Contact Mechanics and Lubrication

Code:

M.EM011

Acronym:

MCL

Keywords
Classification	Keyword
OFICIAL	Applied Mechanics

Instance: 2023/2024 - 1S

Active?	Yes
Responsible unit:	Applied Mechanics Section
Course/CS Responsible:	Master in Mechanical Engineering

Cycles of Study/Courses

Acronym	No. of Students	Study Plan	Curricular Years	Credits UCN	Credits ECTS	Contact hours	Total Time
M.EM	18	Syllabus	2	-	6	39	162

Teaching language

English

Objectives

Análise do comportamento de componentes mecânicos submetidos a ações de contacto:

1. Fenómenos físicos presentes nas ações de contacto entre superfícies em movimento relativo;
2. Teorias da Mecânica do Contacto Hertziano e da Lubrificação Elastohidrodinâmica (EHD);
3. Critérios tribológicos de dimensionamento de componentes mecânicos (rolamentos, engrenagens, cames, …) e seleção de lubrificantes;
4. Análise de avarias de superfície e a sua relação com a Mecânica do Contacto e a Lubrificação EHD.

Competências Computacionais:
Análise das acções de contacto, lubrificação e vida de órgãos de máquinas usando o software KissSys/KissSoft.

Competências Experimentais:
Medição da rugosidade/topografia de superfícies, de propriedades fisico-químicas dos lubrificantes, da espessura do filme lubrificante e atrito no contacto, da potência dissipada em engrenagens/rolamentos, da degradação de lubrificantes.

Competências Transversais:
Medição de varáveis fisícas, químicas e mecânicas.

Learning outcomes and competences

O objetivo essencial desta UC é municiar os estudantes com os conceitos fundamentais da análise componentes mecânicos submetidos a ações de contacto.

Os dois primeiros tópicos do programa são destinados à apresentação e discussão dos fenómenos físicos e das teorias da Mecânica do Contacto Hertziano e da Lubrificação Elastohidrodinâmica. A apresentação destes conceitos será acompanhada (em período extra curricular) de demonstrações laboratoriais relacionadas com rugosidade de superfícies, lubrificantes, medição de espessura do filme lubrificante e do atrito em contactos EHD, análise da térmica do contacto …

O último tópico destina-se à aplicação desses conceitos na concepção, dimensionamento e análise de avarias de componentes mecânicos típicos, nomeadamente engrenagens, rolamentos, cames e transmissões mecânicas complexas. Os Estudantes terão á sua disposição um software especializado (KissSoft) para a análise de componentes mecânicos.

Working method

Presencial

Pre-requirements (prior knowledge) and co-requirements (common knowledge)

Matemática: Derivação, integração, equações diferenciais.

Mecânica: Cnemática e dinâmica de mecanismos.

Mecânica dos Sólidos: Estados de tensão bi e tri-axiais.

Mecânica dos Fluidos: Equações de Navier-Stokes.

Órgãos de Máquinas: Engrenagens, rolamentos, lubrificantes, lubrificação hidrodinâmica.

Software para dimensionamento de Órgãos de Máquinas (KissSys, KissSoft)

 

Program

Mecânica do Contacto Hertziano:

Contacto entre sólidos de revolução (Teoria de Hertz). Tensões no interior de sólidos em contacto. Influência da rugosidade das superfícies em contacto. Aplicações às engrenagens, cames e rolamentos.

 

Lubrificação Elastohidrodinâmica:

Teoria da Lubrificação Elastohidrodinâmica. Espessura do Filme Lubrificante EHD. Reologia do Filme Lubrificante EHD. Térmica do Contacto Elastohidrodinâmico. Aplicações às engrenagens, cames e rolamentos.

 

Lubrificação, Eficiência e Avarias de Engrenagens:

Tribologia do contacto entre os dentes de uma engrenagem cilíndrica. Balanço energético de uma caixa de engrenagens. Tipos e métodos de lubrificação de engrenagens. Avarias de superfície em engrenagens e rolamentos. Seleção de lubrificantes. Utilização do software KissSys/KissSoft na análise tribológica de orgãos de máquinas.

 

Mandatory literature

Jorge Seabra; Mecânica do Contacto Hertziano, Jorge Seabra / FEUP / DEMec / SMAp, 2003. ISBN: / (138 pages)
Jorge Seabra, Armando Campos e Alexandre Sottomayor; Lubrificação Elastohidrodinâmica, Jorge Seabra / FEUP / DEMec / SMAp / 1ª edição / 2002, 2002. ISBN: / (200 pages)
Jorge Seabra; Engrenagens – Lubrificação, Rendimento e Avarias, Jorge Seabra / FEUP / DEMec / SMAp / 1ª edição / 2005., 2005. ISBN: / (104 pages)
Jorge Seabra; Problemas propostos, Formulário, Folha de Cálculo e Aplicações MatLab em Mecânica do Contacto e Lubrificação Elastohidrodinâmica, Jorge Seabra / FEUP / DEMec / SMAp / 3ª edição / 2005, 2005. ISBN: / (112 pages)
Bernard J. Hamrock; Fundamentals of fluid film lubrification. ISBN: 0-07-113356-9 (Reference book)
K. L. Johnson; Contact mechanics. ISBN: 0-521-25576-7
Ramsey Gohar; Elastohydrodynamics. ISBN: 0-85312-820-0
Boresi e co-autores; Advanced Mechanics of Materials, John Willey and Sons, New York, U.S.A, 1978. ISBN: 0-471-08892-7

Teaching methods and learning activities

A unidade curricular funciona no regime de duas aulas teórico-práticas por semana com uma duração de 90 minutos cada uma. Esta tipologia de aulas permite a exposição de conceitos teóricos imediatamente seguida pela análise de exemplos e problemas resolvidos pelo docente e/ou pelos estudantes. Esta metodologia tem a vantagem da inexistência de hiatos entre a apresentação dos conceitos e a sua aplicação na resolução de casos de estudo.

 

Os estudantes, divididos em grupos, realizam ao longo do semestre um conjunto de trabalhos laboratoriais em mecânica do contacto e a lubrificação EHD: medição da rugosidade de superfícies em contacto, medição de propriedades fisico-químicas dos lubrificantes, medição de espessura do filme lubrificante em função das condições de funcionamento, medição do atrito num contacto EHD e determinação da correspondente curva de Stribeck, análise da térmica do contacto e da potência dissipada no contacto. Cada grupo de estudantes terá de apresentar um relatório sucinto sobre os trabalhos laboratoriais realizados.

Pretende-se com estes trabalhos laboratoriais pôr em evidência os fenómenos físicos estudados e medir experimentalmente os principais parâmetros físicos que lhe estão associados.

 

O software KissSys/KissSoft será utilizado e por cada estudante individualmente na concepção, dimensionamento e análise de problemas de contacto em orgãos de máquinas, nomeadamente engrenagens, rolamentos, cames e outros, aplicando os conceitos da mecânica do contacto e da lubrificação EHD a casos de estudo reais.

 

O atendimento aos estudantes por parte do docente existe ao longo de todo o semestre em horário pré-estabelecido. Na época de exames o docente disponibiliza aos estudantes períodos de atendimento prolongados e previamente agendados.

Software

Mat Lab
Kiss Soft

Evaluation Type

Distributed evaluation with final exam

Assessment Components

Designation	Weight (%)
Teste	70,00
Trabalho escrito	10,00
Trabalho laboratorial	10,00
Trabalho prático ou de projeto	10,00
Total:	100,00

Amount of time allocated to each course unit

Designation	Time (hours)
Estudo autónomo	75,00
Frequência das aulas	39,00
Trabalho escrito	24,00
Trabalho laboratorial	24,00
Total:	162,00

Eligibility for exams

São admitidos a Exame os Estudantes que tenham obtido a classificação mínima de 7.50 valores na Componente Distribuída.

São dispensados de Exame os Estudantes que tenham obtido a classificação mínima de 11.50 valores na Componente Distribuída.

Calculation formula of final grade

A componente distribuída da avaliação engloba duas partes, designadas por Testes e Trabalhos Laboratoriais:

Testes (T1, T2) - Dois exames escritos a realizar durante o semestre, cada uma constituída por parte teórica e parte prática.

Trabalhos Laboratoriais (TL) – Relatório dos trabalhos laboratoriais, a realizar em período extra-curricular, classificado de 0 a 20 valores.

A classificação da componente distribuída (CD) é igual a: CD = (0.35 x T1 + 0.35 x T2 +0.30 x TL).

Examinations or Special Assignments

Não aplicável.

Internship work/project

Não aplicável.

Special assessment (TE, DA, ...)

Não aplicável.

Classification improvement

Não aplicável.