Desenvolvimento e validação de metodologia para estimativa do coeficiente de atrito em um tribômetro

Abstract

Desde o final da década de 1960, estima-se que a implementação de novas tecnologias em relação a melhorias no atrito e na tribologia poderia ter grande impacto na economia global [Jost, 1966]. Isso torna a tribologia um campo de estudo relevante dentro da engenharia mecânica. Normalmente, ensaios tribológicos são realizados através do uso de um tribômetro, o qual é um equipamento projetado para medir propriedades tribológicas. Este trabalho consiste em um aprimoramento destinado a ampliar as capacidades de um tribômetro, permitindo que o mesmo meça fenômenos tribológicos de alta frequência e rastreie a direção da força de atrito através do uso de um conjunto de três sensores piezoelétricos posicionados ortogonalmente. Uma série de ensaios foi conduzida com o uso de um protótipo para rastrear o comportamento das células piezoelétricos em comparação com o sistema de medição atual em uso com o tribômetro. Como os sistemas reagem de maneira diferente a uma dada excitação, um conjunto de equações lineares que visam equacionar as medições do sistema piezoelétrico ao sistema atual foi desenvolvido. Após o desenvolvimento dessas equações, uma nova série de testes foi realizada, na qual os resultados são corrigidos pelas equações desenvolvidas. Verifica-se que o novo sistema de medição é capaz de medir a força normal com um erro de (3,4 ± 6,3) %, força de atrito com um erro de (0,0 ± 10,0) % e estimar o coeficiente de atrito com um erro de (-3,7 ± 8,1) % em relação ao sistema de medição atual. Verifica-se também que há espaço para melhorias em uma próxima versão do protótipo, posicionando-se as células piezoelétricas designadas à medição da força de atrito a um ângulo de 45° com a direção vertical.

Since the late 1960s, it is estimated that the implementation of new technologies regarding improvements in friction and tribology could have great impact in global economy [Jost, 1966]. This makes tribology a relevant study field within mechanical engineering. Normally, tribological tests are conducted through the use of a tribometer, which is an equipment designed to measure tribological properties. This paper consists in an improvement aimed to expand the capabilities of a tribometer, by allowing it to measure high frequency tribological phenomena and to track the direction of the friction force through the use of a set of three piezoelectric sensors positioned orthogonally. A series of tests were conducted with the use of a prototype to track down the behavior of the piezoelectric cells in comparison to the current measurement system in use with the tribometer. Since the systems react differently to a given excitation, a set of linear equations that aims to equate the piezoelectric measurements to the current system was developed. After the development of these equations, a new series of tests was conducted, on which the results are corrected by the developed equations. It is found that the new measurement system is capable of measuring normal force with an error of (3,4 ± 6,3) %, friction force with an error of (0,0 ± 10,0) % and estimating the coefficient of friction with an error of (-3,7 ± 8,1) % compared to the current measurement system. It is also found that there is room for improvement in a next version of the prototype by placing the piezoelectric cells designated to measure friction force at a 45° angle with the vertical direction.