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Type: TESE DIGITAL
Title: Modelagem não-linear e análise dinâmica de sistemas de transmissão por correias pela formulação de coordenadas nodais absolutas
Title Alternative: Nonlinear modeling and dynamic analysis of belt drive systems by absolute nodal coordinate formulation
Author: Silveira, Henrique Leandro, 1982-
Advisor: Pederiva, Robson, 1957-
Abstract: Resumo: Sistemas de acionamento mecânico por correia serpentina são amplamente usados em aplicações automotivas e industriais para transmissão de torque e potência. Tais sistemas estão sujeitos a variações de tensão na correia devido à carga dinâmica nos acessórios, que levam ao desgaste prematuro e redução da vida útil dos componentes. A análise do comportamento dinâmico do conjunto é fundamental na fase de projeto e requer a modelagem não-linear do sistema incluindo polias, auto-tensionador, correia e fontes dinâmicas de excitação. A vibração transversal dos tramos da correia está acoplada ao movimento rotacional das polias e do auto-tensionador, incorporando diversos mecanismos de interação dinâmica no sistema. Este trabalho tem como proposta desenvolver um modelo matemático do sistema de transmissão por correia utilizando a abordagem de multicorpos híbridos, tratando as polias e o auto-tensionador como elementos rígidos e a correia como componente flexível. Na modelagem foi utilizada a Formulação de Coordenadas Nodais Absolutas (ANCF), método de elementos finitos não-linear que descreve o sistema através de gradientes e coordenadas de posição absolutas dos nós. Hipóteses de pequenas deformações e deslocamentos, geralmente assumidas na teoria clássica de elementos finitos linear, são automaticamente eliminadas neste método, que leva em consideração os tensores de deformação não-lineares da mecânica do contínuo. O Método de Newton-Euler foi utilizado na modelagem puramente rotacional do sistema para comparação com o modelo híbrido acoplado e cálculo das reações dinâmicas. Uma bancada de ensaios foi especialmente projetada, construída e instrumentada para fins de validação experimental, permitindo a análise do sistema de transmissão com e sem auto-tensionador em diferentes configurações. Os parâmetros do sistema, tais como propriedades viscoelásticas, de inércia e rigidez, foram identificados experimentalmente em ensaios independentes, e utilizados na simulação numérica. São apresentados os resultados de verificação teórico-experimental das forças de reação estática e dinâmica no mancal da polia movida, de análise modal dos sistemas em função do nível de tensão na correia nas condições estática e dinâmica, do efeito centrífugo atuante na correia e da configuração de equilíbrio estático e dinâmico devido à ação do auto-tensionador. Simulações numéricas são reportadas considerando o efeito de desbalanceamento das polias, flutuação de velocidade, amortecimento da correia, força centrífuga e presença de carga dinâmica no alternador. Diversas análises paramétricas são apresentadas, revelando a influência de cada parâmetro na resposta dinâmica do sistema. Os resultados numéricos indicaram satisfatória correlação com os resultados experimentais, permitindo validar os modelos propostos em uma ampla faixa de condições de operação

Abstract: Serpentine belt drive systems are widely used in automotive and industrial applications for torque and power transmission. Such systems are subject to variations in belt tension due to dynamic load of accessories, which lead to premature wear and life reduction of the components. The dynamic behavior analysis of belt drive systems is required in the design stage, and demands non-linear modeling of the system including pulleys, auto-tensioner, belt and dynamic excitation sources. The belt spans transverse vibration is coupled to rotational movement of the pulleys and auto-tensioner, incorporating different mechanisms of dynamic interaction in the system. This thesis aims to develop a mathematical model for the belt drive system using hybrid flexible multibody approach, treating pulleys as rigid elements and belt as flexible ones. The approach used was the Absolute Nodal Coordinate Formulation (ANCF), a nonlinear finite element method that describes the system through gradients and absolute nodal position coordinates. Assumptions of small strains and displacements, usually assumed in the classical linear finite element theory, are automatically eliminated in this method, which takes into account the continuum mechanics nonlinear strain tensor. The Newton-Euler method was used for purely rotational modeling of the system, for comparison with the coupled hybrid model and determination of dynamic forces. A test bench was specially designed, built and instrumented for purposes of experimental validation, allowing analysis of the transmission system with and without auto-tensioner in different configurations. The system parameters, such as viscoelastic, inertia and stiffness properties, were experimentally identified in individual tests and used in the numerical simulations. Results are presented to theoretical and experimental verification of static and dynamic reaction forces in the driven pulley bearing, modal analysis as function of the belt tension level on static and dynamic conditions, centrifugal effect acting on belt and static/dynamic configuration due to the auto-tensioner action. Numerical simulations are reported considering the unbalancing effect of the pulleys, speed fluctuation, belt damping, centrifugal force and presence of dynamic load in the alternator. Several parametric analysis are presented, showing the influence of each parameter in the dynamic response of the system. The numerical results indicated satisfactory correlation with experimental ones, allowing validate the proposed models in a wide range of operating conditions
Subject: Método dos elementos finitos
Correias e transmissão por correias
Dinâmica não-linear
Mecânica dos meios contínuos
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2015
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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