Dimensionamento de Freios - Cálculo - Detalhes

28/7/2014 POWERBRAKES - Frenagens com Rapidez e Segurana

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REPOTENCIAMENTO DO SISTEMA DE FREIOS

Antes de qualquer modificao no sistema de freios de um veculo necessrio que se enumere e se priorize as deficincias do sistemaoriginal perante o restante das modificaes do veculo (motor,

suspenso, rodas, pneus, cmbio etc). Basicamente existem trs pontos onde o sistema original pode serdeficiente, tanto em veculos modificados ou mesmo originais:- potncia- equilbrio

- resistncia ao aquecimentoNa verdade toda modificao em qualquer um destes 3 itens,principalmente os dois primeiros, no pode ser feita isoladamente, e

forosamente obriga a se executar mudanas nos outros tambm.

Porm para se entender cada um deles, ser feita uma explicaoisolada para no final juntarmos tudo novamente e chegarmos a um

resultado final satisfatrio.

1. POTNCIA DE FRENAGEM

A necessidade de aumento da potncia de frenagem separadaentre os eixos dianteiro e traseiro.

O aumento de potncia na dianteira necessrio quando a

velocidade atingida pelo veculo muito maior que a original e/ouquando o veculo sofreu modificaes em pneus e suspenses que

resultem em maior aderncia dos pneus com o solo, j que todo

veculo consegue travar as rodas a 100km/h, porm a 200km/h ofreio original pode no ser potente o suficiente para proporcionar adesacelerao que os pneus conseguiriam suportar sem travar.J na traseira esse aumento de potncia se faz necessrio para

acompanhar o aumento da dianteira, para se restabelecer oequilbrio ou para se corrigir uma deficincia que exista no freiooriginal do veculo, que no incomum que exista.O aumento da potncia da frenagem pode ser conseguido de vrias

formas:

- aumento do dimetro do pisto das pinas ou cilindros de roda

traseiros, ou aumento do nmero de pistes de cada pina

se P = A/F

onde P= presso do fludo

A= rea do pisto da pinaF= fora aplicada nas pastilhas pela pina

ento F = P x A se A = 3,14 x DxN/2 onde D= dimetro do(s)pisto(es) das pinas N= nmeros de pistes

J para se trabalhar com temperaturas elevadas semdiminuio do poder de frenagem, podemos usar fludos

de freio com classificao superior ao utilizadooriginalmente (DOT 4,5 ou 6), pastilhas com compostoespecial para altas temperaturas, flexveis comrevestimento de ao (tipo aeroquip), alm de discos e

pastilhas de fibra de carbono ou cermica.Porm alguns destes tens tm algumas desvantagenstambm, como as pastilhas especiais e discos de fibra de

carbono, que quando frios no oferecem boa aderncia,ou o altssimo custo dos discos de fibra de carbono ecermica.

Agora podemos juntar todas estas informaes para

reponteciar o sistema de freios de um veculo em todos os

seus pontos deficientes.Podemos tomar como exemplo o reponteciamento

realizado com o kit Powerbrakes VW10001, que composto por discos de 284 x 22mm, pinas dianteiras

de 54mm e cilindros de roda traseiros de 17mm, tomandocomo base um veculo VW Gol 00/01, que originalmente

possua discos ventilados de 239 x 20mm, pinas de

48mm e cilindros de roda de 14mm.Primeiramente foi necessrio identificar quais os pontos

mais deficientes no sistema original, j que o veculo tevesua velocidade aumentada de 170km/h para 200km/h

com alteraes no motor.A deficincia mais evidente e prejudicial era a facilidade

para o aquecimento excessivo verificada em qualquerfrenagem forte acima de 150km/h ou em seqncias defrenagens com desaceleraes acima de 8m/s, quando severificou uma perda total da potncia de frenagem porfading das pastilhas, com a temperatura dos discos

chegando a mais de 600C, conforme podemos verificarnos grficos abaixo, notando-se que a partir da 17frenagem a desacelerao ficou to baixa que ficou

impossvel continuar o teste. Vale ressaltar que neste testeo veculo j estava usando fludo com classificao DOT5,para que o mesmo no fosse o fator limitante, para quepudssemos realmente achar o limite do sistema.



ento F = P x 3,14 x DxN/2

Portanto se aplicarmos a mesma presso no circuito (mesma forano pedal de freio) e aumentarmos apenas o dimetro do pisto daspinas, ento:

se F1 = P x 3,14 x D1xN1/2 e F2= P x 3,14 x D2xN2/2

dividindo-se F2 por F1, temos:

F2/F1 = D2xN2/D1xN1

como Fatr = F x Aatr x K

onde Fatr = fora de atrito entre pastilhas e discosAatr = rea de atrito das pastilhasK = coeficiente de atrito entre pastilhas e discosF = fora aplicada nas pastilhas pela pina

Ento o percentual de aumento da fora de atrito entre as pastilhas

e os discos ser proporcional ao aumento da fora aplicada nas

pastilhas. O mesmo raciocnio se aplica tambm entre as lonas e os tambores.

- Aumento do dimetro dos discos de freio

Qualquer fora aplicada em um movimento circular gera ummomento de fora, que pode ser comparado ao principio da

alavanca, onde quanto maior for a distncia entre o ponto onde estsendo aplicada a fora (no caso a Fatr das pastilhas com os discos)

e o ponto de articulao (no caso o centro dos discos) menor

poder ser esta Fatr para se executar o mesmo trabalho (no casofrear o veculo).

Portanto mantendo-se a mesma fora e aumentando-se o dimetro

dos discos, a potncia de frenagem ser aumentada:

M = Fatr x (D/2 Lp/2)

onde M = momento de fora

Fatr = fora de atrito entre pastilhas e discosD = dimetro dos discos

Lp = largura das pastilhas

ento M2/M1 = [Fatr x (D2/2 Lp/2)]/[Fatr x (D1/2 Lp/2)]

logo

M2/M1 = (D2 Lp)/(D1 Lp)

- aumento da rea de atrito das pastilhas

como Fatr = F x Aatr x K

onde Fatr = fora de atrito entre as pastilhas e os discos

Aatr = rea de atrito das pastilhas

F = fora aplicada nas pastilhasK = coeficiente de atrito entre pastilhas e discos

Portanto, se aumentarmos a rea de atrito em 20%, a fora de atrito

tambm ser aumentada em 20%, por exemplo.

O segundo ponto deficitrio foi em relao potncia de

frenagem. Em frenagens fortes acima de 150km/h, mesmoantes de ocorrer o superaquecimento, a modulao do

pedal no era a ideal, com dificuldade para se frear no

limite do travamento da rodas, indicando a falta depotncia.

Definidas estas duas prioridades, partiu-se para a

definio das solues:

1. aumento do dimetro, largura e peso dos discos de 239x 20mm e 4,3kg para 284 x 22mm e 6,3kg.

O peso aumentou 46% e a rea 41% (A2/A1=

(3,14xD2/2)/(3,14xD1/2), onde D2= 284mm e D1=

239mm), o que melhorou substancialmente a capacidadede dissipao de calor do sistema, conforme podemos

verificar no grfico abaixo:

Esse aumento do dimetro dos discos tambm resultou

em um acrscimo de 23% na potncia de frenagem da

dianteira:

Mpb/Mor = (284-43)/(239-43) = 1,23 onde 43mm alargura da pastilha



- aumento do coeficiente de atrito entre pastilhas e discos

Analogamente ao aumento da rea de atrito das pastilhas e

utilizando-se da mesma frmula, se utilizarmos discos e/ou pastilhas

(geralmente o material da pastilha consegue ser modificado commais facilidade) que possuam coeficiente de atrito 20% maior,

tambm a fora de atrito ser 20% maior, por exemplo.

- aumento da presso do circuito de freio

como P = F/A ento F = P x A

onde P = presso do circuito

F = fora de acionamento das pastilhas/lonas

A = rea do pisto das pinas/cilindro de roda

ento F2/F1 = P2/P1

Portanto, aumentando-se a presso em 20%, a fora de

acionamento das pastilhas ou lonas tambm ser aumentada em

20%, por exemplo, e conseqentemente tambm a fora de atritoentre pastilhas e discos.

Esse aumento de presso geralmente utilizado para o

repotenciamento do freio traseiro, e pode ser conseguidoregulando-se o corretor de frenagem em outra posio ou

trocando-se ou eliminando-se as vlvulas redutoras de presso do

freio traseiro, que tero seu funcionamento explicado mais adiante.

2. EQUILBRIO DE FRENAGEM

O freio traseiro nunca pode travar antes do dianteiro, pois seno oveculo se desequilibra e fica sem controle direcional na frenagem.

Por outro lado, caso a potncia de frenagem da traseira seja menor

que a capacidade dos pneus traseiros transmiti-la ao solo, o freiodianteiro ficar muito sensvel ao travamento e a desacelerao do

veculo ser menor do que poderia ser.

Esse desequilbrio pode ser ocasionado por vrios fatores, como

aumento da frenagem do freio dianteiro, diminuio do balanolongitudinal da carroceria promovido por rebaixamento e/ou

endurecimento da suspenso (ocorre menos transferncia de peso

para a dianteira e conseqentemente o freio traseiro poderia ter

mais potncia sem risco de travamento), aumento de peso na parte

traseira do veculo ou mesmo falha no projeto original do veculo.

Existem basicamente 4 sistemas de correo de frenagem para atraseira utilizados nos veculos atuais:

- direto: a presso que chega ao freio traseiro sempre a mesma

que para o dianteiro. Ex.: VW Gol

- vlvulas redutoras de presso: a partir de uma determinada

presso (geralmente 25 ou 30 Bar) h uma diminuio de 30% napresso que exceder este valor para a traseira.

Ex.: Palio, Corsa etc

- corretor de frenagem: varia a presso enviada para a traseira

conforme a altura do veculo.

Ex.: Parati, Palio weekend etc

- EBD: corretor eletrnico de frenagem para a traseira que funcionaem conjunto com o ABS (apenas os sistemas mais modernos), que

2. aumento do dimetro do pisto das pinas dianteiras de

48mm para 54mm.

Fpb/For = 54x54/48x48 = 1,26

Esta modificao resultou em um acrscimo de mais 26%

na potncia de frenagem da dianteira.

Portanto, o aumento total da potncia do freio dianteirofoi de 55%(1,23 x 1,26 = 1,55), o que nos forou a fazer

uma terceira modificao, para se restabelecer o equilbrio

da frenagem.

3. Aumento do dimetro dos cilindros de roda traseiros

de 14mm para 17mm.

Fpb/For = 17x17/14x14 = 1,47

Assim tivemos 47% de aumento da potncia de frenagemda traseira, conseguindo-se um bom equilbrio com as

modificaes na dianteira, conforme se pode verificar no

grfico abaixo, onde se pode notar que se conseguiu umaumento da desacelerao mesmo entes do sistema

original superaquecer:

Ainda em relao ao freio traseiro, poderia ser usadoainda o cilindro de 19mm disponvel no mercado caso se

opte por pastilhas especiais com maior coeficiente de

atrito, ou se as suspenses do veculo tenham sido

modificadas resultando em menor transferncia de peso

para a dianteira em frenagens.

4. OUTRAS CONSIDERAES

- freio a disco traseiro- quando realmente necessrio?

O sistema de freio a disco muito mais eficiente que o atambor, porm para a traseira ele realmente s vai ser

necessrio e influir na melhora do sistema caso no se

consiga o aumento da potncia no tambor para

acompanhar a dianteira mesmo com a troca dos cilindros

de roda, regulagem do corretor de frenagem, retirada dasvlvulas corretoras de frenagem ou mesmo com o uso de

tambores de maior dimetro vindos de outros modelos da

marca, ou caso a perda de frenagem por

superaquecimento ocorra antes no freio traseiro que no

dianteiro.



envia sempre a mxima presso at o limite de travamento de cadaroda traseira.

Ex.: Marea, Alfa Roemo 156

Utilizando-se das formas de aumento de potncia descritas

anteriormente, deve-se fazer as alteraes no freio traseiro sempre

levando em conta o tipo de correo de presso de cada veculo.Deve-se levar em considerao tambm as limitaes de cada

sistema:

- no direto o equilbrio ideal s se verifica com o veculo com carga

mnima e em descida; em todas as outras situaes poderia ser

colocada mais potncia no freio traseiro.

- no com vlvula redutora de presso ocorre algo similar aodireto, porm com a vantagem de ser enviada mais potncia para

a traseira em condio de uso normal, influindo na reduo do

desgaste do freio dianteiro.

- no com corretor de frenagem e no com EBD existe uma melhor

homogeneidade no equilbrio em todas as condies de uso, comvantagem para o EBD por trabalhar sempre no limite da mxima

potncia possvel para a traseira.

3. RESISTNCIA AO AQUECIMENTO

O aquecimento excessivo do conjunto do sistema de freio pode

ocasionar deficincias em 3 pontos principais:

- pastilhas

- fludo

- flexvelQuando as pastilhas atingem uma certa temperatura (entre 400C e

450C para pastilhas de rua e entre 450C e 500C para as de

competio) o seu coeficiente de atrito diminui bastante, fazendo

com que o pedal de freio fique mais duro at o ponto que mesmo se

aplicando muito mais fora no pedal a desacelerao do veculo

diminua at o veculo ficar praticamente sem freio. Vale ressaltarque este processo ocorre de forma gradual, e que antes de se atingir

estas temperaturas, quando o processo comea a ocorrer, este

pode ser evitado aliviando as frenagens por cerca de 500m.

J em relao ao fludo de freio, caso a sua temperatura atinja

205C para o DOT3, 230C para o DOT4 e 260C para DOT5(DOT3,4,5 ou 6 so classificaes dos fludos de freio quanto ao

poder de resistncia ao aquecimento), o mesmo ir entrar em

ebulio e virar vapor, e o pedal de freio baixar at chegar ao

assoalho e o veculo ficar completamente sem freio. Este fenmeno

menos gradual, e depois que ocorre necessrio que se faa uma

sangria no sistema para o freio voltar a funcionar corretamente.

Em relao aos flexveis, o que pode ocorrer o aumento do seudimetro interno devido ao aquecimento excessivo do fludo, porm

isso somente ocorrer caso o mesmo estiver com suas paredes

enfraquecidas pelo uso ou algum acidente ou ficar submetido a

temperaturas acima de 250C por um tempo muito prolongado,

deixando o pedal borrachudo.

Vale lembrar que esta condio de aquecimento somente ocorrerem competio e com o uso de fludo DOT 5 ou 6 e em freios mal

dimensionados ou que usem algum outro material (fibra de carbono

ou cermica) nos discos e/ou pastilhas, que possuem temperaturas

normais de trabalho acima de 500/600C.

- quando necessria a troca do cilindro mestre?O cilindro mestre precisa ser trocado por outro com

maior dimetro caso sejam colocadas pinas com

dimetro ou nmero de pistes maiores que as originais a

ponto de resultar na mudana da posio do pedal

superior a cerca de 20mm. Esse abaixamento do pedal decorrente do maior volume de fludo que deve ser

enviado s pinas devido aos pistes maiores.

- pinas de 4 ou 6 pistes:

Na adaptao de pinas de 4 ou 6 pistes deve-se

verificar antes da compra qual devem ser os dimetros

dos pistes, para que a instalao seja possvel tanto

quanto ao cilindro mestre como se o freio traseiro vaiconseguir acompanhar o dianteiro sem alteraes mais

profundas (talvez at mesmo adaptar uma pina dianteira

na traseira ou utilizar uma pina especial importada

tambm na traseira) .

Para se fazer a comparao dos volumes das pinas

originais e as de 4 ou 6 pistes, deve-se levar em conta

que o curso do pisto nico o dobro dos das pinas de4 ou 6, porque um mesmo pisto tem que acionar 2

pastilhas, portanto:

2 x Du = 4 x D4p (p/4 pistes)

D4p = Du/2 (p/6 pistes = Du/3)

D4p = Du/1,42 ou no mximo (x 1,40)

onde Du = dimetro do pisto da pina original

D4p = dimetro dos pistes da pina de 4 pistes

- assentamento das pastilhas

O correto assentamento das pastilhas importantssimo

para o bom desempenho do sistema, e caso no seja feitocorretamente compromete o funcionamento das pastilhas

durante toda a sua vida til.

Cada fabricante tem uma recomendao, mas

normalmente seguem uma regra semelhante a esta:

- pastilhas de rua

1- 10 a 15 freadas mdias de aproximadamente 70km/h a

40km/h;2- 10 a 15 freadas mdias de aproximadamente 60km/h

at parar;

3- o ideal no fazer freadas bruscas por

aproximadamente 200km aps o procedimento acima

para se obter o melhor rendimento das pastilhas.

- pastilhas de competio

1- 8 a 10 freadas mdias de 100km/h at 50km/h;2- 8 a 10 freadas mdias de 150km/h at 100km/h;

3- 1 freada forte (sem travar as rodas) de 180km/h at

100km/h;

4- 4 a 5 freadas mdias de 150km/h at 100km/h;



Para se contornar estes problemas, podemos ou diminuir a

temperatura de trabalho do sistema ou usar componentes que

resistam a temperaturas mais elevadas.No primeiro caso podemos usar alguns dos recursos abaixo:

- discos ventilados (caso os originais j no sejam);

- discos maiores e mais largos, que aumentam tanto a massa como a

rea para dissipao de calor;

obs.: para o clculo da diferena das reas, pode ser usada a

seguinte frmula:A2/A1 = (3,14xD2/2)/(3,14xD1/2)

- rodas com desenho que favorea a ventilao dos discos;

- pastilhas e pinas maiores, pelos mesmos motivos que os discos;

- dutos de ventilao direcionados para os discos;

- discos perfurados ou riscados, que ajudam no resfriamento das

pastilhas por retirarem os gases e o p que se formam no atrito

entre as pastilhas e os discos.De todos estes itens, alguns tm resultados mais perceptveis que

outros, sendo que alguns, como os discos perfurados ou riscados,

s tero sua influncia percebida em competio, onde qualquer

dcimo de segundo importante.

5- repetir os passos 3 e 4 mais 3 vezes.

Obs.: a distncia entre as freadas deve ser de

aproximadamente 500m para que a temperatura das

pastilhas no ultrapasse 300C.

- discos perfurados

A funo dos furos transversais dos discos j foi explicadaanteriormente, que similar funo dos rasgos

diagonais.

Porm deve ser destacado que efetuar a furao em um

disco j pronto e sem ter sido includo no projeto inicial

muito arriscado, pois o risco de surgirem trincas muito

grande.J a confeco de rasgos com profundidade de no

mximo 1mm no altera a estrutura do material (2mm

normalmente o limite de desgaste dos discos) e tem as

mesmas vantagens dos furos.

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