otimização de parâmetros de materiais de atrito de sistemas de freio usando algoritmos genéticos

197 Pages·2004·5.28 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

OTIMIZAÇÃO DE PARÂMETROS DE MATERIAIS DE ATRITO
DE SISTEMAS DE FREIO USANDO
ALGORITMOS GENÉTICOS

TESE SUBMETIDA À UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE
DOUTOR EM ENGENHARIA MECÂNICA

JEFERSON GONÇALVES

Florianópolis, 2004.
ii
OTIMIZAÇÃO DE PARÂMETROS DE MATERIAIS DE ATRITO DE SISTEMAS DE
FREIO USANDO ALGORITMOS GENÉTICOS

JEFERSON GONÇALVES

ESTA TESE FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE
DOUTOR EM ENGENHARIA MECÂNICA

ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECÂNICA, ÁREA DE CONCENTRAÇÃO VIBRAÇÕES E
ACÚSTICA, E APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO

Prof. José Antônio Bellini da Cunha Neto, Dr
Coordenador

Prof. Arcanjo Lenzi, Ph.D.
Orientador

Prof. Roberto Jordan, Dr. Eng
Co-Orientador

BANCA EXAMINADORA:

Prof. Arcanjo Lenzi, Ph.D. Prof. Alberto Tamagna, Dr.

Prof. Fernando Cabral, Ph.D.. Marcos R. Soares, Dr

Prof. Lauro Cesar Nicolazzi, Dr. Eng.
iii

DEDICATÓRIA

A Fernanda.
Amiga, companheira e esposa.
Por esta e muitas outras caminhadas.
Saiba que você foi o todo, e também as partes.
iv
AGRADECIMENTOS

A meu irmão, Alexandre, que foi complacente com minhas necessidades e me deu o
apoio que eu necessitava.
Aos meus orientadores, Arcanjo Lenzi e Roberto Jordan, que foram amigos antes de
orientadores.
À empresa Fras-le, na pessoa de Georges Pitseys, Gilberto Crosa e Flávio Marcon, que
apoiaram este trabalho de mútuo interesse.
Aos amigos do Laboratório Físico, do Eletrônico e a todos os demais colegas que
contribuíram concretamente para a execução deste trabalho, enriquecendo-o com opiniões,
sugestões e críticas.
Aos bolsistas do LVA, que auxiliaram no levantamento de parâmetros que foram
extremamente úteis ao entendimento do problema estudado.
Em fim, a todos que de alguma forma acrescentaram algo a esta caminhada.

Meu sincero obrigado, e meu eterno reconhecimento.
v

“Quando você pensa que já sabe todas as respostas,
vem a vida e muda todas as perguntas”.
vi

SUMÁRIO

Lista de Figuras ........................................................................................................x
Lista de Tabelas .......................................................................................................xiv
Resumo .....................................................................................................................xvii

Abstract ....................................................................................................................xviii

1. Introdução .......................................................................................................... 1
1.1. Motivação ..................................................................................................... 2
1.2. Breve Histórico Sobre Freios ......................................................................... 3
1.3. Proposta de Tese ........................................................................................... 5
1.4. Infra-estrutura e Custos Envolvidos ............................................................... 6
1.5. Conteúdo da Tese .......................................................................................... 7
2. Sistemas de Freios e Geração de Ruído ............................................................. 9
2.1. O Sistema de Freio a Disco ........................................................................... 10
2.2. Mecanismo de Geração de Ruído .................................................................. 13
2.2.1. Classificação do Ruído de Freio .......................................................... 15
2.3. Parâmetros Relevantes na Geração do Ruído ................................................. 17
2.3.1. Parâmetros Ambientais e de Aplicação ............................................... 17
2.3.2. Amortecimento e Rigidez ................................................................... 18
2.3.3. Os Efeitos da Temperatura .................................................................. 20
2.4. Modelos Analíticos ....................................................................................... 25
2.4.1. Resultados do Modelo North ............................................................... 31
vii
2.5. Composição de Materiais de Atrito ................................................................ 32
2.6. Efeitos Tribológicos Ligados ao Par de Atrito ............................................... 37
2.7. Metodologia e Equipamentos Usados na Avaliação dos Parâmetros .............. 40
3. Processos de Otimização .................................................................................... 45
3.1. Projeto Fatorial 2k ......................................................................................... 46
3.2. Método Taguchi ............................................................................................ 50
3.3. Método Multi-Critério ................................................................................... 53
4. Algoritmos Genéticos ......................................................................................... 60
4.1. Histórico ....................................................................................................... 61
4.2. Terminologia Usada em Algoritmos Genéticos .............................................. 63
4.3. Diferenças entre AGs e Outros Métodos ........................................................ 64
4.3.1. Algoritmos Genéticos e Recozimento Simulado .................................. 65
4.4. Operadores Genéticos em Codificação Binária .............................................. 66
4.4.1. Operadores de Crossover .................................................................... 67
4.4.2. Operadores de Mutação ...................................................................... 68
4.5. Operadores Genéticos em Codificação Real .................................................. 69
4.5.1. Operadores de Crossover .................................................................... 69
4.5.2. Operadores de Mutação ...................................................................... 72
4.6. Avaliação da População e Métodos de Seleção .............................................. 74
4.6.1. Avaliação da População ...................................................................... 74
4.6.2. Métodos de Seleção ............................................................................ 75
4.6.2.1. Seleção Via Método da Roleta ..................................................... 75
4.6.2.2. Seleção por Ordenação ................................................................. 78
4.6.2.3. Seleção por Torneio ..................................................................... 79
viii
4.7. Parâmetros de Influência e Configurações ..................................................... 79
4.7.1. Tamanho da População ....................................................................... 80
4.7.2. Probabilidade de Cruzamento .............................................................. 80
4.7.3. Probabilidade de Mutação ................................................................... 81
4.8. Vantagens e Desvantagens dos AGs .............................................................. 82
4.9. Estudos de Caso Usando Codificação Binária ................................................ 84
4.9.1. AG sem Uso da Mutação .................................................................... 84
4.9.2. AG com Uso da Mutação .................................................................... 85
4.9.3. AG com Valores Decimais: Um Novo Passo ....................................... 90
4.10.Estudo de Caso Usando Codificação Real .................................................... 92
4.10.1. Aplicativo em Delphi(cid:210) ........................................................................ 92
4.10.2. Resultados Iniciais .............................................................................. 93
4.11.Conclusões Preliminares .............................................................................. 96
5. Estudos de Influência da Composição Sobre os Parâmetros ............................ 98
5.1. Projeto Fatorial 2k ......................................................................................... 99
5.2. Testes Experimentais Envolvidos .................................................................. 101
5.2.1. Testes em Dinamômetro ..................................................................... 101
5.2.2. Avaliação de Rigidez Estrutural .......................................................... 111
5.2.3. Avaliação de Amortecimento Estrutural .............................................. 115
5.2.4. Avaliação da Dureza Superficial ......................................................... 120
5.3. Conclusões Sobre o Projeto Fatorial .............................................................. 122
6. A Função Objetivo ............................................................................................. 126
6.1. Introdução ..................................................................................................... 127
ix
6.2. Premissas ...................................................................................................... 127
6.3. Método de Obtenção ..................................................................................... 130
6.4. Escalonamento de Grandezas ........................................................................ 132
7. O Aplicativo AG Noise ....................................................................................... 134
7.1. Características Principais ............................................................................... 135
7.2. Recursos Disponíveis .................................................................................... 139
7.3. Testes de Convergência ................................................................................. 140
7.4. Discussões Sobre Convergência .................................................................... 144
8. Aplicações Práticas ............................................................................................. 146
8.1. Dados de Entrada para o Aplicativo ............................................................... 147
8.2. Composições Sugeridas pelo Aplicativo ........................................................ 148
8.3. Resultados Experimentais .............................................................................. 153
8.4. Análise dos Erros Obtidos ............................................................................. 156
9. Conclusões .......................................................................................................... 159
10. Sugestões para Trabalhos Futuros .................................................................... 165
11. Referências Bibliográficas ................................................................................. 167
x
LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 : Sistema de freio com caliper fixo .....................................................10
Figura 2.2 : Sistema de freio com caliper flutuante ..............................................11
Figura 2.3 : Caliper flutuante típico .....................................................................11
Figura 2.4 : Caliper duplo ...................................................................................12
Figura 2.5 : Diferentes tipos de canais de ventilação utilizadas em discos
ventilados .........................................................................................12
Figura 2.6 : Sistema de freio com disco de carbono .............................................13
Figura 2.7 : Classificação do ruído de freio feita por Lee .....................................15
Figura 2.8: Resultado típico de teste de ruído em dinamômetro inercial para
freios .................................................................................................17
Figura 2.9 : Tipos comerciais de shims ................................................................19
Figura 2.10 : Camadas usuais de um shim ............................................................19
Figura 2.11 : Curva de fade e recuperação, 1ª etapa .............................................22
Figura 2.12 : Curva de fade e recuperação, 2ª etapa ............................................22
Figura 2.13 : Gráfico proveniente de teste de desgaste DPF 24 ............................23
Figura 2.14 : Ocorrência de ruído em função da temperatura para dados entre
2001-2204 ......................................................................................25
Figura 2.15 : Modelo proposto por North .............................................................29
Figura 2.16 : Elementos de um material de atrito .................................................32
Figura 2.17 : Possíveis substituições ao amianto ..................................................37
Figura 2.18 : Potência do motor x Potência gerada pelo sistema de freio ..............39
Figura 2.19 : Ilustração do contato dos platôs primários .......................................40
Figura 2.20 : Sistema de freio utilizado nos testes experimentais .........................42