Este trabalho descreve o desenvolvimento e caracterização de uma máquina elétrica para aplicação em sistemas de tração automotiva. Compreende o estudo e a análise do perfil de carga e das grandezas eletromagnéticas e eletromecânicas através da construção de modelos analíticos, numéricos e experimentais. Através destes, são propostos critérios para o dimensionamento geométrico e para a escolha dos materiais. A topologia da máquina elétrica possui fluxo axial no entreferro, duplo rotor com ímãs permanentes setoriais, núcleo estator toroidal sem ranhuras e enrolamentos setoriais. Os modelos analíticos tridimensionais para a geometria e o volume dos enrolamentos são uma contribuição relevante em termos científicos. Experimentalmente, a máquina é acionada como gerador síncrono, com um rendimento interno de até 91,75%. Como gerador em regime de frenagem regenerativa obteve-se um rendimento interno de 78,61% no barramento CC. Ao final, utilizando o modelo automotivo de perdas, é feita uma análise em regime permanente do sistema acoplado, visando à caracterização da eficiência energética global do sistema. Os resultados obtidos permitem uma avaliação adequada da máquina no modo de operação proposto. / Este trabalho descreve o desenvolvimento e caracterização de uma máquina elétrica para aplicação em sistemas de tração automotiva. Compreende o estudo e a análise do perfil de carga e das grandezas eletromagnéticas e eletromecânicas através da construção de modelos analíticos, numéricos e experimentais. Através destes, são propostos critérios para o dimensionamento geométrico e para a escolha dos materiais. A topologia da máquina elétrica possui fluxo axial no entreferro, duplo rotor com ímãs permanentes setoriais, núcleo estator toroidal sem ranhuras e enrolamentos setoriais. Os modelos analíticos tridimensionais para a geometria e o volume dos enrolamentos são uma contribuição relevante em termos científicos. Experimentalmente, a máquina é acionada como gerador síncrono, com um rendimento interno de até 91,75%. Como gerador em regime de frenagem regenerativa obteve-se um rendimento interno de 78,61% no barramento CC. Ao final, utilizando o modelo automotivo de perdas, é feita uma análise em regime permanente do sistema acoplado, visando à caracterização da eficiência energética global do sistema. Os resultados obtidos permitem uma avaliação adequada da máquina no modo de operação proposto.

Este trabalho descreve o desenvolvimento e caracterização de uma máquina elétrica para aplicação em sistemas de tração automotiva. Compreende o estudo e a análise do perfil de carga e das grandezas eletromagnéticas e eletromecânicas através da construção de modelos analíticos, numéricos e experimentais. Através destes, são propostos critérios para o dimensionamento geométrico e para a escolha dos materiais. A topologia da máquina elétrica possui fluxo axial no entreferro, duplo rotor com ímãs permanentes setoriais, núcleo estator toroidal sem ranhuras e enrolamentos setoriais. Os modelos analíticos tridimensionais para a geometria e o volume dos enrolamentos são uma contribuição relevante em termos científicos. Experimentalmente, a máquina é acionada como gerador síncrono, com um rendimento interno de até 91,75%. Como gerador em regime de frenagem regenerativa obteve-se um rendimento interno de 78,61% no barramento CC. Ao final, utilizando o modelo automotivo de perdas, é feita uma análise em regime permanente do sistema acoplado, visando à caracterização da eficiência energética global do sistema. Os resultados obtidos permitem uma avaliação adequada da máquina no modo de operação proposto. / Este trabalho descreve o desenvolvimento e caracterização de uma máquina elétrica para aplicação em sistemas de tração automotiva. Compreende o estudo e a análise do perfil de carga e das grandezas eletromagnéticas e eletromecânicas através da construção de modelos analíticos, numéricos e experimentais. Através destes, são propostos critérios para o dimensionamento geométrico e para a escolha dos materiais. A topologia da máquina elétrica possui fluxo axial no entreferro, duplo rotor com ímãs permanentes setoriais, núcleo estator toroidal sem ranhuras e enrolamentos setoriais. Os modelos analíticos tridimensionais para a geometria e o volume dos enrolamentos são uma contribuição relevante em termos científicos. Experimentalmente, a máquina é acionada como gerador síncrono, com um rendimento interno de até 91,75%. Como gerador em regime de frenagem regenerativa obteve-se um rendimento interno de 78,61% no barramento CC. Ao final, utilizando o modelo automotivo de perdas, é feita uma análise em regime permanente do sistema acoplado, visando à caracterização da eficiência energética global do sistema. Os resultados obtidos permitem uma avaliação adequada da máquina no modo de operação proposto.

O bi-trem é um veículo cada vez mais comum no trânsito brasileiro. Por ser um veículo de grande porte, é capaz de se envolver em acidentes catastróficos caso o sistema de freio não esteja projetado de maneira adequada. Neste contexto é necessário um estudo que permita prever e otimizar o desempenho do sistema de freios para qualquer condição operacional. Para isso foi desenvolvida uma planilha de cálculos para estudar o desempenho da frenagem de um bi-trem. A planilha calcula a aderência que cada eixo utiliza, a desaceleração máxima desenvolvida pelo veículo, o espaço e o tempo de parada, a força de frenagem (e sua porcentagem) em cada eixo, a temperatura final do tambor, a eficiência do sistema de freios, as forças normais ao pavimento, a distribuição real e ideal das forças de frenagem e verifica se o cavalo mecânico e os semi-reboques se enquadram, respectivamente, nos diagramas 3 e 4 do anexo 10 da ECE-R13. Tais cálculos podem ser feitos com o veículo utilizando ou não ABS e com válvula sensível a carga nos semi-reboques e no \"tandem\" do cavalo mecânico. A planilha de cálculo foi aplicada em um veículo exemplo e os resultados são apresentados nesta dissertação. O sistema de freios desse veículo foi otimizado com a utilização da planilha, mostrando como ela pode ser de grande auxílio ao projetista. / The bi-trem (a vehicle similar to a twin trailler truck) is more and more common in the brazilians highways. Because it\'s a large and heavy vehicle it can cause catastrophics accidents if the brakes are not well developed. In this context it is necessary a study that allows to foresee and to optimize the performance of the brakes system for any operational condition. In this work an electronic spread sheet was developed in order to study the braking performance of a bi-trem. The spread sheet calcs the adhesion in each axle, the maximum deceleration, the braking space and the braking time, the braking force (and its percentage) in each axle, the final temperature of the drum, the brake system\'s efficiency, the normal forces, the actual and ideal brake force distribution, and verifies if the tractor and the semi trailers are fitted in the annex 10 of EGE-R13. The reckoning can be made for a vehicle equipped or not with ABS and with the load sensing valve in the semi trailers and in the tandem axle of the tractor. The spread sheet was applied in a example vehicle and the results are presented in this dissertation. The brakes system of this vehicle was optimized with the use of the spread sheet, showing as it can be of great assists the designer.

A presente dissertação visa analisar o desempenho na frenagem de um cavalo mecânico e semi-reboque que utiliza o sistema ABS (Antilock Braking System). Foi desenvolvido um modelo virtual de simulação utilizando a técnica dos sistemas multicorpos (Multibody System) do SimMechanics, um toolbox do Matlab/Simulink. No modelo virtual do veículo combinado foram considerados os parâmetros geométricos e mecânicos dos chassis, das suspensões, dos freios, contato pneu-pavimento e a válvula sensível à carga. São obtidas as forças normais dinâmicas no contato pneu pavimento quando o veículo está desacelerando de 20m/s até a parada completa, estas forças normais dinâmicas são entradas de uma sub-rotina em Simulink onde são calculadas as forças de frenagem, quando os freios tipo S carne são acionados. São realizadas simulações de frenagens em linha reta em pistas de média aderência (0,4) e alta aderência (0,8). As eficiências são obtidas quando o cavalo mecânico utiliza a configuração fixa de ABS tipo 6S/6M e o semi-reboque utiliza diversas configurações de ABS tipos: 2S/1M (e 4,6); 2S/2M (e 4,6); 4S/2M (e4); 4S/2M (e6); 4S/3M (e4); 4S/3M (e6); 4S/4M (e4) e 4S/4M (e6) e 6S/6M. O veículo é simulado também freando sem sistema ABS e a eficiência resultante comparada com as obtidas anteriormente. Os resultados são apresentados em figuras que mostram as forças normais dinâmicas ao pavimento, as aderências utilizadas pelos pneus e as eficiências atingidas pelas diversas configurações de ABS utilizadas no semi-reboque. Conclui-se de forma geral que configurações de ABS com mais sensores e válvulas moduladoras produzem uma eficiência maior e que a utilização de qualquer configuração de ABS como sistema complementar do sistema de freios de serviço, aumenta a eficiência de frenagem que é sempre superior ao do veículo sem sistema ABS. Esses resultados ajudam na preservação da dirigibilidade e estabilidade do veículo combinado, contribuindo assim na prevenção de acidentes de trânsito em situações de emergência. / This dissertation reports on the development of a simulation model for the analysis of the braking performance of tractor-semitrailer vehicles that use the ABS (Antilock Braking System). The model was developed using the virtual simulation technique of multibody systems with SimMechanics, a toolbox of Matlab/Simulink. In this simulation model the mechanical and geometrical parameters of the chassis, suspensions, brakes, adhesion coefficient, and load sensing valve were considered. When the vehicle is decelerating, the normal forces between the tire and road surface are obtained by the virtual model. These forces are the input of a subroutine in which the braking forces are calculated when the S Came brakes are triggered. Simulations of braking on straight line in road were made for average adhesion coefficient (0.4) and high adhesion coefficient (0.8). Efficiencies were obtained when the tractor used fixed ABS configuration of a 6S/6M type, and the semitrailer used the ABS type: 2S/lM (and 4.6); 2S/2M (and 4.6); 4S/2M (e4); 4S/2M (e6); 4S/3M (e4); 4S/3M (e6); 4S/4M (e4) and 4S/4M (e6) and 6S/6M. The results are presented in figures which show, the normal dynamic forces between tire and road, adhesions used by the tires and the efficiencies achieved by different ABS configurations installed in the semi-trailer. It is possible to conclude that in general ABS configurations with more sensors and modulating valves produce higher efficiency and the use of any configuration as a complementary system of the ABS brake system service increases the braking efficiency, which is always higher than that of a vehicle without ABS. The results help preserving the vehicle stability and maneuverability, preventing road accidents in emergency situations.

Este trabalho descreve o desenvolvimento e caracterização de uma máquina elétrica para aplicação em sistemas de tração automotiva. Compreende o estudo e a análise do perfil de carga e das grandezas eletromagnéticas e eletromecânicas através da construção de modelos analíticos, numéricos e experimentais. Através destes, são propostos critérios para o dimensionamento geométrico e para a escolha dos materiais. A topologia da máquina elétrica possui fluxo axial no entreferro, duplo rotor com ímãs permanentes setoriais, núcleo estator toroidal sem ranhuras e enrolamentos setoriais. Os modelos analíticos tridimensionais para a geometria e o volume dos enrolamentos são uma contribuição relevante em termos científicos. Experimentalmente, a máquina é acionada como gerador síncrono, com um rendimento interno de até 91,75%. Como gerador em regime de frenagem regenerativa obteve-se um rendimento interno de 78,61% no barramento CC. Ao final, utilizando o modelo automotivo de perdas, é feita uma análise em regime permanente do sistema acoplado, visando à caracterização da eficiência energética global do sistema. Os resultados obtidos permitem uma avaliação adequada da máquina no modo de operação proposto. / Este trabalho descreve o desenvolvimento e caracterização de uma máquina elétrica para aplicação em sistemas de tração automotiva. Compreende o estudo e a análise do perfil de carga e das grandezas eletromagnéticas e eletromecânicas através da construção de modelos analíticos, numéricos e experimentais. Através destes, são propostos critérios para o dimensionamento geométrico e para a escolha dos materiais. A topologia da máquina elétrica possui fluxo axial no entreferro, duplo rotor com ímãs permanentes setoriais, núcleo estator toroidal sem ranhuras e enrolamentos setoriais. Os modelos analíticos tridimensionais para a geometria e o volume dos enrolamentos são uma contribuição relevante em termos científicos. Experimentalmente, a máquina é acionada como gerador síncrono, com um rendimento interno de até 91,75%. Como gerador em regime de frenagem regenerativa obteve-se um rendimento interno de 78,61% no barramento CC. Ao final, utilizando o modelo automotivo de perdas, é feita uma análise em regime permanente do sistema acoplado, visando à caracterização da eficiência energética global do sistema. Os resultados obtidos permitem uma avaliação adequada da máquina no modo de operação proposto.

Este trabalho aplica um procedimento para análise do desempenho de um autoveículo rodoviário (Kadett GS 2.0 da General Motors do Brasil), em aceleração e desaceleração (freagem), considerando o \"passeio do centro de gravidade\" e as \"restrições impostas pelo binômio pneumático x pavimento\". A dinâmica do processo de frenagem do veículo/exemplo é estudada, obtendo-se a desaceleração e o espaço percorrido, como função do \"passeio do centro de gravidade\" e duas \"restrições impostas pelo pneumático x pavimento\". Comparações teórico-experimentais são realizadas. Para o controle do processo de frenagem do veículo/exemplo, obtém-se uma \"função-transferência\" que muda continuamente o balanceamento das forças de frenagem nos eixos, utilizando-se, para isto, de sinais oriundos de um acelerômetro e de um sensor de peso instalados no veículo. Esta função otimiza o processo de frenagem para qualquer carregamento permissível do veículo e em qualquer nível de desaceleração (qualquer tipo de piso). Deste veículo obtêm-se os diagramas de rendimento, aceleração líquida para cada marcha engrenada, e, posteriormente, o \"tempo de aceleração\" e \"retomada de velocidade\", como função do \"passeio do centro de gravidade\" e das \"restrições impostas pelo pneumático x pavimento\". Comparações teórico-experimentais são também realizadas. Em todos os casos, foram obtidos bons resultados na comparação teórico-experimental, validando o modelo matemático elaborado e o procedimento de análise. / This work applies a procedure for the analysis of the performance of a road vehicle, (General Motors do Brasil, Kadett GS 2.0), in acceleration and deceleration (braking), which takes into consideration the centre of gravity envelope and the restrictions imposed by the tyre/surface relationship. A study is made of the dynamic braking process of the vehicle/example, and the deceleration and distance covered are obtained as a functions of the c.g. position and the tyre/surface relationship. Comparisons are made between theory and experiment. A transfer function is obtained for the control of the braking process of the vehicle/example, that continually changes the balance of the braking forces on the axles, thorugh the use of signals transmitted from an accelerometer (g - meter) and a sensor giving the installed weight of the vehicle. This function optimizes the braking process for any permissible vehicle load and deceleration level, for any type of surface. The performance diagrams, the acceleration in each gear, and, following these the acceleration time and time-to-return-to-normal-speed are obtained as functions of the position of the c.g. and the restrictions imposed by the tyre/surface relationship. Comparisons of theory with practice are also made. In all cases, comparisons between theory and practice give good results, validating the mathematical model and the analysis procedure.

When further demands are placed on emissions and performance of cars, trucks and busses, the vehicle manufacturers are looking to have cheap ways to evaluate their products for specific customers' needs. Using simulation tools to quickly compare use cases instead of manually recording data is a possible way forward. However, existing traffic simulation tools do not provide enough detail in each vehicle for the driving to represent real life driving patterns with regards to road features. For the purpose of this thesis data has been recorded by having different people drive a specific route featuring highway driving, traffic lights and many curves. Using this data, models have then been estimated that describe how human drivers adjust their speed through curves, how long braking distances typically are with respect to the driving speed, and the varying deceleration during braking sequences. An additional model has also been created that produces a speed variation when driving on highways. In the end all models are implemented in Matlab using a traffic control interface to interact with the traffic simulation tool SUMO. The results of this work are promising with the improved simulation being able to replicate the most significant characteristics seen from human drivers when approaching curves, traffic lights and intersections.

Afin de comprendre les mécanismes d’usure et de frottement des composites carbone/carbone (C/C) utilisés en freinage aéronautique, un modèle numérique est utilisé pour dissocier les effets mécaniques des effets physico-chimiques et thermiques. Le modèle repose sur l’utilisation d’une approche par éléments finis et de techniques d’homogénéisation appliquées à un volume élémentaire représentatif (VER) du matériau à l’échelle mésoscopique frottant sur une surface rigide ou déformable. A cette échelle, le matériau est décrit par une matrice en carbone et des paquets de fibres de carbone appelés torons, perpendiculaires à la surface frottante. Pour assurer la représentativité de la structure du matériau, plusieurs modèles hétérogènes sont étudiés. Les résultats sont comparés à ceux obtenus avec le modèle homogène équivalent qui découle de l’homogénéisation. L’influence des conditions de contact (la rigidité), ainsi que l’influence de la distribution des torons proches de la surface frottante sur les régimes de vibrations des différents modèles sont mises en évidence. L’extension du modèle numérique à un contact entre deux composites a mis en évidence une forte augmentation des contraintes maximales localisées principales dans les torons présents à la surface frottante. Ces fortes localisations de contraintes peuvent avoir pour conséquence l’endommagement des torons ce qui induit la dégradation de la surface frottante jusqu’aux détachements de particules. / To understand the mechanisms of wear and friction of carbon 1 carbon composites (C/C} used in aeronautical braking, a numerical model is used to separate the mechanical effects of the physico-chemical and thermal effects. The model is based on the use of an approach by finite elements (FE} and techniques of homogenization applied to a representative elementary volume (RVE} of the material in the mesoscopic scale rubbing on a rigid or deformable surface. In this scale, the material is described by a matrix in carbon and packages of carbon fiber called strands, perpendicular on the contact surface. To insure the representativeness of the structure of the material, several heterogeneous models are studied. The results are compared with those obtained with the equivalent homogeneous model which ensues from the homogenization. The influence of the conditions of contact (the rigidity), as well as the influence of the distribution of strands at the contact surface on the regimes of vibrations of the various models are revealing. The extension of the numerical model in a contact between two composites underline a strong increase of maximal constraints mainly localized in the strands present on the contact surface. These strong localizations of constraints can have for consequence the damage of strands what leads the degradation of the contact surface until the detachments of particles.

Le matériau composite carbone/carbone ou C/C est utilisé en temps que matériau de friction en freinage aéronautique. Matériau complexe tant du point de vue de sa description microstructurale que de son comportement sous sollicitations tribologiques, il a été l’objet de nombreuses études visant à mieux comprendre les mécanismes régissant sa réponse (frottement, endommagement, usure) à ces sollicitations. Dans cette étude nous nous focalisons sur l’aspect mécanique de cette réponse. En particulier, nous nous intéressons aux endommagements présents dans le matériau : nous souhaitons étudier tant leurs origines que leur influence sur le comportement du matériau. Pour cela, nous choisissons une approche combinée numérique et expérimentale, nous permettant d’identifier de façon exhaustive ces endommagements puis de construire un modèle numérique tribologique permettant d’étudier les mécanismes d’usure du matériau. Nous montrons comment les mécanismes d’accommodation en volume du 1er corps influent sur les détachements de particules en surface, nous conduisant à parler de dialogue tribologique surface/volume. Le modèle numérique utilise la méthode des éléments discrets pour représenter 1er et 3ième corps simultanément. Un travail est réalisé autour de la représentativité du modèle vis-à-vis des caractéristiques mécaniques du composite C/C. Nous proposons également une démarche de recherche d’un Volume Elémentaire Représentatif sous condition de contact. Ce modèle ainsi que les observations du matériau nous permettent de proposer un scenario de comportement tribologique du composite C/C, en fonction des sollicitations thermomécaniques qui lui sont appliquées et correspondant aux différents types de freinages aéronautiques. Les endommagements identifiés dans le volume du matériau se révèlent être bénéfiques dans certains cas de figure au travers d’un mécanisme de rigidification du matériau intervenant à haute température, ce qui nous conduit à parler d’ « endommagement utile ». Le scenario intègre donc ce phénomène, ainsi que d’autres tant mécaniques que physicochimiques et identifiés par cette étude ou dans la littérature, et montre comment leur équilibre « dynamique » produit le comportement tribologique identifié du matériau pour les différentes gammes de sollicitations qui lui sont appliquées. / Carbon/Carbon (or C/C) composite is used as a friction material in aeronautical braking applications. This is a complex material from both microstructural and tribological behavior points of view. Thus, it has been studied through various works for several years, aiming at understanding what mechanisms guide this material response (friction, damage, wear) under tribological conditions. In this study, a focus is performed on mechanical aspects such as damages that occur in the numerical and experimental approach, in view to identify and classify the damages as well as to build a numerical model used to investigate wear mechanisms. It is underlined how first-body accommodation mechanisms have a great influence on particles detachment at the interface, as a surface/volume tribological dialogue take place. This model is based on the Discrete Elements method and represents simultaneously first- and third-body; such model is able to represent fist-body degradation as well as creation and flow of third-body particles. Its representativeness is ensured through experimental comparisons, particularly on mechanical aspects. A procedure is proposed for the research of a Representative Elementary Volume under contact conditions. Model results and material observations allow proposing a global scenario explaining C/C composite behavior under tribological conditions, which are representative of different aeronautical braking cases. Damages, identified in the volume of the first-body, reveal themselves to be sometimes beneficial, and could be characterized as “useful damages”. The scenario takes into account this phenomenon, as well as thermal, mechanical and physicochemical ones, identified from this work or literature. It explains the influences of these parameters on C/C tribology and show how the dynamic equilibrium between them results on the C/C response, particularly its wear mechanism.

Les chutes sont la deuxième cause de décès accidentels par traumatisme involontaire dans le monde. Les conséquences physiques et psychologiques représentent aussi un frein important à la mobilité des personnes âgées. Prévenir ces chutes apparait donc comme un enjeu majeur. Une première étape nécessaire est d'identifier les situations présentant un risque de chute important. L'objectif de cette thèse est de proposer des outils permettant de faire le lien entre une perturbation et le risque de chute associé. Dans une première partie, un modèle simple permet d'estimer les états à partir desquels il est possible de retourner dans une situation d'équilibre. Nous nous intéressons ensuite aux perturbations externes continues. Les résultats de la littérature étant limités sur cet aspect, une campagne expérimentale a été mise en place pour identifier les effets de certains paramètres de la perturbation sur le seuil de rattrapage. Le modèle est alors étendu pour traiter le cas de perturbations de l'équilibre ayant un profil temporel variable. Pour finir, nous proposons une modélisation utilisant un contrôleur basé sur la commande prédictive mettant en avant la régulation des stratégies de rattrapage. L'ensemble de ces travaux mettent en avant l'influence des paramètres liés au rattrapage qu'il est difficile d'appréhender lors d'expérimentations. Ils montrent également l'importance de la caractérisation de l'élément déclencheur de la perte d'équilibre dont la description est souvent incomplète dans la littérature. Certaines améliorations peuvent être apportées comme la représentation d'appuis non-coplanaires ou une intégration plus détaillée des aspects sensoriels / Falling is the second most important cause of accidental deaths in the world. These falls lead to physical injuries and psychological consequences which limit mobility especially for the elderly. Being able to prevent these events appears to be crucial and a first mandatory step is to identify the risk of fall depending on the situation (slipping, hazardous environment …). The objective of this thesis is to propose numerical tools in order to link the risk of fall to the balance perturbation. In a first part, a simple numerical model estimates if initial unbalanced states can be recovered using one recovery step. Then a focus was made on external perturbations with a specific temporal profile close to public transportation perturbations. An experimental protocol was set up due to the lack of knowledge about these perturbations. The experiment investigated the effect of the perturbation parameters on the Balance Recovery (BR) threshold. An adjustment of the previous model was made to evaluate continuous perturbations and to compare its results against our experimental findings. The final chapter developed a complementary approach based on previous work using a model predictive control scheme which aims to regulate BR strategies. This whole work contributes to highlight the BR parameters which are difficult to assess during experimental procedures. It also points out the perturbation definition which is frequently incomplete in the literature although it is the phenomenon responsible for the BR process. In order to represent more realistic human behaviors some improvements can be done such as adding noncoplanar contacts or as integrating more detailed sensorimotor aspects