?o interno que representa a ?rea medular enquanto que as paredes externas representam as duas corticais ?sseas. Para cada modelo de fixador externo foram criados 5 prot?tipos, submetidos a testes mec?nicos para avalia??o da for?a de compress?o axial. O aparelho para avalia??o dos prot?tipos foi o Instron modelo 4204, com c?lula de carga de 5 KN (Quilograma-Newton) e a velocidade da compress?o axial foi de 2 cm/minuto, seguindo as normas ASTM D695-91. Calculamos as cargas de rigidez, ponto de escoamento e carga de seguran?a m?xima. A avalia??o mec?nica foi realizada no Instituto de Macromol?culas Elo?sa Mano na Universidade Federal do Rio de Janeiro. Conclu?mos que os modelos com barra estabilizadora em resina necessitou de uma carga maior do que os modelos de madeira para sofrer deforma??o pl?stica. O modelo com 3 parafusos por segmento de tubo de PVC e barra estabilizadora de resina mostrou suportar maior peso que os demais, antes de apresentar uma deforma??o pl?stica, sendo indicado para c?es com peso corporal de at? 26,5 Kg portadores de fraturas nos membros tor?cicos e para c?es com peso de at? 44 Kg que apresentem fraturas nos membros p?lvicos.