Projeto e construção de um tribômetro com controle independente da temperatura do disco

Abstract

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.